Мультивібратор

Мультивібратор – це генератор релаксаційного типу з прямокутною формою вихідних імпульсів, який широко застосовується як задавальний генератор в системах керування. Схема мультивібратора, зібраного на основі ОП, а також часові діаграми, що пояснюють його роботу, наведені на рис. 6.9.

Особливістю операційного підсилювача є те, що протягом певного часу з моменту подачі на нього напруги живлення, він встановлюється в один із насичених станів – з додатною чи від'ємною вихідною напругою. Поява на виході ОП напруги певної полярності спричиняє протікання в колі від'ємного (елементи ) та додатного (елементи ) зворотного зв'язку струмів, напрям яких визначається полярністю вихідної напруги.

а) б)

Рис. 6.9. Схема та часові діаграми роботи симетричного мультивібратора

Нехай у початковому стані ОП перебував у стані позитивного насичення і його вихідна напруга . При цьому напруга на неінвертуючому вході буде дорівнювати напрузі на резисторі :

.

При зазначеній полярності вихідної напруги конденсатор С буде заряджатися від вихідної напруги через резистор з полярністю, що зазначена без дужок. Коло заряду . Стала кола заряду визначається як . По мірі заряду конденсатора напруга на ньому зростає. У момент (рис. 6.9.б) ця напруга стає рівною напрузі на резисторі , і ОП за принципом компаратора перемикається зі стану позитивного насичення в стан негативного насичення . Процес перемикання в схемі мультивібратора буде більше швидким, ніж у звичайному компараторі, завдяки дії кола позитивного зворотного зв'язку. Це коло працює наступним чином. У момент , коли напруги на входах ОП зрівнялися, він починає перемикатися, і вихідна напруга стає більш негативною. Цей негативний перепад через резистор передається на неінвертуючий вхід ОП. В результаті, його вихідна напруга стає ще більш негативною. Процес перемикання відбувається лавиноподібно, доки ОП не буде в стані негативного насичення з вихідною напругою .

При зміні полярності вихідної напруги, полярність напруги в колі додатного зворотного зв'язку також змінюється:

.

Після зміни полярності вихідної напруги, змінюються напрями струмів, і конденсатор С починає перезаряджатися по колу . У момент часу (рис. 6.9.б) напруга на конденсаторі змінює полярність (на рис. 6.9.а зазначена в дужках). У момент напруга на конденсаторі знову стає рівною напрузі на резисторі , і ОП перемикається зі стану негативного в стан позитивного насичення. Далі процеси повторюються.

В даній схемі постійна часу кола перезаряду конденсатора . Якщо сталі часу заряду та розряду будуть однаковими, а отже і тривалість позитивної та негативної півхвиль вихідної напруги будуть однаковими. Такий мультивібратор називається симетричним.

Період вихідних імпульсів симетричного мультивібратора, в якому :

Якщо необхідно одержати вихідну напругу з неоднаковою тривалістю позитивної та негативної півхвилі, використають схему несиметричного мультивібратора, у якому заряд і перезаряд конденсатора відбуваються через резистори . Кола заряду і перезаряду розділені за допомогою зустрічно увімкнених діодів .

Опір резистора визначає тривалість імпульсу (додатне значення вихідної напруги рис. 6.9.б)

,

а опір резистора – тривалість паузи (від’ємне значення вихідної напруги)

.

Розрахунок мультивібратора починають з вибору типу операційного підсилювача DA 1 (можна вибирати підсилювач середнього класу точності). Враховуючи, що вхідні напруги спiввимірнi, опори вхідних кіл ОП повинні бути в межах 10 кОм (для операційних підсилювачів iз біполярними вхідними транзисторами) або в межах 100 кОм (для операційних підсилювачів з польовими вхідними транзисторами). Типи вхідних транзисторів подано в паспортних даних ОП.

Задаючись значенням опору резистора ланки зворотного зв’язку у вказаних межах, визначається опір резистора . Коефіцієнт передачі кола додатного зворотного зв’язку за напругою визначається за виразом

.

У більшості випадків приймають , що зумовлено необхідністю отримання напруги керування однієї полярності, тому . Резистори часозадавальної ланки працюють почергово, тому опір кожного з них розраховують за виразом

.

Ємність конденсатора С визначають як

.

Враховуючи, що , а величина ємності буде

.

Мультивібратори застосовуються у різних пристроях як задавальні генератори, що виробляють імпульси керування необхідної частоти. Якщо вихідну напругу мультивібратора подати на вхід інтегратора, то на його виході одержимо напругу, яка змінюється лінійно. Таким чином, мультивібратор разом з інтегратором утворюють схему генератора лінійно-змінної напруги.

Контрольні питання

1. Дати визначення операційного підсилювача та пояснити принцип його роботи.

2. В чому особливості ідеального операційного підсилювача?

3. На інвертуючий вхід операційного підсилювача подається синусоїдальний сигнал. Намалювати форму сигналу на його виході. Як зміниться вихідний сигнал, якщо вхідний подати на неінвертуючий вхід?

4. Чому в практичних схемах можна не враховувати похилі ділянки передавальної характеристики операційного підсилювача?

5. Що ілюструє передавальна характеристика операційного підсилювача? Пояснити її вигляд.

6. Чому властивості схем на операційних підсилювачах визначаються лише елементами, які входять до кіл зворотніх зв'язків? Проілюструвати на прикладі інвертуючого підсилювача.

7. Пояснити принцип розрахунку коефіцієнтів підсилення за напругою для інвертуючого та неінвертуючого підсилювачів.

8. В чому особливість роботи інтегратора?

9. Від чого залежить вигляд вихідної напруги інтегратора?

10. Пояснити принцип роботи компаратора.

11. Від чого залежить прецизійність компаратора? Як вона впливає на роботу схем на його базі?

12. В яких випадках на вашу думку необхідно застосовувати високоточні (високо-прецизійні) компаратори, а в яких можна обійтися пристроями середнього класу точності?

13. Завдяки чому в мультивібраторі формується вихідна напруга прямокутної форми?

14. З якою метою в несиметричному мультивібраторі ставлять зустрічно увімкнені діоди?

15. Які параметри мультивібратора впливають на вигляд його вихідної напруги?

16. Чому, на вашу думку, для живлення операційного підсилювача потрібно двополярне джерело? Показати на експериментальній схемі коло живлення.

17. Під впливом якої напруги в мультивібраторі починається процес заряду/перезаряду конденсатора?

18. Звідки береться напруга на неінвертуючому вході операційного підсилювача в схемі мультивібратора?

19. Чи буде працювати схема на рис. 6.1 без резистора R ₈? Обґрунтувати відповідь.

20. Пояснити експериментальні залежності частоти та коефіцієнту імпульсів мультивібратора від параметрів його елементів.

21. Чому буде дорівнює вихідна напруга інтегратора, якщо його вхідна напруга ? Зобразити вхідну та вихідну напруги.

22. Як можна збільшити частоту імпульсів мультивібратора?

23. При якій умові в несиметричному мультивібраторі тривалість позитивної півхвилі буде більше, ніж негативної? Що потрібно зробити в схемі аби цього досягти?