Гибридный мультивибратор. Описание схемы мультивибратора на полевых транзисторах Мощный мультивибратор на полевых транзисторах для теслы
Радиотехника начинающим
А. БУТОВ, с. Курба Ярославской обл.
Радио, 2002 год, № 4
Начинающие радиолюбители, конечно, знают, что мультивибраторы (симметричные и несимметричные) выполняют на биполярных транзисторах. К сожалению, подобные мультивибраторы обладают недостатком - при работе с достаточно мощной нагрузкой, например, лампами накаливания, для полного открывания транзисторов необходимы большие базовые токи.
Если же плечи мультивибратора переключаются с частотой 3...0.2 Гц, приходится устанавливать в частотозадаю-щих цепях оксидные конденсаторы большой емкости, а значит, и больших габаритов. Не следует забывать и об относительно большом напряжении насыщения открытых транзисторов.
В предлагаемом мультивибраторе (см. рисунок ) использованы отечественные полевые n-канальные транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Внутри корпуса между выводами затвора и истока стоит защитный стабилитрон, который значительно уменьшает вероятность выхода из строя транзистора при неумелом с ним обращении.
Частота переключения транзисторов мультивибратора около 2 Гц, она задается конденсаторами и резисторами. Нагрузка транзисторов мультивибратора - лампы накаливания EL1, EL2.
Резисторы, включенные между стоком и затвором транзисторов, обеспечивают мягкий запуск мультивибратора. К сожалению, они немного "затягивают" выключение транзисторов.
Вместо ламп накаливания в цепь стока транзисторов допустимо включить светодиоды с ограничительными резисторами сопротивлением 360 Ом либо телефонный капсюль, например, ТК-47 (для этого варианта мультивибратор должен работать в области звуковых частот). В случае использования только одного капсюля, в цепь стока другого транзистора необходимо включить в качестве нагрузки резистор сопротивлением 100...200 Ом.
Резисторы R1, R2 указанных на схеме номиналов можно составить из нескольких последовательно соединенных меньшего сопротивления. Если такого варианта нет, установите резисторы меньших номиналов, а конденсаторы - больших.
Конденсаторы могут быть неполярные керамические либо пленочные, например, серий КМ-5, КМ-6, К73-17. Лампы накаливания применены от "мигающей" елочной гирлянды китайского производства на напряжение 6 В и ток 100 мА. Подойдут также малогабаритные лампы на напряжение 6 В и ток 60 либо 20 мА.
Вместо транзисторов указанной серии, выдерживающих постоянный ток до 180 мА, допустимо применить рассчитанные на больший ток ключи серий КР1064КТ1, КР1014КТ1. В случае использования мультивибратора с более мощной нагрузкой, скажем, автомобильными лампами накаливания, понадобятся другие транзисторы, например КП744Г, допускающие ток стока до 9 А. Но при этом варианте нужно между затвором и истоком установить защитные стабилитроны на напряжение 8...10 В (катодом к затвору) - КС191Ж или аналогичные. При больших токах нагрузки транзисторы придется установить на теплоотводы.
Налаживают мультивибратор подбором конденсаторов до получения желаемой частоты переключения транзисторов. Для работы устройства на звуковых частотах конденсаторы должны быть емкостью 300...600 пф. Если же оставить конденсаторы указанной на схеме емкости, придется подобрать резисторы меньшего сопротивления - вплоть до 47 кОм.
Мультивибратор работоспособен при напряжении питания 3...10 В, разумеется, с соответствующей нагрузкой. Если его предполагается использовать в качестве какого-то узла в разрабатываемой конструкции, между проводами питания мультивибратора устанавливают блокировочный конденсатор емкостью 0,1...100 мкФ.
Аннотация
В данной пояснительной записке представлены описание схемы и временных диаграмм, расчетные методики мультивибратора на полевых транзисторах. В соответствии с заданием рассчитаны необходимые параметры схемы.
THE SUMMARY
In the given explanatory note the description of the circuit and time diagrams, settlement techniques of the multivibrator on field transistors are submitted. According to the task necessary parameters of the circuit are designed.
период следования импульсов Т: 200 мкс
длительность
: 10 мксдлительность среза
: 1 мксамплитуда импульсов U вых. u: -10 В
Титульный лист
Аннотация
Техническое задание
Введение
1.Описание схемы устройства фантастронного генератора пилообразного напряжения
2.Расчет фантастронного генератора пилообразного напряжения
2.1.Электрические расчеты
2.2.Выбор обоснование элементной базы
Заключение
Библиографический список
Спецификация
Временные диаграммы
ВВЕДЕНИЕ
Электронная вычислительная техника – сравнительно молодое научно-техническое направление, но она оказывает самое революционизирующее воздействие на все области науки и техники, на все стороны жизни общества. Характерно постоянное развитие элементной базы ЭВМ. Элементная база развивается очень быстро; появляются новые типы логических схем, модифицируются существующие. Существует множество различных электронных устройств: логические элементы, регистры, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры, счетчики, делители частоты, триггеры, генераторы и др.
Генераторы преобразуют энергию источника питания в энергию периодических или квазипериодических электрических колебаний. Основное назначение генераторов в электронике – это формирование импульсов начальной установки и синхронизации, управляющих сигналов различной формы и длительности.
Все многообразие генераторов можно подразделить на следующие типы:
Генераторы прямоугольных импульсов;
Генераторы линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН);
Генераторы ступенчато-изменяющегося напряжения;
Генераторы синусоидальных колебаний
Типичные формы прямоугольных колебаний показаны на рис.1
Генераторы прямоугольных импульсов, имеющие в петле обратной связи элементы, накапливающие энергию, называются мультивибраторами.
Мультивибраторы подразделяются на две группы:
Автоколебательные мультивибраторы;
Ждущие мультивибраторы или одновибраторы.
Основное различие между этими мультивибраторами заключается в том, что автоколебательные мультивибраторы формируют импульсную последовательность при подаче напряжения питания на схему, так как они имеют две цепи обратной связи с накопителями энергии, а ждущие мультивибраторы формируют одиночный импульс с заданными параметрами по внешнему запуску, так как одна петля обратной связи не имеет накопителя энергии. Одновибратор – что-то среднее между мультивибратором и триггером .
Различают мягкий и жесткий режимы возбуждения мультивибраторов. При мягком режиме любые изменения напряжения в цепи обратной связи в момент включения питания приводят к возникновению режима генераций; при жестком режиме генерация возникает, когда напряжение в цепи обратной связи достигает определенного порога.
Мультивибраторы подразделяются на перезапускаемые и неперезапускаемые. В первом случае при подаче импульса запуска генерация выходных сигналов начинается заново с исходного состояния. Перезапуски позволяют неограниченно увеличивать длительность выходного импульса независимо от параметров схемы мультивибратора. Неперезапускаемые мультивибраторы не реагируют на внешние импульсы запуска
1. Описание схемы мультивибратора на полевых транзисторах
Высокое входное сопротивление полевых транзисторов (ПТ) позволяет конструировать мультивибраторы на очень низкие частоты повторения импульсов при малых ёмкостях времязадающих конденсаторов. Благодаря этому форма выходных импульсов оказывается менее искажённой, а скважность больше, чем у мультивибраторов на биполярных транзисторах.
Для автоколебательных мультивибраторов наиболее подходят ПТ с управляющим p-n переходом, так как во время заряда конденсаторов напряжение на участке затвор-исток приложено в прямом направлении и поэтому сопротивление этого участка мало и малым становится время заряда конденсаторов.
Схема мультивибраторов из ПТ с управляющим p-n переходом и каналом p-типа изображена на рис.2. В этом мультивибраторе через резисторы
подаётся небольшое отрицательное напряжение на затвор относительно истока, что повышает стабильность периода колебаний и длительность выходных импульсов В отличие от мультивибратора на БП транзисторах работа устройства не нарушается, если резисторы включить между затвором и общей точкой (схема с «нулевым» затвором).
Временные диаграммы работы несимметричного мультивибратора показаны рис.3. В основных чертах принцип действия этого мультивибратора такой же, как и у лампового. От мультивибратора на БТ его отличает то, что во временно устойчивых состояниях равновесия разряд конденсаторов происходит практически только через резисторы
и не до нулевого напряжения, а до значения, при котором напряжение на затворе становится равным напряжению отсечки (обычно 1-6 В)
2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
I. Выбор транзистора. Для обеспечения временно устойчивых состояний равновесия необходимо выбирать транзисторы, у которых
- максимально допустимое напряжение сток-исток,
- напряжение отсечки.
По справочнику выбираем ПТ КП103Л, имеющий следующие параметры:
При напряжениях
=10 В и =0 ток стока =3 - 6,6 мА, крутизна характеристики S=1.8 – 3.8 мА/В; ток затвора 20 нА, входная ёмкость пФ, проходная ёмкость пФ и рассеиваемая на коллекторе мощность P = 120 мВт. Рассчитаем средние значения напряжения отсечки и входного сопротивления.Для расчёта принимаем
ВВЕДЕНИЕ
Электронная вычислительная техника - сравнительно молодое научно-техническое направление, но она оказывает самое революционизирующее воздействие на все области науки и техники, на все стороны жизни общества. Характерно постоянное развитие элементной базы ЭВМ. Элементная база развивается очень быстро; появляются новые типы логических схем, модифицируются существующие. Существует множество различных электронных устройств: логические элементы, регистры, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры, счетчики, делители частоты, триггеры, генераторы и др.
Генераторы преобразуют энергию источника питания в энергию периодических или квазипериодических электрических колебаний. Основное назначение генераторов в электронике - это формирование импульсов начальной установки и синхронизации, управляющих сигналов различной формы и длительности.
Все многообразие генераторов можно подразделить на следующие типы:
Генераторы прямоугольных импульсов;
Генераторы линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН);
Генераторы ступенчато-изменяющегося напряжения;
Генераторы синусоидальных колебаний
Типичные формы прямоугольных колебаний показаны на рис.1
Генераторы прямоугольных импульсов, имеющие в петле обратной связи элементы, накапливающие энергию, называются мультивибраторами.
Мультивибраторы подразделяются на две группы:
Автоколебательные мультивибраторы;
Ждущие мультивибраторы или одновибраторы.
Основное различие между этими мультивибраторами заключается в том, что автоколебательные мультивибраторы формируют импульсную последовательность при подаче напряжения питания на схему, так как они имеют две цепи обратной связи с накопителями энергии, а ждущие мультивибраторы формируют одиночный импульс с заданными параметрами по внешнему запуску, так как одна петля обратной связи не имеет накопителя энергии. Одновибратор - что-то среднее между мультивибратором и триггером .
Различают мягкий и жесткий режимы возбуждения мультивибраторов. При мягком режиме любые изменения напряжения в цепи обратной связи в момент включения питания приводят к возникновению режима генераций; при жестком режиме генерация возникает, когда напряжение в цепи обратной связи достигает определенного порога.
Мультивибраторы подразделяются на перезапускаемые и неперезапускаемые. В первом случае при подаче импульса запуска генерация выходных сигналов начинается заново с исходного состояния. Перезапуски позволяют неограниченно увеличивать длительность выходного импульса независимо от параметров схемы мультивибратора. Неперезапускаемые мультивибраторы не реагируют на внешние импульсы запуска
Описание схемы мультивибратора на полевых транзисторах
Высокое входное сопротивление полевых транзисторов (ПТ) позволяет конструировать мультивибраторы на очень низкие частоты повторения импульсов при малых ёмкостях времязадающих конденсаторов. Благодаря этому форма выходных импульсов оказывается менее искажённой, а скважность больше, чем у мультивибраторов на биполярных транзисторах.
Для автоколебательных мультивибраторов наиболее подходят ПТ с управляющим p-n переходом, так как во время заряда конденсаторов напряжение на участке затвор-исток приложено в прямом направлении и поэтому сопротивление этого участка мало и малым становится время заряда конденсаторов.
Схема мультивибраторов из ПТ с управляющим p-n переходом и каналом p-типа изображена на рис.2. В этом мультивибраторе через резисторы подаётся небольшое отрицательное напряжение на затвор относительно истока, что повышает стабильность периода колебаний и длительность выходных импульсов В отличие от мультивибратора на БП транзисторах работа устройства не нарушается, если резисторы включить между затвором и общей точкой (схема с «нулевым» затвором).
Временные диаграммы работы несимметричного мультивибратора показаны рис.3. В основных чертах принцип действия этого мультивибратора такой же, как и у лампового. От мультивибратора на БТ его отличает то, что во временно устойчивых состояниях равновесия разряд конденсаторов происходит практически только через резисторы и не до нулевого напряжения, а до значения, при котором напряжение на затворе становится равным напряжению отсечки (обычно 1-6 В)
Для генерирования прямоугольных импульсов с частотой свыше можно использовать схемы, работающие по тому же принципу, что и схема на рис. 18.32. Как показано на рис. 18.40, в качестве компаратора в таких схемах используют простейший дифференциальный усилитель.
Положительная обратная связь в схеме триггера Шмитта обеспечивается непосредственным соединением выхода усилителя с его -входом, т. е. сопротивление резистора в делителе напряжения выбирают равным нулю. Согласно формуле (18.16), в такой схеме должен был получиться бесконечно большой период колебаний, однако это не совсем так. При выводе этого уравнения предполагалось, что усилитель, используемый в качестве компаратора, имеет бесконечно большой коэффициент усиления, т.е. что процесс переключения схемы происходит при разности входных напряжений, равной нулю. В этом случае порог переключения схемы будет равен выходному напряжению, и напряжение на конденсаторе С достигнет этой величины только за очень большое время.
Рис. 18.40 Мультивибратор на базе дифференциального усилителя.
Схема дифференциального усилителя, на базе которой выполнен генератор на рис. 18.40, имеет довольно низкий коэффициент усиления. По этой причине схема переключится еще до того, как разность входных сигналов усилителя станет равной нулю. Если, например, такую схему реализовать, как показано на рис. 18.41, на базе линейного усилителя, изготовленного по ЭСЛ-технологии (например, на базе интегральной микросхемы то разность входных сигналов, при которой происходит переключение схемы, составит около При амплитуде выходного напряжения около типичной для схем, выполненных на базе ЭСЛ-технологии, период импульсов генерируемого сигнала равен
Рассмотренная схема позволяет генерировать импульсное напряжение с частотой до
Аналогичный генератор может быть также выполнен на основе ТТЛ-схем. Для этих целей подходит готовая микросхема-триггер Шмитта (например, 7414 или 74132), так как она уже имеет внутреннюю положительную обратную связь. Соответствующее включение такой микросхемы показано на рис. 18.42. Так как через резистор триггера Шмитта должен протекать входной ток ТТЛ-элемента, то его сопротивление не должно превышать 470 Ом. Это необходимо для уверенного переключения схемы на нижнем пороге срабатывания. Минимальная величина этого сопротивления определяется выходной нагрузочной способностью логического элемента и равняется около 100 Ом. Пороги срабатывания триггера Шмитта составляют 0,8 и 1,6 В. Для амплитуды выходного сигнала около 3 В, типичного для ИС ТТЛ-типа, частота импульсов генерируемого сигнала равна
Максимально достижимое значение частоты составляет около 10 МГц.
Наиболее высокие частоты генерации достигаются при использовании специальных схем мультивибраторов с эмиттерными связями (например, микросхемы или Принципиальная схема такого мультивибратора представлена на рис. 18.43. Кроме того, указанные интегральные микросхемы снабжены дополнительными оконечными каскадами, выполненными на базе ТТЛ- или ЭСЛ-схем.
Рассмотрим принцип действия схемы. Допустим, что амплитуда переменных напряжений во всех точках схемы не превышает величины Когда транзистор закрыт, напряжение на его коллекторе практически равно напряжению питания. Напряжение на эмиттере транзистора составляет Ток эмиттера
Рис. 18.41. Мультивибратор на основе линейного усилителя, выполненного по ЭСЛ-технологии.
Рис. 18.42. Мультивибратор на основе триггера Шмитта, выполненного по ТТЛ-технологии. Частота
Рис. 18.43. Мультивибратор с эмиттерными связями.
транзистора равен Чтобы при этом на резисторе выделялся сигнал желаемой амплитуды, его сопротивление должно составлять Тогда в рассматриваемом состоянии схемы напряжение на эмиттере транзистора будет равно . В течение времени, когда транзистор закрыт, ток левого по схеме источника течет через конденсатор С. в результате чего напряжение на эмиттере транзистора снижается со скоростью
Транзистор Т открывается, когда напряжение на его эмиттере снижается до значения При этом напряжение на базе транзистора снижается на 0,5 В и транзистор закрывается, а напряжение на его коллекторе возрастает до величины За счет наличия эмиттерного повторителя на транзисторе с ростом напряжения на коллекторе транзистора увеличивается также и напряжение базы транзистора . Вследствие этого напряжение на эмиттере транзистора скачком увеличивается до значения Этот скачок напряжения через конденсатор С передается на эмиттер транзистора так что напряжение в этой точке скачком увеличивается от до
В течение времени, когда транзистор закрыт, ток протекающий через конденсатор С, вызывает снижение напряжения на эмиттере транзистора со скоростью
Транзистор остается закрытым до тех пор, пока потенциал его эмиттера не снизится от значения до значения Для транзистора это время составляет
Мультивибратор на полевых транзисторах
Начинающие радиолюбители, конечно, знают, что мультивибраторы (симметричные и несимметричные) выполняют на биполярных транзисторах. К сожалению, подобные мультивибраторы обладают недостатком - при работе с достаточно мощной нагрузкой, например, лампами накаливания, для полного открывания транзисторов необходимы большие базовые токи.
Если же плечи мультивибратора переключаются с частотой 3...0,2 Гц, приходится устанавливать в частотозадающих цепях оксидные конденсаторы большой емкости, а значит, и больших габаритов. Не следует забывать и об относительно большом напряжении насыщения открытых транзисторов.
В предлагаемом мультивибраторе (см. рисунок) использованы отечественные полевые n-канальные транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Внутри корпуса между выводами затвора и истока стоит защитный стабилитрон, который значительно уменьшает вероятность выхода из строя транзистора при неумелом с ним обращении.
Частота переключения транзисторов мультивибратора около 2 Гц, она задается конденсаторами и резисторами. Нагрузка транзисторов мультивибратора - лампы накаливания EL1, EL2.
Резисторы, включенные между стоком и затвором транзисторов, обеспечивают мягкий запуск мультивибратора. К сожалению, они немного "затягивают" выключение транзисторов.
Вместо ламп накаливания в цепь стока транзисторов допустимо включить светодиоды с ограничительными резисторами сопротивлением 360 Ом либо телефонный капсюль, например, ТК-47 (для этого варианта мультивибратор должен работать в области звуковых частот). В случае использования только одного капсюля, в цепь стока другого транзистора необходимо включить в качестве нагрузки резистор сопротивлением 100...200 Ом.
Резисторы R1, R2 указанных на схеме номиналов можно составить из нескольких последовательно соединенных меньшего сопротивления. Если такого варианта нет, установите резисторы меньших номиналов, а конденсаторы - больших.
Конденсаторы могут быть неполярные керамические либо пленочные, например, серий КМ-5, КМ-6, К73-17. Лампы накаливания применены от "мигающей" елочной гирлянды китайского производства на напряжение 6 В и ток 100 мА. Подойдут также малогабаритные лампы на напряжение 6 В и ток 60 либо 20 мА.
Вместо транзисторов указанной серии, выдерживающих постоянный ток до 180 мА, допустимо применить рассчитанные на больший ток ключи серий КР1064КТ1, КР1014КТ1. В случае использования мультивибратора с более мощной нагрузкой, скажем, автомобильными лампами накаливания, понадобятся другие транзисторы, например КП744Г, допускающие ток стока до 9 А. Но при этом варианте нужно между затвором и истоком установить защитные стабилитроны на напряжение 8...10 В (катодом к затвору) - КС191Ж или аналогичные. При больших токах нагрузки транзисторы придется установить на теплоотводы.
Налаживают мультивибратор подбором конденсаторов до получения желаемой частоты переключения транзисторов. Для работы устройства на звуковых частотах конденсаторы должны быть емкостью 300...600 пф. Если же оставить конденсаторы указанной на схеме емкости, придется подобрать резисторы меньшего сопротивления - вплоть до 47 кОм.
Мультивибратор работоспособен при напряжении питания 3...10 В, разумеется, с соответствующей нагрузкой. Если его предполагается использовать в качестве какого-то узла в разрабатываемой конструкции, между проводами питания мультивибратора устанавливают блокировочный конденсатор емкостью 0,1...100 мкФ.
