Generatory – multiwibratory
Multiwibratory są to układy wytwarzające okresowe lub nieokresowe przebiegi prostokątne, czyli przebiegi składające się z dużej liczby sygnałów harmonicznych. Układy generują więc sygnały jak gdyby o wielu częstotliwościach i stąd wywodzi się ich nazwa. Przebiegi prostokątne mogą być wytworzone w układach, w których elementy czynne pracują w trybie przełącznika (element włączony lub wyłączony) z bardzo krótkimi czasami przełączania. Można to uzyskać w układach z elementami o ujemnej rezystancji dynamicznej lub w układach tranzystorowych z silnym dodatnim (regeneracyjnym) sprzężeniem zwrotnym. Silne sprzężenie zwrotne powoduje, że tranzystory w takich układach nie pracują w zakresie liniowym, lecz są przełączane od stanu zatkania do stanu nasycenia (lub do stanu aktywnego). Wówczas przebieg sinusoidalny jest silnie zniekształcony (ograniczony) i przyjmuje kształt zbliżony do prostokąta. Na wyjściu są więc dwa stany, które mogą być stabilne lub nie: stan włączenia (niskie napięcie) lub stan wyłączenia (wysokie napięcie). Multiwibratory dzieli się na:
· astabilne (nie ma stanu stabilnego);
· monostabilne (jeden stan stabilny i chwilowy stan niestabilny);
· bistabilne (przemiennie przyjmowany jeden z dwu stanów stabilnych).
W multiwibratorach astabilnych zmienia się cyklicznie stan wyjściowy. Generują więc okresowy sygnał o kształcie prostokątnym. Okres cyklu zależy od stałych czasowych układu. Multiwibratory monostabilne mają jeden stan stabilny, w którym normalnie pozostają. Pobudzenie zewnętrzne (sygnał wyzwalający) powoduje zmianę stanu układu na chwilowy stan niestabilny. Po czasie zależnym od stałych czasowych układu powraca on do stanu stabilnego. Wytwarza więc pojedynczy impuls prostokątny o określonym czasie trwania, zapoczątkowany sygnałem zewnętrznym. Multiwibratory bistabilne mogą pozostawać w jednym z dwóch stanów stabilnych. Przejście z jednego stanu do drugiego jest powodowane zewnętrznym sygnałem przełączającym. Multiwibratory astabilne są najczęściej stosowane w układach cyfrowych jako generatory taktujące (zegarowe). Multiwibratory monostabilne są stosowane jako układy wytwarzania lub odtwarzania pojedynczych impulsów, a także jako układy opóźnień czasowych. Multiwibratory bistabilne są zwykle stosowane jako układy pamiętające w systemach cyfrowych. Na potrzeby bieżącego artykułu ograniczymy się jedynie do omówienia multiwibratorów astabilnych. Gdyby w przyszłości zaszła taka potrzeba artykuł uzupełnimy o opis pozostałych typów multiwibratorów. Multiwibratory astabilne są generatorami impulsów prostokątnych pracującymi samowzbudnie, tzn. bez zewnętrznego pobudzenia. Generatory takie są budowane z elementów dyskretnych lub z cyfrowych układów scalonych (bramek logicznych, uniwibratorów scalonych). Do generacji impulsów prostokątnych mogą być również wykorzystane wzmacniacze operacyjne. Przyjęte rozwiązanie konstrukcyjne zależy od przeznaczenia generatora i pożądanych parametrów generowanego przebiegu. W układzie multiwibratora astabilnego występuje pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego oraz elementy R i C określające parametry czasowe generowanych impulsów (czas trwania, okres). Układ tranzystorowego multiwibratora astabilnego przedstawiony na rysunku poniżej jest zbudowany z dwustopniowego wzmacniacza o sprzężeniu pojemnościowym, objętego pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego.
Załóżmy, że tranzystor T1, osiągnie stan nasycenia (wówczas napięcie na jego kolektorze UCE1 = UCEsat i jest w przybliżeniu równe 0,1V), a T2 stan zatkania (wówczas napięcie kolektora UCE2 jest w przybliżeniu równe UCC). W tym stanie kondensator C2 jest ładowany przez rezystor R2 i tranzystor T1, do napięcia UCC. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość ok. 0,7 V, czyli napięcie, przy którym tranzystor T2 zaczyna przewodzić, to napięcie kolektora tego tranzystora UCE2 zacznie się zmniejszać. Ta ujemna zmiana napięcia jest przez kondensator C1 podawana na bazę tranzystora T1, powodując jego zatkanie. Wzrasta więc napięcie kolektora tego tranzystora UCE1 (dodatnia zmiana napięcia), które z kolei poprzez kondensator C2 oddziałuje na bazę tranzystora T2, powodując jego silniejsze przewodzenie. Wskutek tego dodatniego sprzężenia zwrotnego tranzystor T2 wchodzi bardzo szybko w stan nasycenia i napięcie UCE2 osiąga wartość UCEsat w przybliżeniu równe 0,1 V. Ten skok napięcia na kolektorze tranzystora T2 (od UCC do UCEsat spowoduje szybkie zatkanie tranzystora T1. Napięcie na jego bazie osiągnie bowiem wartość ujemną - (UCC - 0,7 V), gdyż przed przełączeniem wynosiło ok. 0,7 V. Na kolektorze tranzystora T2 było bliskie UCC, czyli kondensator C1 był naładowany do napięcia UCC - 0,7 V. Włączenie tranzystora T2 w stan nasycenia powoduje więc przełączenie dodatnio naładowanej okładki kondensatora C1 z potencjału UCC do UCEsat bliskiego zeru. Na bazie tranzystora T1 wystąpi wówczas napięcie o wartości przeciwnej do naładowania kondensatora C1. Gdy tranzystor T1 jest zatkany, a T2 nasycony, to kondensator C1 jest przeładowywany od napięcia - (UCC - 0,7 V) do napięcia dodatniego UCC. Jednak, gdy napięcie na bazie tranzystora T1 osiągnie wartość około 0,7 V, tranzystor ten zaczyna przewodzić i napięcie na jego kolektorze maleje. Ta zmiana napięcia jest podawana przez kondensator C2 na bazę tranzystora T2, powodując jego zatykanie, czyli wzrost napięcia UCE2, które oddziałując poprzez kondensator C1 na bazę tranzystora T1 powoduje silniejsze jego przewodzenie. Wskutek więc wzajemnego oddziaływania tranzystorów T1 i T2 w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego, tranzystor T1 osiągnie bardzo szybko stan nasycenia, natomiast T2 zostanie zatkany i cykl przełączania tranzystorów powtarza się. Pracę układu multiwibratora astabilnego ilustrują przebiegi czasowe napięć na kolektorach i bazach tranzystorów T1 i T2 na rysunku powyżej. Okres cyklu, zależny od czasów t1 i t2 przeładowywania pojemności C1 i C2, wyznacza się ze wzoru:
Zmieniając stałe czasowe R1C1 i R2C2 można uzyskiwać przebiegi napięcia wyjściowego o różnej częstotliwości powtarzania (1/T) i różnych współczynnikach wypełnienia (t1/T). Aby jednak tranzystory T1 i T2 osiągały stan nasycenia, rezystancje R1 i R2 powinny spełniać warunki: R1 ≤ RC1 i R2 ≤ RC2, gdzie jest wzmocnieniem prądowym tranzystorów. Gdy R1 = R2 = R oraz C1 = C2 = C, wówczas częstotliwość powtarzania cyklu, przy współczynniku wypełnienia 1/2, wynosi:
Na rysunku poniżej przedstawiono układ multiwibratora zbudowanego z dwóch bramek NAND (lub inwerterów) objętych pętlą sprzężenia zwrotnego.
Jest zbudowany podobnie do układu tranzystorowego. Bramki pełnią funkcję układów odwracających fazę, a więc sprzężenie zwrotne jest dodatnie i układ pracuje samowzbudnie. Jego działanie, bardzo podobne do działania układu tranzystorowego, wyjaśniają przebiegi napięć na powyższym rysunku. Częstotliwość powtarzania multiwibratora można wyznaczyć z przybliżonej zależności:
Zaleca się, aby R1 = R2 i w przybliżeniu wynosiły 2k. Zmianę częstotliwości oraz współczynnika wypełnienia generowanego przebiegu można więc uzyskać przez zmianę pojemności C1 i C2. Na rysunku poniżej przedstawiono układ multiwibratora astabilnego zbudowanego przy wykorzystaniu wzmacniacza operacyjnego
Rezystory R2 i R3 tworzą obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego o współczynniku sprzężenia = R3/(R2+R3), ustalającym na wejściu nieodwracającym wzmacniacza napięcie U0. Elementy R1 i C tworzą dla sygnału wyjściowego obwód całkujący, włączony w pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego. Działanie układu polega na okresowej zmianie stanu nasycenia wzmacniacza (od +Usat do - Usat i odwrotnie) następującej w chwili, w której napięcie na przeładowywanym kondensatorze C przekroczy aktualną wartość napięcia na wejściu nieodwracającym (odpowiednio +Usat i -Usat). Okres generowanego przebiegu prostokątnego zależy od stałej czasowej R1C i współczynnika sprzężenia zwrotnego według wzoru:
Jeżeli R3 jest w przybliżeniu równe 0,9R2, czyli jest w przybliżeniu równy 0,47, to częstotliwość powtarzania impulsów jest wyrażona wzorem:
i może być regulowana przez zmianę R1 lub C. Uniwersalny układ czasowy 555 (np. MC 1555), wytwarzany przez wielu producentów i w różnej technologii (TTL, CMOS), składa się z dwóch komparatorów i przerzutnika bistabilnego RS.
Wejście "+" (wyprowadzenie 6) pierwszego komparatora i "-" (wyprowadzenie 2) drugiego komparatora są wejściami układu, natomiast pozostałe wejścia są polaryzowane z precyzyjnego dzielnika napięcia 2/3 i 1/3 napięcia zasilającego UCC przy czym podział ten może być zmieniony dzielnikiem zewnętrznym dołączonym do wyprowadzenia 5. Zawsze jednak napięcie odniesienia komparatora 2 jest połową napięcia odniesienia komparatora 1. Przy U6 > U5 na wyjściu przerzutnika RS jest wysoki poziom napięcia, a przy U2 < U5/2 niski. Niezależnie od napięć na wejściach komparatorów, niski poziom napięcia wejściu CLR (wyprowadzenie 4) wymusza stan wysoki na wyjściu przerzutnika. Na końcówce 3 jest typowe wyjście cyfrowe, które może służyć do sterowania innych układów cyfrowych. Wyjście 7 jest natomiast wyjściem typ otwarty kolektor o dużej wydajności prądowej (do 200 mA). Wykorzystywane jest do rozładowywania "głównego" kondensatora, od którego zależą parametry czasowe układu. Układ scalony 555 umożliwia tworzenie różnych układów czasowych, w tym multiwibratorów mono-, bi...
kormoran55