Sprawozdanie

Generatory przebiegów prostokątnych (multiwibratory)

Przerzutniki astabilne, nazywane też multiwibratorami, są układami relaksacyjnymi, samowzbudnymi, wytwarzającymi przebiegi o kształcie zbliżonym do prostokątnego.

Impulsy prostokątne charakteryzują się następującymi parametrami :

• amplitudą U_m

• czasem trwania t_i

• czasem narastania t_n

• czasem opadania t_o

• zwisem ΔU_m

• czasem przerzutu t_u

• amplitudą przerzutu U_mu

Przebiegi okresowe charakteryzują się ponadto :częstotliwością f lub okresem powtórzenia (repetycji) T i współczynnikiem wypełnienie :

Przerzutniki astabilne realizuje się przy zastosowaniu różnych elementów dyskretnych (tranzystorów bipolarnych i unipolarnych tranzystorów jedno-złączowych, diod tunelowych)lub układów scalonych liniowych i cyfrowych.

Najprostszy przerzutnik astabilny stanowi połączenie dwóch wzmacniaczy tranzystorowych objętych pojemnościowym dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Jak to zostało pokazane na poniższym rysunku:

Schemat 1)

Sprzężenie to jest tak silne , że tranzystory T₁ iT₂ przechodzą na przemian ze stanu nasycenia w stan obojętny i odwrotnie. Pracują więc jako przerzutniki elektryczne.

Załóżmy, że początkowo tranzystor T₁ jest w stanie nasycenia. Napięcie na jego kolektorze jest więc równe napięciu nasycenia U_CEsat.1 . Kondensator C_B2 , naładowany w poprzednim cyklu pracy rozładowuje się w obwodzie +E_C, R_B2, kolektor-emiter T₁. Rozładowanie to ma charakter wykładniczy, a stała czasowa wynosi w przybliżeniu R_B2, C_B2. Tranzystor T₂ nie przewodzi ze względu na ujemny potencjał jego bazy. Napięcie na kolektorze tego tranzystora jest zbliżone do wartości E_C. Kondensator C_B1 ładuje się w obwodzie: emiter-baza T₁ , R_C2 , +E_C. Przy prawidłowym doborze elementów układu, proces ładowania kondensatora C_B1 zachodzi szybciej niż proces rozładowania kondensatora C_B2. Jeżeli kondensator C_B2 rozładuje się do wartości napięcia przewodzenia obwodu baza-emiter U_BEP2 tranzystora T₂ , to tranzystor ten zacznie przewodzić i napięcie na jego kolektorze zacznie wzrastać. Dzięki właściwościom wzmacniającym proces ten rozwija się lawinowo i kończy zmianą stanu tranzystora T₁ i T₂.

Tranzystor T₂ jest teraz w stanie nasycenia a tranzystor T₁ w stanie odcięcia. Dalej zjawiska przebiegają podobnie, z tym że rozładowuje się kondensator C_B1 , a ładuje się kondensator C_B2 . gdy napięcie na bazie tranzystora T₁ osiągnie wartość napięcia przewodzenia U_BEP1 , tranzystor ten przejdzie w stan nasycenia a tranzystor T₂ w stan odcięcia. Nastąpi więc zamiana stanu tranzystora i proces zacznie się powtarzać.

Amplituda impulsów wyjściowych, pobieranych z kolektora jednego z tranzystorów :

U_m = E_C - U_CEsat1

U_CEsat1 - napięcia nasycenia tranzystora ; _1,2 - indeksy tranzystorów

Czas trwania poszczególnych cykli pracy:

t₁ = 0,69 R_B1*C_B1

t₁ = 0,69 R_B2*C_B2

Okres drgań przerzutnika astabilnego:

T = t₁ + t₂ = 0,69 (R_B1*C_B1 + R_B2*C_B2)

Dla przerzutnika symetrycznego R_B1 = R_B2 = R_B

C_B1 = C_B2 = C_B

T = 1,38 *R_B*C_B = 1,4 *R_B*C_B

Czasy narastania impulsów zależą od stałych czasowych R_C1 , C_B1 i R_C2 , C_B2 , natomiast czasy opadania zależą przede wszystkim od pojemności obciążającej tranzystor. Na ogół czas opadania jest dużo mniejszy od czasu narastania ( t_o << t_n).

Rezystancje R_B w obwodach baz wybiera się tak, aby tranzystory były w stanie nasycenia w czasie ich przewodzenia, co prowadzi do warunku :

R_B = β_o*R_C

Okres drgań przerzutnika astabilnego można zmieniać dwoma sposobami:

Poprzez:

1. zmianę parametrów obwodu ( R_B , C_B ) w których następuje rozładowanie,

2. zmianę wartości napięcia, do którego ładuje się kondensator C_B.

Zmianę parametrów kondensatorów sprzęgających C_B lub rezystancji R_B pozwalają zmieniać czasy t₁ i t₂ , a więc i częstotliwości w szerokim zakresie.

Kształt i amplituda impulsów wyjściowych pozostaje przy tym bez zmian. Najczęściej stosuje się skokową zmianą pojemności C_B i płynną zmianę rezystancji R_B.

Innym sposobem nastawiania częstotliwości drgań przerzutnika astabilnego jest zmiana napięcia zasilającego obwód baz tranzystora.

Poprawa kształtu impulsów generowanych przez przerzutniki astabilne wiąże się przede wszystkim ze skróceniem czasów narastania, w tym przypadku stosuje się dodatkowe układy diodowo-rezystancyjne tak jak to obrazuje poniższy rysunek a):

Zadanie wykonywane na ćwiczeniu

Ćwiczenie wykonywane na laboratorium miało na celu pokazanie zachowania się układu generatora impulsów prostokątnych w zależności od wielkości pojemności przyłączonej do układu. Aby to osiągnąć, połączyliśmy dwa układy wg schematu 1):

1. symetryczny

2. niesymetryczny

a) W układzie symetrycznym obie pojemności miały taką samą wielkość C = 0,10μF.

Z odczytów na oscyloskopie otrzymaliśmy następujące wyniki:

• współczynnik wypełnienia ν = 50,7%

• czas narastania t_n = 0,6ms

• okres drgań T = 1,3ms

• częstotliwość f = 769,2Hz

b) Drugi badany przez nas układ miał niesymetryczne wartości pojemności, i tak:

• na wejściu pojemność: C = 0,10μF

• na wyjściu pojemność: C = 0,26μF

Otrzymane przez nas wyniki po uprzednim odczycie z oscyloskopu są następujące:

• współczynnik wypełnienia ν = 70,8% na wejściu i ν = 27,6% na wyjściu,

• czas narastania t_n = 0,06ms na wejściu i t_n = 0,2ms na wyjściu,

• okres drgań T = 2,4ms na wejściu i T = 2,35ms na wyjściu,( różnica jaka jest tu widoczna wynika z niedokładności odczytu tej wartości z oscyloskopu)

• częstotliwość f = 416,6Hz na wejściu i f = 425Hz na wyjściu ( różnice w częstotliwościach podyktowane są wcześniejszym niedokładnym odczytem okresów drgań sygnału).

Powyższe wyniki obrazują nam specyfikę sterowania sygnałem multiwibratorów za pomocą pojemności. Widzimy, że przy zmianie wartości pojemności (dla układu niesymetrycznego) zmianie ulegają jedynie takie parametry jak:

• współczynnik wypełnienia ν

• czas narastania t_n

Natomiast okres drgań sygnału T a co za tym idzie i jego częstotliwość f pozostają na tym samym poziomie zarówno dla sygnału wejściowego jak i wyjściowego.

Porównując natomiast układ symetryczny z niesymetrycznym możemy zauważyć, że dla układu symetrycznego otrzymujemy prawie dwukrotnie większe częstotliwości niż dla układu niesymetrycznego, przy parametrach pojemności zadanych jak poniżej:

• C = 0,10μF dla układu symetrycznego na wejściu i wyjściu

• C = 0,10μF i C = 0,26μF dla układu niesymetrycznego na wejściu i na wyjściu.

---