Ждущий мультивибратор на логических элементах

Одновибраторы и мультивибраторы на микросхемах

Схемы, приведенные на рис. 1, представляют собой классические одновибраторы и мультивибраторы (генераторы прямоугольных импульсов).

В одновибраторах (рис. 1 а,б) длительность выходного импульса не зависит от длительности импульса на входе. Первый одновибратор запускается положительным перепадом напряжения на входе, а второй — отрицательным. На рис. 1 в представлен обычный мультивибратор, а на рис. 1 г — мультивибратор с регулируемой длительностью импульсов. В схемах, представленных на рис. 1 д,е, колебания возникают при подаче на вход логического сигнала соответственно низкого и высокого уровня. Мультивибратор на двух транзисторах (рис. 1 ж) используется в низкочастотных устройствах. Такая схема может непосредственно управлять элементами со значительным потребляемым током, например лампочками или реле,

Рис. 1. Импульсные схемы

которые подключаются к одному из коллекторов (или к каждому коллектору) вместо резистора. В остальных схемах применяются КМОП вентили, рассчитанные на широкий диапазон напряжений питания.

При вычислении длительности импульсов определяющую роль играет произведение RC. Приведенные на рисунке формулы являются приближенными, окончательный результат зависит от частоты, от типа вентилей, а также от напряжения питания. Применяются логические вентили, включенные по схеме инвертора, типа ИЛИ-HE или И-НЕ. Их можно также заменить простыми инверторами.

Для формирования периодов большой длительности (значительного времени задержки) предпочтительнее использовать мультивибраторы со средней или высокой рабочей частотой в сочетании с двоичным счетчиком. Наиболее удобны в этом случае микросхемы типа CD4060 и т.п.

nedoPC.org

Ну и несколько слов хотел я тут замолвить о RC-цепях в схемах с ТТЛ-логикой…
Конечно, сейчас выбор логики большой, и КМОП и ТТЛШ есть — там этой проблемы практически нет.
Но поскольку в рамках своего хобби мы частенько используем устаревшую серию К155, можно
попасть с ней в несколько тупиковую ситуацию, используя RC-цепочки.
Когда я моделировал EDUC-8, то столкнулся с несколько непривычным построением цепи сброса
(см. рисунок а):

	Attachment: ТТЛ_003.gif

Я лично привык цепь сброса делать иначе (см. рисунок б), но у такого решения есть особенность:
если R в этой цепочке ставить более 3К, то оно уже очень мало влияет на постоянную времени.
И вот почему:
Если мы посмотрим, как построен каскад ТТЛ, то увидим, что когда конденсатор разряжен, и на входе
элемента ТТЛ — логический «0», то конденсатор заряжается входным током ТТЛ-элемента и током
через резистор R. То есть, резистор R только уменьшает нужую нам для задержки постоянную времени.

На осциллограммах, кстати, просто явно виден этот процесс: до порога переключения — напряжение
на ёмкости нарастает быстрее, чем после переключения. После переключения процесс как раз идет
по закону Т~RC, но только для нас это уже бесполезно…
Поэтому решение автора EDUC-8 довольно логичное — он просто заряжает емкость входным

током ТТЛ-элемента, получая максимальное Т задержки при заданной емкости конденсатора С.
При выключении конденсатор разржается через R = 100K.
Можно спорить, насколько это корректно или нет — не притягивать вход резистором к +5В, но
речь пойдет не об этом.
Основой факт, который я хотел подчеркнуть, что если на входе ТТЛ-элемента есть RC-цепь
и она заряжается от 0 до +5В значительный вклад в процесс зарядки вносит входной ток самогО
ТТЛ-элемента, а резистор влияет в узких пределах и в сторону уменьшения T задержки.
Казалось бы — ну и ладно: увеличим ёмкость!
А вот тут — другая «засада»: процесс нарастания в определенный момент становится очень пологим,
ТТЛ-вентиль этого «не любит», может выдать пачку импульсов, ну и уж точно — очень портится этот
фронт переключения…
Я столкнулся с этой проблемой как раз, когда делал схему задержки на ~2.5 mS (см. выше).
Причем делал я её уже второй раз, и в первый раз получилось всё довольно просто:

И первый раз я легко добился нужного результата чисто «на глаз»…
А когда стал повторять схему, то задержка на ~2.5 mS вдруг не вырисовывается никак!
Удивление прошло быстро: в первый раз у меня стояли вентили ТТЛШ, а у них входной ток где-то
на порядок меньше, чем у ТТЛ, и на зависимость Т~RC полагаться можно!
В общем помучался я, поскольку моё собственное ТЗ самому себе было:»сделать всё то же, но сугубо
на серии К155″!
И нашел я выход в виде схемы одновибратора из первого поста этого топика.
В нём времязадающий конденсатор заряжается от входа — к +5В (как там и написано) поэтому, его
разряд приходится на состояние лог.»1″ на входах ТТЛ элемента — а при этом входные токи малЫ!
Ну а когда он переключится, тут уже как раз нам его входные токи безразличны…
Основной оргвывод: работая с ТТЛ нужно смотреть, чтобы характерное время заряда или разряда
RC-цепи приходилось на состояние лог.»1″ элемента.
В противном случае, подбирая номиналы R и C, можно и результата не добиться, и вовсе испортить
работу своей схемы.
Я не собирался тут открыть америку этим постом, просто хотел напомнить, что с ТТЛ-вентилями
эта зависимость: Т~RC справедлива не во всех случаях…

Одновибраторы

Одновибраторы («ждущие мультивибраторы», английское название «Monostable Multivibrator») представляют собой микросхемы, которые в ответ на входной сигнал (логический уровень или фронт) формируют выходной импульс заданной длительности. Длительность определяется внешними времязадающими резисторами и конденсаторами. То есть можно считать, что у одновибраторов есть внутренняя память, но эта память хранит информацию о входном сигнале строго заданное время, а потом информация исчезает. На схемах одновибраторы обозначаются буквами G1.

В стандартные серии микросхем входят одновибраторы двух основных типов (отечественное обозначение функции микросхемы — АГ):

· Одновибраторы без перезапуска (АГ1 — одиночный одновибратор, АГ4 — два одновибратора в корпусе).

· Одновибраторы с перезапуском (АГ3 — два одновибратора в корпусе).

Разница между этими двумя типами показана на Рис. 11.1.

Одновибратор без перезапуска не реагирует на входной сигнал до окончания своего выходного импульса. Одновибратор с перезапуском начинает отсчет нового времени выдержки Т с каждым новым входным сигналом независимо от того, закончилось ли предыдущее время выдержки.

В случае, когда период следования входных сигналов меньше времени выдержки Т, выходной импульс одновибратора с перезапуском не прерывается.

Если период следования входных запускающих импульсов больше времени выдержки одновибратора Т, то оба типа одновибраторов работают одинаково.

Рис. 11.1. Принцип работы одновибраторов без перезапуска и с перезапуском

На рис.11.2 приведены обозначения микросхем одновибраторов стандартных серий. Микросхемы АГ3 и АГ4 отличаются друг от друга только тем, что АГ3 работает с перезапуском, а АГ4 — без перезапуска.

Рис. 11.2. Микросхемы одновибраторов

Микросхемы имеют входы запуска, объединенные по И и ИЛИ, прямые и инверсные выходы, а также выводы для подключения внешних времязадающих цепей (резисторов и конденсаторов).

Запускается работа всех одновибраторов по фронту результирующего входного сигнала. Использованная логика объединения входов микросхем позволяет запустить все одновибраторы как по положительному, так и по отрицательному фронту входного сигнала ( Рис. 11.3 и 11.4).

Рис. 11.3. Варианты запуска одновибратора АГ1

Рис. 11.4. Варианты запуска одновибраторов АГ3 и АГ4

На неиспользуемые входы при этом надо подавать сигналы логического нуля или логической единицы. Можно также использовать остающиеся входы для разрешения или запрещения входного запускающего сигнала.

Одновибраторы АГ3 и АГ4 имеют также дополнительный вход сброса -R, логический нуль на котором не только запрещает выработку выходного сигнала, но и прекращает его. Вход -R можно также использовать для запуска одновибратора.

Таблица 11.1 Таблица истинности одновибратора АГ1

Таблица 11.2 Таблица истинности одновибраторов АГ3 и АГ4

В таблицах истинности инверсные входные сигналы обозначены –А, –А1, –А2, прямые входные сигналы — В, а прямой и инверсный выходные сигналы — соответственно, Q и –Q.

Стандартное включение одновибраторов предполагает подключение внешнего резистора и внешнего конденсатора (Рис. 11.5).

Для одновибратора АГ1 длительность выходного импульса можно оценить по формуле

T = 0,7RC.

Эта формула работает при величине сопротивления резистора в пределах от 1,5 кОм до 43 кОм. Емкость конденсатора может быть любой.

Внутри микросхемы имеется внутренний резистор сопротивлением около 2 кОм, подключенный к выводу R, поэтому можно включать одновибратор без внешнего резистора, подключая вывод R к напряжению питания.

Повторный запуск одновибратора невозможен сразу после окончания выходного импульса, до повторного запуска обязательно

Рис. 11.5. Стандартные схемы включения одновибраторов

должен пройти интервал t = C (если емкость измеряется в нанофарадах, то временной интервал получается в микросекундах).

Для одновибраторов АГ3 и АГ4 длительность импульса можно оценить по формуле:

T = 0,32C(R + 0,7),

где сопротивление резистора измеряется в килоОмах.

Сопротивление резистора может находиться в пределах от 5,1 кОм до 51 кОм, емкость конденсатора — любая.

Перезапуск одновибратора возможен только в том случае, когда интервал между входными запускающими импульсами больше 0,224С (если емкость измеряется в нанофарадах, то временной интервал — в микросекундах).

Наиболее распространенные применения одновибраторов следующие (Рис. 11.6):

· увеличение длительности входного импульса;

· уменьшение длительности входного импульса;

· деление частоты входного сигнала в заданное число раз;

· формирование сигнала огибающей последовательности входных импульсов.

Для увеличения или уменьшения длительности входного сигнала (Рис.11.6. а и б) надо всего лишь выбрать сопротивление резистора и емкость конденсатора, исходя из требуемой длительности выходного сигнала.

В этом случае можно использовать одновибратор любого типа: как с перезапуском, так и без перезапуска.

Для деления частоты входных импульсов в заданное число раз (Рис.11.6 в) применяется только одновибратор без перезапуска. При этом надо выбрать такую длительность выходного сигнала, чтобы одновибратор пропускал нужное количество входных импульсов.

Например, если требуется разделить на 3 частоту входных импульсов f, то длительность выходного сигнала одновибратора надо выбрать в пределах от 2/f до 3/f. При этом одновибратор будет пропускать два входных импульса из каждых трех.

Для формирования огибающей входного сигнала (Рис.11.6.г) используется только одновибратор с перезапуском. При этом длительность его выходного импульса должна быть выбрана такой, чтобы каждый следующий входной сигнал перезапускал одновибратор. Если частота входного сигнала равна f, то длительность выходного сигнала одновибратора должна быть не меньше, чем 1/f.

Рис. 11.6. Стандартные применения одновибраторов

Еще одно важное применение одновибратора состоит в подавлении дребезга контактов кнопки.

Одновибратор с большим временем выдержки (порядка нескольких десятых долей секунды) надежно подавляет паразитные импульсы, возникающие из-за дребезга контактов, и формирует идеальные импульсы на любое нажатие кнопки ( Рис. 11.7).

Для этого можно использовать как одновибратор с перезапуском, так и одновибратор без перезапуска (на рисунке). Можно также подобрать время выдержки так, что одновибратор будет давать один импульс по нажатию кнопки, а другой импульс — по отпусканию кнопки.

Рис. 11.7. Использование одновибратора для подавления дребезга

контактов кнопки

Одновибраторы можно также применять для построения генераторов (мультивибраторов) прямоугольных импульсов с различными значениями длительности импульсов и паузы между ними. При этом два одновибратора замыкаются в кольцо так, что каждый из них запускает другой после окончания своего выходного импульса (Рис. 11.8). Один одновибратор формирует длительность импульса, а другой определяет паузу между импульсами. Изменяя номиналы резисторов и конденсаторов, можно получить нужные соотношения импульса и паузы.

Рис. 11.8. Генератор импульсов на двух одновибраторах

Таким образом, одновибраторы довольно легко позволяют решать самые разные задачи.

Однако, применяя одновибраторы, надо всегда помнить, что длительность их выходных импульсов нельзя задать очень точно — ведь одновибратор имеет аналоговые цепи.

На длительность выходного импульса одновибратора влияют разбросы номиналов резисторов и конденсаторов, температура окружающей среды, старение элементов, помехи по цепям питания и другие факторы.

Поэтому применение одновибраторов нужно по возможности ограничивать только теми случаями, когда время выдержки можно задавать с не слишком высокой точностью (погрешность не менее 20–30%).

Любую функцию одновибратора может выполнить синхронное тактируемое устройство (на основе кварцевого генератора, триггеров, регистров, счетчиков), причем выполнить гораздо точнее и надежнее. И ему не нужно никаких дополнительных времязадающих элементов (резисторов и конденсаторов).

Задержки запуска одновибраторов примерно в два–три раза превосходят задержку логического элемента. Точные величины задержек надо смотреть в справочниках.

Уважаемые садоводы СНТ «Здоровье» !!!

Ждущий мультивибратор – одновибратор. Расчёт ждущего мультивибратора

Ждущий мультивибратор (одновибратор) — это простой генератор, вырабатывающий одиночный прямоугольный импульс по команде – более короткому импульсу запуска. Ждущий мультивибратор не работает в режиме непрерывной генерации (режиме автогенератора). Так как он вырабатывает всего один импульс, второе название ждущего мультивибратора – одновибратор.
Рассмотрим самый простой ждущий мультивибратор на транзисторах. Схема его представлена на рисунке. Если вы читали мою статью «Симметричный мультивибратор. Расчёт мультивибратора», то заметите, что в схеме пропал второй конденсатор, а резистор R3 занял его место.
Как и все другие виды генераторов, ждущий мультивибратор может быть усложнён в зависимости от необходимых выполняемых функций, но все элементы, представленные на рисунке, являются обязательными, без них этот вид генератора работать не будет. На схеме не показан вход управления ждущим мультивибратором и его выходы. Это сделано для того, чтобы не запутать вас сразу, поскольку вариантов запуска ждущего мультивибратора, построенного по изображённой на рисунке схеме, может быть два. Но это мы рассмотрим после того, как изучим нормальное состояние ждущего мультивибратора — «Установившийся режим».
Работа ждущего мультивибратора основана на зарядно-разрядном процессе одного единственного конденсатора, образующего совместно с резисторами RC-цепочки. Как и различные другие схемы генераторов, ждущий мультивибратор имеет два выхода – коллекторы транзисторов. Способы съёма выходных импульсов мы также рассмотрим позже.
Как работает ждущий мультивибратор?

В начальный момент подачи питания практически никаких переходных процессов в ждущем мультивибраторе не происходит. После подачи питания по цепям ждущего мультивибратора протекает два основных тока, стремящихся открыть транзисторы:
— VT2 по пути (показано красным цветом): «+ источника питания > резистор R1 > малое сопротивление разряженного С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > — источника питания»;
— VT1 по пути (показано синим цветом): «+ источника питания > резистор R4 > резистор R3 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания».
Поскольку сопротивление резистора R1, конденсатора С1 и параллельно подключенного к этой цепи резистора R2 намного меньше сопротивления последовательно включенных резисторов R4 и R3, то базовый ток транзистора VT2 значительно превосходит базовый ток транзистора VT1. Поэтому транзистор VT2 открывается. База транзистора VT1, оказывается шунтирована на эмиттер VT1 через резистор R3 и малое сопротивление открытого перехода коллектор-эмиттер транзистора VT2. В результате этого, транзистор VT1 закрывается. Одновременно происходит «быстрый» заряд конденсатора С1 по пути: «+ источника питания > резистор R1 > конденсатор С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > — источника питания». Конденсатор зарядится до значения, равного напряжению источника питания. В таком состоянии, являющимся «Установившимся режимом ожидания импульса запуска» ждущий мультивибратор и остается до прихода импульса запуска. По его цепям протекают токи, показанные на рисунке.

Способы запуска ждущего мультивибратора
ри кратковременном нажатии кнопки, на базово-эмиттерный переход VT1 подается отпирающее напряжение и транзистор открывается. При этом, напряжение заряженного конденсатора С1, через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT1 окажется приложенным к эмиттерно-базовому переходу транзистора VT2 обратной полярностью. В результате VT2 закроется (начало выходного импульса), а ток, который ранее проходил через открытый коллекторно-эмиттерный переход VT2, побежит по цепи: «+ источника питания > резистор R4 > резистор R3 > базово-эмиттерный переход VT1 > — источника питания». Этот ток удерживает транзистор VT1 в открытом состоянии. Одновременно происходит перезаряд конденсатора С1 (от напряжения источника питания одной полярности, до напряжения 0,7…1,0 вольта противоположной полярности) по цепи: «+ источника питания > резистор R2 > правая обкладка С1 >левая обкладка С1 > коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT1 > -источника питания».
Когда конденсатор С1 перезарядится, его сопротивление увеличится, и ток, который ранее бежал через малое сопротивление конденсатора и открытый переход коллектор-эмиттер VT1, побежит на базу транзистора VT2, заставляя его открыться (конец выходного импульса). В результате ток, ранее идущий с резистора R4, через резистор R3 на базу транзистора VT1, пойдёт через открытый переход коллектор-эмиттер VT2 на минус источника питания. Падение потенциала базы транзистора VT1 вызовет его закрывание.
До прихода нового импульса запуска, происходит «быстрый» заряд конденсатора С1 по пути: «+ источника питания > резистор R1 > конденсатор С1 > базово-эмиттерный переход VT2 > — источника питания». После этого ждущий мультивибратор переходит в режим «ожидания» нового импульса запуска.
Длительность выходного импульса положительной полярности, снимаемого с коллектора транзистора VT2 определяется временем перезаряда конденсатора С1, которое зависит от его ёмкости и от номинала резистора R2. При этом длительность указанного выходного импульса никак не зависит от длительности импульса запуска. Другими словами, сколько бы вы не держали кнопку SA1 нажатой, выходной импульс начнётся с момента нажатия кнопки, а закончится по окончании перезаряда конденсатора. Нажатая кнопка SA1 будет удерживать транзистор VT1 в открытом состоянии, но на VT2 это никак не повлияет.
Немного иначе выглядит выходной импульс на коллекторе транзистора VT1. Во первых, он представляет собой импульс «низкого уровня», или «нуля» — что это такое, можете почитать в моей статье «Введение в информатику. Алгоритмы». Во вторых, как и на коллекторе VT2 он начинается с прихода импульса запуска (нажатия кнопки SA1), а вот заканчивается по окончании перезаряда конденсатора, но не ранее того момента, когда импульс запуска закончится (кнопка SA1 будет отпущена). Это вы можете увидеть на временных графиках (эпюрах). Приводятся два импульса запуска, различные по длительности: длительность первого импульса запуска меньше длительности перезаряда С1, а второго – больше. Для того, чтобы исключить влияние длительности импульса запуска на выходную характеристику коллектора VT1, на входе применяют дифференцирующую цепочку, состоящую из конденсатора и резистора, «укорачивающей» импульс запуска ждущего мультивибратора. О ней вы можете прочитать в статье «Конденсатор».
Вариант 2. Запуск через VT2.
Для того, чтобы транзистор VT2 закрыть, достаточно его базу соединить с эмиттером (с минусом источника питания). Для примера, опять будем использовать кнопку. При такой схеме управления добавочный резистор не нужен. Но необходим диод VD1, исключающий влияние на перезарядные процессы.
При нажатии на кнопку SA1 транзистор VT2 закрывается (начало выходного импульса). В результате этого, потенциал на коллекторе транзистора VT2, а следовательно и на базе транзистора VT1 повышается. VT1 открывается, и происходит перезаряд конденсатора С1, от значения, равного напряжению источника питания одной полярности, до напряжения 0,7…1,0 вольта противоположной полярности. Перезаряд происходит по цепи: «+ источника питания > резистор R2 > правая обкладка С1 >левая обкладка С1 > коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT1 > -источника питания». До полного разряда, конденсатор С1 является источником питания, запирающим транзистор VT2 обратным напряжением, приложенным к переходу эмиттер-база транзистора VT2 через открытый переход коллектор-эмиттер транзистора VT1.
Когда конденсатор С1 перезарядится, его сопротивление увеличится, и ток, который ранее протекал через малое сопротивление конденсатора и открытый переход коллектор-эмиттер VT1, побежит на базу транзистора VT2, заставляя его открыться (конец выходного импульса). В результате ток, ранее идущий с резистора R4, через резистор R3 на базу транзистора VT1, пойдёт через открытый переход коллектор-эмиттер VT2 на минус источника питания. Падение потенциала базы транзистора VT1 вызовет его закрытие. Но окончания выходного импульса не произойдёт, если после нажатия кнопки SA1, удерживать её нажатой. Это связано с тем, что при удержании кнопки, в случае завершения перезаряда, ток будет проходить не через базово-эмиттерный переход транзистора VT2, а через шунтирующую его цепочку – диод VD1 и кнопочный выключатель SA1.
Если в первом варианте (запуска через базу транзистора VT1) длительность выходных импульсов на коллекторах транзисторов зависит от длительности нажатия кнопки (подачи импульса запуска) только на коллекторе транзистора VT1, то в этом — втором варианте, длительность подачи импульса запуска влияет на выходные сигналы обоих коллекторов. Другими словами, выходной импульс начнётся с момента нажатия кнопки, а закончится по окончании перезаряда конденсатора только в том случае, если кнопка будет выключена. Нажатая кнопка SA1 будет удерживать оба транзистора — VT1 в открытом состоянии, а VT2 в закрытом состоянии. Для исключения такого состояния, возможно применение дифференцирующей цепочки, состоящей из конденсатора и резистора, «укорачивающей» импульс запуска ждущего мультивибратора. Особенностью второго варианта запуска ждущего мультивибратора является то, что в качестве диода используется не обычный выпрямительный, или импульсный диод, а диод Шоттки. Это связано с тем, что для надёжного запирания транзистора VT2 необходим диод с малым падением напряжения на его p-n переходе.
В рассмотренных вариантах запуска ждущего мультивибратора используется простейший элемент — кнопка, но вместо кнопки может выступать любой коммутирующий элемент – контакты реле, транзистор, и т.п. Кроме того, входные импульсы могут формироваться любым другим электронным устройством, формирующим импульс.
Способы подключения нагрузки к ждущему мультивибратору
Прямоугольные импульсы могут сниматься с двух точек ждущего мультивибратора – коллекторов транзисторов. Нагрузка ждущего мультивибратора должна подключаться параллельно одному из коллекторных резисторов, но ни в коем случае не параллельно переходу коллектор-эмиттер транзистора VT1. Нельзя шунтировать транзистор, отвечающий за перезарядные процессы нагрузкой. Если это условие не выполнять, то ждущий мультивибратор работать не будет. А вот параллельно коллекторно-эмиттерному переходу транзистора VT2 нагрузку подключать можно. На рисунке ниже показано, как подключить нагрузку правильно, а как не надо это делать. При этом, не важно, к какому из выходов вы подключаете нагрузку, лишь бы выполнялось условие того, что вам необходимо сделать по импульсу запуска – включать, или выключать нагрузку.

Для того, чтобы нагрузка не влияла на сам ждущий мультивибратор, она должна иметь достаточное входное сопротивление. Для этого обычно применяют буферные транзисторные каскады.
На примере показано подключение лампы накаливания к ждущему мультивибратору. Добавочный резистор повышает входное сопротивление буферного каскада, и тем самым исключает влияние буферного каскада на транзистор мультивибратора. Его значение должно не менее, чем в 10 раз превышать значение коллекторного резистора. Подключение двух транзисторов по схеме «составного транзистора» значительно усиливает выходной ток. При этом, правильным является подключение базово-эмиттерной цепи буферного каскада параллельно коллекторному резистору ждущего мультивибратора, а не параллельно коллекторно-эмиттерному переходу транзистора ждущего мультивибратора.
Подобно симметричному мультивибратору, если вы хотите подключить к ждущему мультивибратору обычные светодиоды, то для этого буферные каскады не требуются. Их можно подключить последовательно с коллекторными резисторами. Связано это с тем, что ток светодиода мал, и падение напряжения на нём во время работы не более одного вольта. Поэтому они не оказывают никакого влияния на работу ждущего мультивибратора. Правда это не относится к сверхярким светодиодам, у которых и рабочий ток выше, и падение напряжения может быть от 3,5 до 10 вольт. Но в этом случае есть выход – увеличить напряжение питания и использовать транзисторы с большой мощностью, обеспечивающей достаточный ток коллектора. Для того, чтобы светодиод на определённое время загорался по команде, его необходимо включить в коллекторную цепь транзистора VT2. Для того, чтобы светодиод на определённое время выключался по команде, его подключают в коллекторную цепь транзистора VT1. При этом номиналы коллекторных резисторов подбираются для обеспечения номинального тока светодиодов. Схема подключения сразу двух светодиодов показана на рисунке.
Обратите внимание, что оксидный (электролитический) конденсатор подключается плюсом к коллектору транзистора VT1, а не минусом. Связано это с тем, что на базе биполярного транзистора напряжение не поднимается выше 0,7 вольта относительно эмиттера, а в нашем случае эмиттер – это минус питания. А вот на коллекторе транзистора напряжение изменяется почти от нуля, до напряжения источника питания. Оксидный конденсатор не способен выполнять свою функцию при его подключении обратной полярностью. Естественно, если вы будете применять транзисторы другой структуры (не N-P-N, a P-N-P структуры), то кроме изменения полярности источника питания, необходимо развернуть светодиоды катодами «вверх по схеме», а конденсатор – плюсом к базе транзистора VT2.
Разберёмся теперь, какие параметры элементов задают выходные токи и длительность выходного импульса ждущего мультивибратора?
На что влияют номиналы коллекторных резисторов? При правильном расчёте мультивибратора, отклонение значений коллекторных резисторов более чем в пять раз от расчётного, не изменит длительности выходного импульса мультивибратора. Главное, чтобы их сопротивление было меньше базовых резисторов, потому, что коллекторный резистор R1 обеспечивает быстрый заряд конденсатора. Номиналы коллекторных резисторов являются главными для расчёта потребляемой мощности от источника питания, значение которой не должно превышать мощность транзисторов. Если разобраться, то при правильном подключении они даже на выходную мощность ждущего мультивибратора практического влияния не оказывают.
А вот длительность выходного импульса определяется «медленным» перезарядом конденсатора С1. Время перезаряда, а следовательно и длительность импульса определяется номиналами RC цепочки – базового резистора R2 и конденсатора C1.
Длительность перезаряда конденсатора определяется простой формулой, где Тау – длительность импульса в секундах, R – сопротивление резистора в Омах, С – ёмкость конденсатора в Фарадах:
Расчёт ждущего мультивибратора в интернете найти практически невозможно. Поэтому произведём расчёт элементов ждущего мультивибратора на примере.
Как и расчёт любого транзисторного каскада, расчёт необходимо вести с конца — выхода. А на выходе у нас стоит нагрузка, затем буферный каскад, потом стоят коллекторные резисторы. Коллекторные резисторы R1 и R4 выполняют функцию нагрузки транзисторов. На длительность выходного импульса коллекторные резисторы никакого влияния не оказывают. Они рассчитываются исходя из параметров выбранных транзисторов. Таким образом, сначала рассчитываем буферный каскад, потом коллекторные резисторы, потом базовые резисторы, а затем и времязадающий конденсатор.
Порядок и пример расчёта транзисторного ждущего мультивибратора
В век современных технологий уже многие фотолюбители забыли, что такое печать фотографий. На смену плёночным фотоаппаратам, фотоувеличителям и проявителям пришла цифровая техника с печатью фотографий на принтерах. Но, тем не менее, в нашей стране имеются ещё динозавры, которые вынуждены пользоваться старыми способами получения бумажных снимков. К ним можно отнести врачей, у которых вечно неисправны рентгеновские аппараты «нового поколения», поэтому приходится работать по старинке. И как ни странно, к динозаврам можно отнести и военных, которым специальные органы запрещают пользоваться цифровой техникой в интересах службы. Вдруг интервент «считает» информацию с цифрового фотоаппарата и узнает, что портянка намного гигиеничней, чем носок! Тогда он победит Российскую армию, которая ходит в дырявых штопаных носках, а на шее носит фурункулы, потому что подшиваться не надо как раньше. Форма то – одна. Солдат её что, через сутки по ночам стирать будет? Так она через два месяца развалится! Вот и будет встречать Российский воин врага в обносках, зато обвешанный эмблемами «аля Шанель МЧС». Но это отступление от темы.
В детстве я был фотолюбителем и у меня был таймер, который при нажатии кнопки включал лампу фотоувеличителя на необходимое, заранее установленное время экспозиции. Это устройство, в настоящее время не актуально, но мне в голову не пришла другая мысль, какое устройство использовать для примера раcчета ждущего мультивибратора. Поэтому проведём расчёт ждущего мультивибратора на примере этого таймера для фотопечати.
Исходные данные:
Питающее напряжение Uи.п. = 220 В.
Необходимое время работы лампы фотоувеличителя Т = от 3-х до 120 секунд, которое, в зависимости от выбранной экспозиции (необходимого времени работы лампы) должно регулироваться рукояткой переменного резистора, а лучше двух резисторов («единицы секунд» и «десятки секунд»).
В качестве нагрузки используется лампа накаливания на 220 вольт, мощностью до 200 ватт.
Естественно, наш таймер будет работать на пониженном напряжении.
Сначала изобразим схему. Начинающий радиолюбитель этого не сделает сразу, для этого необходим некоторый опыт, который обычно наживается как методом проб и ошибок, так и при помощи более опытных товарищей. Не подумайте что я, где то «передрал» эту схему, или сделал ранее. У меня нет даже черновика. Я пишу эту статью, одновременно рассчитывая схему. Для меня эта схема слишком простая, поэтому её сборка может занять не более одного дня (от разработки печатной платы, до проверки работоспособности). Чтобы не рисовать схему дважды, я изображу её с номиналами элементов, которые рассчитаны ниже по тексту.

Начнём с того, что питание у нас – бытовая сеть 220 вольт, а гальваническая развязка (разделительный трансформатор) от сети 220 вольт отсутствует, поэтому при работе устройства не касайтесь его элементов руками – шандарахнет током.
1. Выбор коммутатора.
Выходным устройством – 220-ти вольтовой лампой накаливания будет управлять низковольтный ждущий мультивибратор. Поэтому необходимо выбрать устройство коммутации. Эффективнее всего использовать мощный полевой транзистор типа IRF. Для лампочки, мощностью до 200 ватт и напряжения питания 220 вольт необходимо обеспечить ток Iн = 1A. С подбором полевого транзистора особо заморачиваться нет смысла, с приходом в нашу жизнь «бытовой техники на импульсных источниках и преобразователях питания», в радиомагазинах, как правило, обширный ассортимент. Можно взять практически любой N-канальный полевой транзистор, лучше – IRF с максимальным напряжением сток-исток не менее 400 вольт и током не менее, чем в пять раз превышающим ток нагрузки. Соотношение «в 5 раз» берётся с запасом, обеспечивающим режим коммутации лампы накаливания в момент её включения, когда через холодную нить накала течёт очень большой ток. Я предлагаю использовать IRFP460, который значительно перекрывает требования. С ним «и в жару и холода будет сухо и комфортно».
Входное сопротивление полевого транзистора настолько велико, что он может напрямую подключаться на коллектор VT2, без «просадки» (значительного снижения) напряжения на цепях ждущего мультивибратора. Добавочный резистор нужен не для защиты мультивибратора от нагрузки, а для ограничения тока, а следовательно и напряжения на затворе транзистора. Поэтому, мы можем рассчитывать ждущий мультивибратор, не учитывая цепь нагрузки.
Для того, чтобы полевой транзистор открылся, необходимо приложить к его затвору напряжение до 10 вольт, поэтому наш ждущий мультивибратор должен работать на напряжении несколько больше этого значения – не менее 11 вольт. Для надёжной работы ждущего мультивибратора необходим простейший стабилизированный источник питания. Мы соберём его по схеме: мостовой диодный выпрямитель – ограничительный резистор – стабилитрон, параллельно которому подключим сглаживающий конденсатор. Но рассчитывать источник питания мы будем после того, как рассчитаем мультивибратор, потому что именно он будет потребителем тока от этого источника. Единственное, что необходимо сделать заранее – определиться с выбором питающего напряжения. У меня есть стабилитрон – Д814Д, на напряжение стабилизации 13 вольт. Его и буду использовать.
2. Выбираем транзисторы для ждущего мультивибратора.
Для того, чтобы в качестве ограничительного резистора источника питания не ставить мощный резистор (будут лишние габариты), необходимо минимальное потребление тока от источника питания. Кроме того, значительное увеличение номиналов резисторов, стоящих в RC цепочке, поможет нам не только уменьшить энергопотребление, но и значительно уменьшить перезарядную ёмкость С2. Поэтому необходимо выбрать транзисторы с большим коэффициентом передачи h21 (большим коэффициентом усиления). Как коэффициент усиления влияет на номиналы базовых резисторов, я изложу по ходу расчётов.
Я предлагаю использовать транзисторы КТ3102Г (или Е). Для них: Pmax=250 мВт; Imax=100 мА; h21>400.
Сначала определим максимальную рассеиваемую мощность транзисторов, которая должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике. Но для чего нам загонять ждущий мультивибратор в жёсткие рамки больших токов? Да и от повышенной мощности потребление энергии от источника питания будет большим, а пользы мало. Поэтому определив максимальную мощность рассеивания транзисторов, уменьшим её в 5 раз. Дальнейшее снижение рассеиваемой мощности нежелательно потому, что работа в режиме слабых токов для биполярных транзисторов в импульсном режиме – явление «не устойчивое». Если перезарядный конденсатор окажется с большим током утечки, то при слабых токах ждущий мультивибратор вообще работать не будет.
Определяем максимальную рассеиваемую мощность: Pрас.max = 0,8 * Pmax = 0,8 * 250мВт = 200мВт
Определяем номинальную (необходимую) рассеиваевую мощность: Pрас.ном. = 200 / 5 = 40мВт
3. Определим ток коллектора в открытом состоянии: Iк0 = Pрас.ном. / Uи.п. = 40мВт / 13В = 3мА. Примем его за максимальный рабочий ток коллектора.
4. Найдём значение сопротивления и мощности коллекторной нагрузки:
Rк.общ=Uи.п./Iк0 = 13В/3мА= 4,3 кОм
Выбираем в существующем номинальном ряде резисторы максимально близкие к 4,3 кОм. В номинальном ряде резисторов имеется номинал 4,3 кОм, поэтому предварительно считаем значение коллекторных резисторов R1 и R6 ждущего мультивибратора: Rк = R1 = R6 = 4,3 кОм.
Мощность коллекторных резисторов R1 и R6 равна номинальной рассеиваемой мощности транзисторов Pрас.ном. = 40 мВт. Используем резисторы мощностью превышающей указанную Pрас.ном. — типа МЛТ-0,125.
5. Перейдём к расчёту базовых резисторов R2+R3+R4 и R5.
Их номинал находят исходя из коэффициента усиления транзисторов h21. При этом, для надёжной работы ждущего мультивибратора значение сопротивления R2+R3+R4 должно быть в пределах: от значения, равному сопротивлению коллекторных резисторов, и не более произведения Rк * h21.
В нашем случае Rmin = 4,3 кОм, а Rmax = 4,3 * 50 = 215 кОм
Осталось распределить эти значения между тремя резисторами. Сделать это просто. Когда ползунки двух переменных резисторов находятся в нижнем положении, то выполняет свои функции только резистор R4, а Rmin = 4,3 кОм. По ближайшему номинальному ряду получится, что R4 = 4,3 кОм. Остаток 215 – 4,3 = 210 кОм необходимо разделить между двумя резисторами, чтобы у них была десятикратная разница (R2 – для регулировки десятков секунд, а R3 – для регулировки единиц секунд). По номинальному ряду возьмём R2 = 200 кОм, и R3 = 20 кОм соответственно.
Для резистора R5 выбираем среднее значение между 4,3 … 215 кОм : R5 = 100 кОм.
6. Вычислим ёмкость конденсатора С2 и при необходимости пересчитаем значения R2 и R3.
Значения ёмкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R4 определяют минимальную длительность выходного импульса на коллекторе VT2. Именно во время действия этого импульса наша лампа должна загораться. А в условии было задана длительность 3 секунды.
Преобразовав формулу длительности перезаряда, мы определим ёмкость конденсатора: С1 = 3сек / 4,3кОм = 690 мкФ
Конденсатор, ёмкостью 690 мкФ отсутствует в номинальном ряду, поэтому подбираем ближайший – С2 = 680 мкФ.
Номиналы ёмкости конденсатора С2 и сопротивления резистора R4 определяют минимальную длительность выходного импульса, а ёмкость конденсатора С2 и суммарное сопротивление R2+R3+R4 определяет максимальную длительность. Необходимо её вычислить и сравнить с заданной максимальной длительностью, которая по условию равна 120 секундам.
(R2+R3+R4) * С2 = 224кОм * 680мкФ = 152 секунды, что больше 120 секунд. Это нас устраивает, так как перекрывает заданный диапазон. А если бы перекрытия не было, то пришлось бы ставить ещё один конденсатор для подключения его параллельно С2, как «поддиапазон».
Итак, мы получили номиналы элементов ждущего мультивибратора:
R1 = 4,3 кОм, R2 = 200 кОм, R3 = 20 кОм, R4 = 4,3 кОм, R5 = 100 кОм, R6 = 4,3 кОм, С2 = 680 мкФ.
7. В качестве запускающего диода VD2 используем диод Шоттки – 1N5813.
8. Найдём номинал резистора R7 ключевого каскада.
Собственно расчёта тут как такового и нет. Его номинал выбирается в пределах от 100 Ом до 1 кОм. Он влияет на быстродействие полевого транзистора (с учётом внутренних ёмкостей) в режиме постоянной генерации. А нам быстродействие не нужно, поэтому возьмём по максимуму R7 = 1 кОм.
9. Расчёт стабилизированного источника питания.
Начнём с того, что мы ранее выбрали стабилитрон на напряжение стабилизации равное 13 вольт. Выбираем номинал сглаживающего конденсатора С1 не меньше перезарядного С2. Берём С1 = 1000 мкФ
Вычислим номинал ограничительного резистора R8.
Для этого необходимо определить ток, идущий через него. Поскольку у нас хоть и ждущий, но всё-таки мультивибратор, то одновременно через коллекторные резисторы R1 и R6 полные коллекторные токи не протекают (открыт или один, или другой транзистор, а не оба вместе). Базовыми токами можно пренебречь, поскольку они меньше коллекторных токов в 20 раз. Поэтому суммарное потребление всеми цепями мультивибратора не превышает 3,5мА (накинули запас — 0,5мА).
К току, потребляемому ждущим мультивибратором прибавляется номинальный ток стабилизации собственно стабилитрона, который по справочнику равен: Iст. = 5мА.
Следовательно, общий ток идущий через резистор R8 будет равен: Iобщ = 3,5 + 5 = 8,5 мА
Падение напряжения на резисторе это разница между входным напряжением (220в) и напряжением питания мультивибратора (13в), которое равно UR8 = 220 – 13 = 207 в
Сопротивление резистора определяется по закону Ома: R8 = U / I = 207в / 8,5мА = 24 кОм
Минимальную мощность резистора определяем по закону Ватта: Р = U * I = 207в * 8,5мА = 1,75 Ватт. В качестве R8 берём резистор номиналом 24 кОм типа МЛТ-2.
Осталось определиться с диодным мостом. По причине большой нагрузки (лампы 200 Ватт), диоды должны обеспечивать ток более 2 Ампер, при напряжении сети. Выбираем их с запасом, необходимым в момент включения холодной нити накаливания лампы. Подходят любые диоды на напряжение более 400 вольт и на прямой ток 4 Ампер. Можно использовать импортные FR407.
Если вы по расчёту стабилизированного источника питания ничего не поняли, читайте статью «Простые стабилизаторы напряжения, их расчёт».
Ну вот, собственно и всё! Я подустал писать эту статью и рисовать схемы!? Проще нарисовать и рассчитать на клочке бумаги, чем описывать целой статьёй. Беру кратковременный «бестворческий» отпуск!

Ждущий одновибратор на транзисторах

Одновибратор служит для формирования импульсов заданной длительности из импульсов любой ширины. Cхема одновибратора представлена на рис.162. Схему одновибратора можно представить в виде двух частей: одна часть — это половинка триггера, другая часть — это половинка мультивибратора.

При подаче питания одновибратор всегда устанавливается в определенное исходное состояние: транзистор VT2 — открыт, VT1 — закрыт. Открывается именно VT2, т.к. его базовый ток значительно больше, чем у VT1. Базовый ток VT1 определяется цепью с сопротивлением (Rб1+RК1), а базовый ток VT2 — цепью с Rб2 и параллельной ей цепью с RК1,С1. Т.к. сопротивление RК всегда меньше сопротивления Rб, то базовый ток VT2 больше. Протекающий через RК1,С1 ток заряжает конденсатор С1. Полярность напряжения на конденсаторе С1 — плюс слева.

При подаче на базу VT1 положительного импульса тока этот транзистор открывается. Напряжение на конденсаторе С1 прикладывается к переходу Б-Э транзистора VT2 в обратном направлении и VT2 закрывается. За счет действия положительной обратной связи с коллектора транзистора VT2 на базу VT1 через сопротивление Rб1 транзистор VT1 будет поддерживаться в открытом состоянии током, протекающим по цепи: +Uп, RК1, Rб1, Б-Э транзистора VT1. При этом входной импульс уже может быть снят. Конденсатор С1 начинает перезаряжаться по цепи: +Uп, Rб2, С1, К-Э открытого транзистора VT1. Когда напряжение на конденсаторе С1 в процессе перезаряда сменит знак и достигнет величины «0,6В, достаточной для открытия транзистора VT2, то этот транзистор откроется, цепь обратной связи транзистора VT1 оборвется. Если к этому моменту входной импульс уже закончился, то транзистор VT1 закроется. Если же он не закончился, то VT1 остается открытым до его окончания. При этом напряжение на конденсаторе С1 сохраняется на уровне 0,6В. Когда VT1 закроется, конденсатор С1 начинает заряжаться по цепи: +Uп, RК1, С1, Б-Э транзистора VT2. Таким образом напряжение на конденсаторе С1 становится равным исходному. В этом исходном состоянии ждущий одновибратор находится до прихода следующего входного импульса.

Дата добавления: 2015-08-08; просмотров: 4706;