«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 .
№