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 U_CE1 = U_CEsat i jest w przybliżeniu równe 0,1V), a T₂ stan zatkania (wówczas napięcie kolektora U_CE2 jest w przybliżeniu równe U_CC). W tym stanie kondensator C₂ jest ładowany przez rezystor R₂ i tranzystor T₁, do napięcia U_CC. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość ok. 0,7 V, czyli napięcie, przy którym tranzystor T₂ zaczyna przewodzić, to napięcie kolektora tego tranzystora U_CE2 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 U_CE1 (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 U_CE2 osiąga wartość U_CEsat w przybliżeniu równe 0,1 V. Ten skok napięcia na kolektorze tranzystora T₂ (od U_CC do U_CEsat spowoduje szybkie zatkanie tranzystora T₁. Napięcie na jego bazie osiągnie bowiem wartość ujemną - (U_CC - 0,7 V), gdyż przed przełączeniem wynosiło ok. 0,7 V. Na kolektorze tranzystora T₂ było bliskie U_CC, czyli kondensator C₁ był naładowany do napięcia U_CC - 0,7 V. Włączenie tranzystora T₂ w stan nasycenia powoduje więc przełączenie dodatnio naładowanej okładki kondensatora C₁ z potencjału U_CC do U_CEsat 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 - (U_CC - 0,7 V) do napięcia dodatniego U_CC. 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 U_CE2, 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 ≤ R_C1 i R₂ ≤ R_C2, 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 +U_sat do - U_sat i odwrotnie) następującej w chwili, w której napięcie na przeładowywanym kondensatorze C przekroczy aktualną wartość napięcia na wejściu nieodwracającym (odpowiednio +U_sat i -U_sat). 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 U_CC 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- i astabilnych.

W układzie multiwibratora monostabilnego, pokazanego na powyższym rysunku, czas trwania generowanego impulsu określony jest wzorem: T = 1,1R_AC.

Częstotliwość powtarzania impulsów w multiwibratorze astabilnym (rysunek poniżej), określa się natomiast z kolejnej zależności:

W multiwibratorach zbudowanych przy zastosowaniu układu 555 czas trwania impulsu i okres generowanego przebiegu zależą od stałej czasu ładowania kondensatora dołączonego do wyjścia 7. Uzależnienie tych czasów od napięcia można uzyskać w układzie ładowania tego kondensatora stałym prądem o wartości zależnej od napięcia sterującego. Na rysunku poniżej przedstawiono układ multiwibratora astabilnego (przetwornik napięcie-częstotliwość), w którym w układzie źródła prądowego ładującego kondensator C zastosowano wzmacniacz operacyjny.

Przebieg wyjściowy ma postać wąskich ujemnych impulsów. Czas ładowania kondensatora jest liniowo zależny od prądu źródła ładującego. Rozładowanie kondensatora jest natomiast bardzo szybkie, bowiem następuje przez nasycony tranzystor wyjściowy (wyprowadzenie 7). Częstotliwość powtarzania impulsów jest zależna od napięcia wejściowego wg wzoru: f[kHz] = 4,2 U_I [V].