Практическая работа № 2 Расчёт автоколебательного мультивибратора

Цель работы: научиться рассчитывать автоколебательный мультивибратор с подбором стандартных элементов схемы из справочной литературы.

Краткие теоретические сведения

Мультивибратор представляет собой импульсный автогенератор и предназначен для генерации периодической импульсной последовательности. Форма выходных импульсов мультивибратора близка к прямоугольной, а скважность находится в пределах от 2 до 20. Для таких генераторов характерно чередование интервалов времени, когда напряжение на выводах транзисторов изменяется медленно или не изменяется вовсе, с моментами лавинообразного и быстрого его изменения – перепадами, которые на экране осциллографа наблюдаются как разрывы.

Рассмотрим работу мультивибратора в автоколебательном режиме.

Пусть в начальный момент времени транзистор VT1 открыт (рисунок 1), насыщен и напряжение U_KVT1 на его коллекторе мало. При этом конденсатор С₂ разряжен почти до нуля, а конденсатор С₄ заряжен почти до напряжения Е_к источника, причем его электрод, подключенный к базе транзистора VT1, заряжен положительно. Транзистор VT2 закрыт, напряжение на его коллекторе близко к напряжению источника Е_к. Напряжение на базе VT2 приближается к нулю.

Сразу же вслед за этим моментом напряжение на базе транзистора VT2 становится отрицательным, так как завершается заряд конденсатора С₂ через насыщенный транзистор VT1, источник питания Е_к и резистор R₂. Появляется ток базы транзистора VT2, он начинает открываться. Напряжение на его коллекторе уменьшается из-за падения напряжения на резисторе R₄, вследствие чего начинает закрываться транзистор VT1, так как напряжение на его базе также уменьшается. При этом напряжение на коллекторе транзистора VT1 увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на базе транзистора VT2 и увеличению его базового тока I_Б2, проходящего по цепи: +Е_к (корпус) → эмиттер-база транзистора VT2 → параллельно включенные резисторы R₁ и R₂. В результате транзистор VT2 переходит в насыщение и напряжение на его коллекторе уменьшается до U_КЭVT2min. К базе транзистора VT1 через насыщенный транзистор VT2 подключается заряженный почти до напряжения источника Е_к конденсатор С₄, а транзистор VT1 закрывается.

Процесс переключения мультивибратора в новое временно устойчивое состояние происходит лавинообразно.

Далее в схеме происходят следующие процессы:

- напряжение на коллекторе транзистора VT1 сначала увеличивается по экспоненте, так как ток заряда I_з – конденсатора С₂ создает падение напряжения на резисторе R₁, уменьшающееся по мере заряда, а затем по окончании заряда коллекторное напряжение транзистора VT1 становится близким к напряжению источника Е_к;

- напряжение U_КЭVT2min на коллекторе транзистора VT2 мало;

- напряжение на базе транзистора VT1 положительное и уменьшается по экспоненте в соответствии с разрядом конденсатора С₄ током Iр по цепи: +С₄ → R₃ → -Е_к → +Е_к (корпус), → насыщенный VT2 → С₄;

- напряжение на базе транзистора VT2 сначала увеличивается, а затем уменьшается по экспоненте до уровня, определяемого током, проходящим через резистор R₂. Выброс и экспоненциальный спад напряжения объясняют тем, что ток заряда конденсатора С₂ через переход эмиттер – база транзистора VT2 близок к току коллектора транзистора VT1 в режиме насыщения, а затем по мере заряда конденсатора С₂ этот ток уменьшается по экспоненте, при этом одновременно уменьшается напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT2;

- по окончании заряда конденсатора С2 ток базы транзистора VT2 определяется сопротивлением резистора R2; этот ток должен быть достаточным для удержания транзистора VT2 в насыщении.

Далее конденсатор С₄ разряжается до нуля и начинается процесс опрокидывания схемы в первое временно устойчивое состояние. При этом появляются токи базы и коллектора транзистора VT1, уменьшается напряжение на его коллекторе, он опрокидывается и переходит в насыщение, а конденсатор С₄ заряжается через эмиттерный переход транзистора VT1. Временно устойчивое состояние длиться, пока конденсатор С₂ не разрядиться до нуля. Длительности импульсов мультивибратора:

, (1)

а частота и период следования:

, (2)

Если номинальные значения времязадающих элементов схемы, попарно одинаковы, т.е. R2=R3=R и С2=С4=С, мультивибратор становится симметричным и генерирует импульсы со скважностью 2. Временные параметры выходного сигнала симметричного мультивибратора определяют по формулам:

, (3)

Длительность фронтов отрицательных перепадов на коллекторах транзисторов определяют по формулам:

, (4)

Исходные данные для расчёта

Амплитуда импульса U_m=В;

Длительность импульса t_и=мкс;

Длительность фронта t_ф=мкс.

Рассчитываемая электрическая схема

Ср1 Ср2

Рисунок 1

Порядок расчета

1 Определяем напряжения источника питания

Ек ( 1,1 … 1,2 ) * Um (1)

2 По величине Ек выбираем тип транзисторов VT1 и VT2 . Uкэ max выбранного транзистора должно приблизительно в два раза превышать Ек . Поскольку мультивибратор симметричный , то в качестве VT1 и VT2 выбираем один тип транзистора : ., имеющий следующие параметры:

U_{к э max}=В;

I_{к max}=мА;

U_{к э нас}<В;

h_21э=…;

U_{б э нас}<В.

3 Выбираем коллекторный ток транзисторов в режиме насыщения (из справочника (U_{к э нас} (U_{б э нас} ) – режим измерения Iк = мкА).

4 Определяем сопротивления резисторов R_k1 и R_k2, т. к. мультивибратор симметричный, то

R_k1 =R_k2 = (2)

Выбираем стандартные резисторы R_k1 =R_k2 =кОм

5 Рассчитываем сопротивления резисторов R₁ =R₂ времязадающих цепочек, исходя из условий насыщения транзисторов VT1 и VT2

I_б >I_{б гр} (3)

где Iб гр – граничный базовый ток;

I_{б гр} = (4)

Преобразуя неравенство (3) получим :

(5)

Решая неравенство (5) относительно R₁ получим

(6)

Т.к. мультивибратор симметричный, выбираем стандартные резисторы R₁ =R₂ =  кОм

6 Находим емкость конденсаторов времязадающих цепочек

(7)

Выбираем стандартные конденсаторы С₁ =С₂=мкФ

7 Определяем длительность фронта импульса:

tф= (3…5 ) R_к*С₁ (8)

Полученная длительность фронта импульса должна быть меньше заданной.

Содержание отчета:

Отчет по практической работе должен содержать:

1 Название и цель работы.

2 Исходные данные для расчета согласно своему варианту.

3 Расчетную схему.

4 Выполнение расчетов, сопровождаемое пояснениями к каждому действию.

5. Вывод по работе.

Контрольные вопросы:

1 Что представляет собой автогенератор и каковы составляющие его элементы?

2 Какие параметры определяют временные характеристики автогенератора?

3 Каковы роль положительной обратной связи в автогенераторе и условие ее существования?

4 Что представляет собой мультивибратор и каковы его характеристики?

Таблица выбора вариантов заданий

учащихся для практической работы №2

Вариант	Um, В	tи, мкс	Tф ,  мкс
1	8	80	50
2	8,5	90	40
3	9	85	60
4	9,5	100	45
5	10	95	50
6	10,5	100	55
7	11	120	60
8	11,5	80	50
9	12	95	45
10	12,5	110	50
11	13	120	60
12	13,5	85	40
13	14	100	65
14	14,5	110	50
15	15	130	70
16	8	140	75
17	8,5	135	70
18	9	145	65
19	9,5	150	75
20	10	155	80
21	10,5	120	65
22	11	135	60
23	11,5	145	70
24	12	150	75
Вариант	Um, В	tи, мкс	Tф ,  мкс
25	12,5	100	45
26	13	110	50
27	13,5	115	55
28	14	120	60
29	14,5	125	60
30	15	110	45
31	10	100	50
32	10,5	120	55