Multiwibrator

Multiwibrator - Układ elektroniczny, zrealizowany w oparciu o przekaźniki elektromechaniczne, lampy (w tym neonówki), tranzystory, diody tunelowe bądź inne elementy przełączające, posiadający dwa lub więcej stany równowagi trwałej bądź nietrwałej.

Multiwibrator dwubiegunowy bistabilny

Jest to multiwibrator o dwu stanach stabilnych, tj. posiada dwa punkty pracy, w których równowaga układu jest trwała. Przejście z jednego stanu trwałego do drugiego następuje poprzez wprowadzenie impulsu z zewnątrz (w podanym przykładzie poprzez podanie krótkiego impulsu ujemnego na bazę tego tranzystora, który ma zostać wyłączony).

Działanie

Załóżmy, że w danej chwili tranzystor Q1 przewodzi; wówczas na jego kolektorze napięcie jest bliskie 0, więc poprzez rezystor R3 napięcie na bazie Q2 jest bliskie zero, tranzystor Q2 jest zatkany, napięcie na jego kolektorze jest bliskie napięciu +V, tak więc napięcie na bazie Q1 jest dodatnie i tranzystor przewodzi - stan jest stabilny.

Jeżeli teraz do bazy Q1 (wejście "Reset" na rysunku) doprowadzony zostanie impuls ujemny o amplitudzie i czasie trwania wystarczającym do zatkania tego tranzystora, wówczas napięcie na kolektorze Q1 staje się bliskie napięciu zasilania, co załącza tranzystor Q2, napięcie na jego kolektorze spada do wartości bliskiej zero, co podtrzymuje stan zatkania tranzystora Q1, nawet po zakończeniu impulsu zewnętrznego.

Z punktu widzenia techniki cyfrowej, jeżeli jako wyjścia traktować kolektory tranzystorów, przedstawiony wyżej układ zachowuje się jako przerzutnik RS wyzwalany poziomem.

Stan, w którym oba wejścia multiwibratora bistabilnego są wysterowane nazywany jest stanem zabronionym, jednak nie ze względu na to, że powoduje on uszkodzenie układu, ale ze względu na fakt, iż stan ten zaprzecza równaniu logicznemu wyjść przerzutnika RS (Q₁=~Q₂), ponieważ wówczas po prostu na kolektorach obydwu tranzystorów pojawi się napięcie dodatnie.

Jeżeli wejścia Set i Reset podłączone zostaną przez kondensatory o niewielkiej pojemności, układ będzie pracował jako przerzutnik typu RS wyzwalany zboczem.

Powyższy układ można poprzez dodanie dwu kondensatorów, dwu diod oraz dwu rezystorów przekształcić w przerzutnik typu T:

Plik:Multiwibrator Bistab D.png

Obwód ten był bardzo popularny przed pojawieniem się układów scalonych jako dzielnik częstotliwości, spotykany bywa np. w niektórych typach organów elektronowych.

Multiwibrator dwubiegunowy monostabilny

Inaczej uniwibrator, Jest to multiwibrator o jednym stanie równowagi trwałej i jednym nietrwałej.

Działanie

W stanie równowagi trwałej tranzystor Q2 przewodzi a Q1 jest zatkany.

Jeżeli do bazy Q2 zostanie doprowadzony impuls ujemny, na kolektorze Q2 pojawi się napięcie bliskie +V, które przez rezystor R4 wprowadzi tranzystor Q1 w stan przewodzenia. Napięcie na kolektorze Q1 spadnie do wartości bliskiej zero, a więc jednocześnie spadnie napięcie na bazie Q1 (wynika to z własności kondensatora - napięcie na jego okładkach nie może zmienić się w sposób gwałtowny). Kondensator C1 zaczyna ładować się poprzez rezystor R2; w momencie, gdy napięcie na bazie Q2 jest wystarczające do załączenia tego tranzystora, napięcie na kolektorze Q2 spada do wartości bliskiej 0, tranzystor Q1 zostaje odcięty, kondensator C rozładowuje się poprzez R4, stan przewodzenia Q2 jest utrzymywany przez rezystor R2 - układ powrócił do stanu stabilnego..

Czas trwania stanu przewodzenia Q1, nazywany też czasem regeneracji, jest proporcjonalny do stałej czasowej R2C1.

Ze względu na zachowanie w układzie multiwibratory monostabilne można podzielić na:

• wyzwalane poziomem, lub tzw. "uniwibratory z podtrzymaniem", w których stan równowagi nietrwałej jest podtrzymywany do zakończenia impulsu wejściowego, po czym układ po upływie czasu regeneracji wraca do stanu stabilnego;

• wyzwalane zboczem, w których impulsy wejściowe są ignorowane do czasu zakończenia stanu nietrwałego;

• resetowalne (z zerowaniem), w których okres regeneracji można przerwać: dla podanego układu stało by się tak poprzez podanie impulsu ujemnego na bazę tranzystora Q1.

Na wykresie: T (trigger) - wejście wyzwalające, R (reset) - wejście zerujące.

Zastosowanie

Klasycznym przykładem wykorzystania uniwibratora jest oświetlenie na klatce schodowej: krótkie naciśnięcie przycisku powoduje załączenie opraw na czas znacznie dłuższy. Układ stosuje się również w celu wyeliminowania szumu zestyków przełącznika.

Multiwibrator dwubiegunowy astabilny

Jest to układ przechodzący cyklicznie z jednego do drugiego stanu równowagi nietrwałej, jest zatem odmianą generatora relaksacyjnego.

Działanie

Załóżmy, że w danej chwili tranzystor Q1 właśnie się załączył; napięcie na jego kolektorze spada do zera, co za tym idzie napięcie na bazie Q2 spada do zera i Q2 wyłącza się, napięcie na jego kolektorze wzrasta do +V w miarę jak kondensator C2 ładuje się poprzez rezystor R4, w tym czasie kondensator C1 ładuje się poprzez rezystor R2 do wartości, która pozwala na załączenie Q2. Gdy to nastąpi, napięcie na kolektorze Q2 spada do zera, co za tym idzie napięcie na bazie Q1 spada do zera i tranzystor ten zatyka się. Kondensator C1 rozładowuje się poprzez rezystor R1, a kondensator C2 ładuje się poprzez rezystor R3 do wartości, która pozwala na załączenie Q1 -- cykl powtarza się.

Okres drgań obwodu jest proporcjonalny do sumy stałych czasowych C1R2 i C2R3; przy czym czasy regeneracji obu połówek generatora nie muszą być równe. W praktyce maksymalna asymetria, lub współczynnik wypełnienia, wynosi 1:50.

Szczegółowa analiza stanu po załączeniu obwodu jak na powyższym rysunku, wykonana za pomocą programu do symulacji obwodów elektronicznych (np. NAP, PSPICE) pokazuje, że w idealnie symetrycznym obwodzie niemożliwe jest wzbudzenie drgań: kondensatory C1 i C2 ładują się poprzez identyczne rezystory R2 i R3, w pewnym momencie oba tranzystory Q1 i Q2 otwierają się jednocześnie i układ osiąga stan równowagi. W praktyce problem ten nie występuje ze względu na niezerową tolerancję wartości elementów.

W układach, w których rezystory R2 i R3 są zmienne, możliwe są następujące rodzaje regulacji:

• zmiana częstotliwości przy stałym czasie trwania jednej (dodatniej lub ujemnej) części impulsu (zmiana wartości jednego z rezystorów);
• zmiana częstotliwości przy stałym wypełnieniu (zmiana wartości obu rezystorów jednocześnie przy stałym ich stosunku);
• zmiana wypełnienia przy stałej częstotliwości (jeżeli C2 i C1 są równe, zmiana wartości obu rezystorów jednocześnie przy zachowaniu stałej ich sumy).

Zastosowanie

Układ służy głównie do generacji przebiegów prostokątnych dla zastosowań, w których stabilność częstotliwości nie jest kryrtyczna, np.sygnalizatory akustyczne, sygnalizatory świetlne, obwody sprzężenia zwrotnego zasilaczy impulsowych itp.

Multiwibratory o liczbie biegunów (faz) większej niż 2

Konstruowanie multiwibratorów nie jest ograniczone do obwodów dwubiegunowych (dwufazowych). Istnieje wiele konstrukcji układów posiadających trzy, cztery lub więcej stanów pracy. Poniżej podano kilka przykładowych realizacji:

• Multiwibrator trójstabilny w konfiguracji dzielnika częstotliwości (licznik pierścieniowy):

Źródło: książeczka do zestawu "Młody Elektronik" nr.4, produkcji Unitra-Telpod; zachowano oryginalną numerację elementów. Zawsze 2 tranzystory przewodzą a 1 jest zatkany.

• Trój- i Pięciobiegunowy multiwibrator astabilny:

Źródło: czasopismo Kalejdoskop Techniki (w oryginale zamiast diod LED i rezystorów o obwodach kolektorowych znajdowały się żarówki 6V/0.125A).

Analogicznie do powyższego buduje się multiwibrator o pięciu lub siedmiu fazach (zawsze nieparzysta liczba).

• Multiwibrator o czterech stanach stabilnych, typu "przyciski radiowe":

Plik:Flip-flop Trigger with 4 stable states.png

Po naciścięciu przycisku A, B, C lub D, na odpowiadającym mu wyjściu zostanie ustawiony stan "H", na wszystkich pozostałych stan "L". Powyższy układ można rozszerzać praktycznie w nieskończoność, w celu uzyskania wymaganej liczby przełączanych stanów pracy.

Zobacz też

• przerzutnik
• oscylator relaksacyjny
• licznik pierścieniowy

Linki zewnętrzne

• Search for MULTIVIBRATOR on "All About Circuits" (ang.)

Literatura

• A. Sielicki: Technika Impulsowa, wyd. Politechniki Wrocławskiej, 1971; (skrypt nie posiada identyfikatora ISBN).
• P. Horovitz, W. Hill: Sztuka Elektroniki, Tom I, II, WKiŁ, Warszawa 2001; ISBN 83-206-1128-8.