Лабораторная работа 1

«Исследование работы транзисторного мультивибратора»

Цель работы : Произвести расчет транзисторного мультивибратора на биполярных

транзисторах»

Цели занятия:
1.
Развивающая –
Развитие познавательных умений- формирование умения производить расчеты, 2 .
Дидактическая

-
Сообщить учащимся новые знания о генераторах прямоугольных импульсов. 3.
Воспитательная –
Формирование творчески подходить к решению задач.
Ход урока:

1.Орг.момент
2. Объяснение нового материала. - Назначение генераторов прямоугольных импульсов. - Классификация генераторов прямоугольных импульсов. - Принцип работы автоколебательного мультивибратора на транзисторах. - Основные технические параметры мультивибратора. - Методика расчета автоколебательного мультивибратора. - Пример расчета автоколебательного мультивибратора.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В импульсной технике широко применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к классу релаксационных генераторов. Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными, называют релаксационными. Релаксационные генераторы преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний. В релаксационном генераторе в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа, обычно в конденсаторе, а в другую часть периода выделяется в виде теплоты в резисторах схемы. Усилительный элемент работает в данном случае в ключевом режиме, переключая конденсатор с зарядки на разрядку и обратно. Релаксационные генераторы могут работать в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режиме синхронизации и деления частоты. Генератор в автоколебательном
режиме генерирует колебания непрерывно. В ждущем режиме генератор «ждет» поступления запускающего сигнала, с приходом которого выдает один импульс.
ТРАНЗИСТОРНЫЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ
Действие мультивибратора основано на следующих положениях. Прямоугольные импульсы формируются на коллекторе транзистора: плоская вершина- когда транзистор заперт и его коллектор имеет относительно высокий (по абсолютному значению) потенциал; пауза между импульсами- когда транзистор насыщен и потенциал на его коллекторе мал. Крутые фронты импульса обеспечиваются лавинообразным переходом транзистора из одного состояния в другое за счет положительной обратной связи в усилительных свойств транзисторов. Мультивибратор представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, построенный на транзисторах ключах – инверторах. Положительная обратная связь имеется в схеме за счет того, что выход одного ключа соединен с входом другого.
Физические процессы в мультивибраторе
Исходное состояние схемы транзистор Т 2 насыщен, конденсатор С 2 разряжается и напряжением на нем приближается к нулю . Напряжением U С2 транзистор Т 1 заперт, так как левая по схеме обкладка С 2 непосредственно соединена с базой Т 1 , а правая оказывается подсоединенной к к эмиттеру Т 1 через насыщенный транзистор Т 2 .Такому состоянию соответствуют временные диаграммы до момента времени t 1 , в соответствии с которыми U б 2 ≈ 0, U К 2 ≈ 0. Период следования формируемых импульсов можно разбить на ряд стадий.
Формирование

фронта

импульса.
Когда напряжение U С 2 на разряжающемся конденсаторе С 2 станет равным нулю, транзистор Т1 отпирается.
При одновременно отпертых транзисторах замыкается цепь положительной обратной связи- в схеме создается условия для лавинообразного процесса. Отпирание транзистора Т 1 приводит к уменьшению отрицательного потенциала на его коллекторе. Так как напряжение на конденсаторе С 1 не может изменяться мгновенно, то этот положительный скачок напряжения целиком прикладывается между базой и эмиттером Т 2 , что вызывает уменьшения тока в его цепи. Вследствие этого потенциал коллектора Т 2 становится более отрицательным- отрицательный скачок напряжения через конденсатор С 2 передается на базу транзистора Т 1 , что приводит к еще большему отпиранию. Так как последующий скачок напряжения на базе больше предыдущего, то описанный процесс нарастает лавинообразно и спустя небольшое время. Исчисляемое долями микросекунды, транзистор Т 2 оказывается запертым. С этого момента цепь положительной обратной связи обрывается и лавинообразный процесс прекращается. Запиранию транзистора Т 2 соответствует участок ab кривой U К2. Во время лавинообразного процесса напряжение на конденсаторе С 2 не успевает измениться. Только после запирания транзистора Т 2 этот конденсатор начинает заряжаться током i З по цепи : + Е К – « земля» - эмиттер- база насыщенного транзистора Т 1 - С 2 – R К2 – (- Е К ). За счет этого напряжение на коллекторе Т 2 U К 2 = - (Е К – i З *R К2 ) постепенно приближается к установившемуся значению ( участок bc кривой U К2. Когда конденсатор С 2 зарядится (i З = 0), напряжение на коллекторе примет значение U К 2 ≈ - Е К . На этом формирование фронт импульса заканчивается.
Формирование плоской вершины импульса.
До момента времени t 1 конденсатор С 1 , присоединенный к коллектору запертого прежде транзистора Т 1 был заряжен до напряжения U С1= ≈ Е К . После насыщения транзистора Т 1 напряжение на этом конденсаторе оказывается приложенным между базой и эмиттером Т 2 и удерживает его запертым. Поэтому напряжение U К 2 остается неизменным- на коллекторе Т 2 формируется плоская вершина импульса. При насыщенном транзисторе Т 1 конденсатор С 1 получает возможность разряжаться по цепи: + Е К – «земля» - Т 1 – С 1 - Rб 2 – ( - Е К ). Когда напряжение на нем окажется близким к нулю, транзистор Т 2 отпирается и в схеме вновь создаются условия для лавинообразного процессов. В момент t 2 формирование плоской вершины заканчивается.
Формирование среза импульса
. Начавшийся лавинообразный процесс протекает аналогично описанному с той лишь разницей, что теперь напряжение на коллекторе Т 1 по абсолютному значению увеличивается, а напряжение на коллекторе Т 2 уменьшается. В результате транзистор Т 1 запирается , а транзистор Т 2 насыщается- на коллекторе Т 2 формируется срез импульса ( участок de кривой U К2 ).

Пауза
. Через насыщенный транзистор Т 2 происходит разрядка конденсатора С 2 по цепи : +Е К – «земля» - Т 2 – С 2 - R б 1 - ( - Е К ). По напряжение U С 2 не приблизится к нулю транзистор Т 1 заперт, а транзистор Т 2 насыщен. После отпирания Т 1 начинается формирование очередного импульса на коллекторе Т 2 . Интервал t 2 - t 3. В интервале t 2 - t 3 наряду с разрядкой конденсатора С 2 происходит зарядка конденсатора С 1 по цепи: + Е К – «змля»- эмиттер- база Т 2 – С 1 – ( - Е К ). Аналогично ранее заряжался конденсатор С 2 , когда транзистор Т 1 был насыщен, а транзистор Т 2 заперт.
Основные параметры колебаний

1.

Амплитуда генерируемых импульсов:
Um = Uкн – Uк зап ≈ Е К;
2.

Постоянная времени разрядки конденсатора С

1

:
τ 2 ≈ С 1 Rб 2; (с)
3.

Постоянная времени разрядки конденсатора С

2

:
τ 1 ≈ С 2 Rб 1;
4.

Длительность генерируемых импульсов:
t И2 = С 1 Rб 2 ln 2≈ 0,7 С 1 Rб 2 = 0,7τ 2; (с) t И1 = С 2 Rб 1 ln 2≈ 0,7 С 2 Rб 1 = 0,7τ 1 (с)
5.

Период колебаний
: Т= t И1 + t И2 = 0,7 ( С 1 Rб 2 + С 2 Rб 1 ) = 0,7(τ 2 + τ 1 ) ( с)
Теория

для

расчета

транзисторного

а в т о кол е б а т ел ь н о г о

мультивибраторы
Выбор транзистора производится из ряда соображений. 1. При запирании транзистора на его базу передается положительный перепад напряжения Um = Ек. Потенциал коллектора при этом стремится к -Ек. Поэтому максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора должно быть
U

кб допю

> 2 E

k
(1.1) 2. Максимальная частота колебаний мультивибратора f max зависит от частоты транзистора  f У выбранного транзистора должно быть  f
> 0,7 f

max
(1.2)
3. Чтобы обеспечить заданную длительность положительного перепада – длительность среза t с частота транзистора f  , должна соответствовать условию
f

> 1/t

c
(1.3) 4. Напряжение источника питания берут равным
Е

к

= (1,1

1,2)U

m
(1.4) c тем чтобы изменение потенциала коллектора не было меньше заданной амплитуды импульса U m 5. Сопротивление резистора Rк, выбирают с таким расчетом, чтобы ток открытого транзистора не превышал максимально допустимого
I

кн

≈

Е

к

/ R

k

< I

кдоп
откуда
R

k

> R

k

/ I

кдоп
(1.5) С другой стороны, падение напряжения на резисторе R k от обратного тока коллектора не должно превышать (0,05  0,1)Е к , т. е.
I

ко max

* R

k

< (0,05

0,1)Е

к
Откуда
R

k

<

|

(0,05

0,1)Е

к

|

/ I

ко max
(1.6) где I ко max - обратный ток при максимальной рабочей температуре. При выполнении этого условия потенциал коллектора запертого транзистора мало отличается от E k . 6. Сопротивление резистора Rб следует выбирать с таким расчетом, чтобы обеспечить неглубокое насыщение транзистора (S ≈ 2) (
Е

к

/ R

k

)*

= (Е

к

/ R

б

) *S
, (1.7) откуда
Rб = (

*R

k

) / S
(1.8) Емкость конденсатора С выбирается в соответствии с заданной длительностью импульсов
С

1

= t

U2

/ 0,7 R

б2

,
(1.9)
С

2

= t

U2

/ 0,7 R

б1
(1.10) Конденсторы выбираются по ГОСту.

Пример расчета автоколебательного мультивибратора
Рассчитать транзисторный мультивибратор в автоколебательном режиме по следующим данным: амплитуда U м = 10 В, длительность среза t с  0,02, частота повторения импульсов 10 кГц, максимальная температура t =40 ° С, время восстановления схемы t в  0,2 t u 1. Пользуясь выражением, определяем напряжение источника питания Ек(1,1  1,2) U м В соответствии с данными возьмем Ек = 1,2 * 10 = 12 В 2. Выбираем транзистор, параметры которого должны удовлетворять условиям U кб мин  2Ек; f   0,7 f max и f   1/t c В соответствии с заданием транзистор должен иметь U кб мин  2*12 = 24 В; f   0,7*10 = 7 кГц t с  0,02 t u , t u =Т/2f ; f = 1/(2*10*10 3 ) = 50мкс t с  0,02*50*10 -6 = 1 мкс f   1/(1*10 -6 ) = 1МГц Выбираем по справочнику транзистор ГТ 115Б, для которого U кб мax =30 В, I к мax = 30мА, f   1МГц,  = 20  8 0 , I ко мax = 40мкА, (до температуры t =45 ° С). У выбранного транзистора  ср = 50, f  = f  / 1   = 20кГц. 3. Используя выражение определяем сопротивление R k ; R k = ко.max ) 1 , 0 05 , 0 ( I Ек  (Ом) 4. Выбираем по ГОСТу R К ; 5. Находим сопротивление R б . Определяем его по среднему значению  ср =50 и коэффициенту насыщения S = 2; R б =  ср * R k / S = (50*1*10 3 )/2 = 25 кОм Выбираем по ГОСТу R б =24 кОм При этом базовый ток отпертого транзистора I б =Ек/ R б = 12 /(24*10 3 ) = 500 мкА, что превышает I ко мax больше, чем на порядок, благодаря чему схема термостабильна.
6. Определяем емкость конденсатора С 1 и С 2 С 1 = С 2 = t u /0,7 R б , С = 50*10 -6 /(0,7*20*10 3 ) = 3000 пФ Выбираем по ГОСТу С 1 = С 2 = 3000 пФ 7. Определяем время восстановления схемы t в = 3СR к = 3*3000*10 -12 *1*10 3 = 9 мкс, что не превосходит допустимого t в  0,2*50*10 -6 = 10 мкс.
ОТЧЕТ должен содержать:
1. Принципиальную схему автоколебательного транзисторного мультивибратора (см. конспект); 2. Промежуточные формулы; 3. Расчет мультивибратора выбранного по справочнику транзистора, в соответствии с вариантом; 4. Вывод; 5. Ответить на контрольные вопросы:  Как изменяется параметры импульсов симметричного автоколебательного мультивибратора, если: a) Увеличить С 1 ; b) Увеличить R б1 ; c) Уменьшить С 2 ; d) Уменьшить R б2 ;  Чему равна скважность импульсов симметричного автоколебательного мультивибратора?  Что и как следует изменить в схеме для получения большой скважности? Задание на выполнение практической работы .
№

вариант

а

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10
Um,В 10 12 9 10 15 10 15 12 12 10 t С ,мкс 0,01 0,01 0,02 0,02 0,01 0,015 0,02 0,02 0,01 0,02 f, кГц 12 10 15 10 20 25 20 15 20 15 t В, мкс 0,2 0,1 0,2 0,2 0.2 0,3 0,1 0,2 0,1 0,1

№

вариант.

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20
Um,В 12 12 15 12 10 15 12 15 10 9 t С ,мкс 0,01 0,02 0,03 0,01 0,02 0,01 0,02 0,01 0,02 0,01 f, кГц 12 10 15 20 25 16 18 14 13 17 t В, мкс 0,2 0,1 0,4 0,3 0,5 0,2 0.2 0,1 0,3 0,2 № вариант 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Um,В 12 10 10 15 9 10 15 10 12 10 t С, мкс 0,03 0,04 0,02 0,05 0,01 0,02 0,04 0,01 0,02 0,015 f, кГц 20 21 22 23 24 25 10 9 12 15 t В, мкс 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 Для всех вариантов температура 25 0 С Литература : Ю.А.Браммер «Импульсная техника»