Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями

На рис.1а представлена простейшая схема мультивибратора на транзисторах с коллекторно–базовыми связями, а временные диаграммы его работы показаны на рис.1б.

В мультивибраторах применяется очень сильная положительная обратная связь, в результате чего транзисторы поочередно входят, то и режим насыщения, то в режим отсечки. Возможно также и длительное, устойчивое состояние, когда оба транзистора находится в насыщении.

Для возникновения колебаний необходим импульс, запирающий один из транзисторов. Мультивибраторы бывают симметричными и несимметричными. У симметричного мультивибратора одинаковые коллекторные (R_K1=R_K2) и базовые (R₁=R₂) сопротивления, а также емкости (C₁=C₂).

Так как k₁>1 и k₂>l, то условие самовозбуждения выполняются и в схеме возможен лавинообразный процесс (скачок). В случае строго симметричной схемы после включения источника питания токи транзисторов одинаковы I_K1= I_K2. Конденсаторы С₁и С₂ заряжаются через открытые транзисторы. Постоянная времени τ_зар=CR_K. В действительности совершенно одинаковые условия работы каскадов не реализуются. Из-за каких-либо причин токи транзисторов становятся неодинаковыми. Допустим, ток I_K1 возрастает (рис.1а), при этом коллекторное напряжение U_K1 уменьшается: U_K1=U_C2+U_Б2 поэтому прямое напряжение U_Б2также уменьшается. Это приводит к уменьшению тока базы I_Б2 и тока коллектор I_K2 второго транзистора и увеличению U_K2, что влечет за собой увеличение U_Б1 и I_K1. Этот процесс протекает очень быстро, токи I_K1 и I_Б1 транзистора VT1, возрастают до насыщения (VT1 - открыт), а токи транзистора VT2 убывают до нуля (VT2 - закрыт). Можно считать, что U_K1 0, I_K1 = I_НАС , U_K2 = -E_K2.

Конденсатор С₂ заряжен почти до напряжения Е_K. Так как U_K1 = 0, то обкладка конденсатора С₂ , заряженная отрицательно, присоединяется практически к общему зажиму +Е_К. В замкнутой цепи (+E_K, VT1, С₂, R_Б2, -E_K) возникает ток, приводящий к разряду конденсатора С₂. Постоянная времени разряда τ_раз = С₂R_Б2. За это время происходит заряд конденсатора С₁.

Цепь заряда конденсатора C₁ (+E_K, открытый переход эмиттер-база VT1, C₁, R_К2, -E_K) имеет постоянную времени заряда τ_зар = R_K2C₁. Так как R_K2 << R_Б2, то τ_зар << τ_раз. Заряд конденсатора С₁ заканчивается намного быстрее, чем разряд конденсатора С₂, который определяет длительность τ_и.

Протекающий зарядный ток поддерживает потенциал базы транзистора VT1 на уровне, близком к U_Б = -0,8В, что достаточно, чтобы VT1 находился в режиме насыщения. Конденсатор С₁ заряжается до напряжения E_K - U_Б1. После окончания заряда конденсатора С₁ напряжение U_Б1 поддерживается за счет тока через резистор R_K2..

Транзистор VT2 остается запертым напряжением на конденсаторе С₂ зарядившемся в предыдущий полупериод до значения E_K. Все это напряжение приложено между базой и эмиттером VT2, так как потенциал левой обкладки конденсатора С₂ равный напряжению коллектор-эмиттер насыщенного транзистора. Чтобы транзистор VT2 открылся необходимо, чтобы конденсатор С₂ не только полностью разрядился, но и перезарядился до напряжения U_Б2 = -0,6В, а затем скачком до -0,8В, при котором VT2 становится проводящим. Kaк только транзистор VT2 начнет проводить, его коллекторный потенциал падает, что через конденсатор С₁ передается на базу VT1. Последний переходит в активный режим. Процесс перезарядки конденсатора С₂ закончится. Возникающий при этом регенеративный процесс быстро переключает схему из одного квазиустойчивого состояния в другое, при котором VT1находится режиме отсечки, a VT2 - в режиме насыщения.

Режим насыщения открытого транзистора при установившемся токе коллектора I_KH определяется соотношением между сопротивлениями резисторов в цепи коллектора R_K и базы R_Б: I_БН = I_KH/β, где I_БН и I_KH - токи насыщения базы и коллектора полностью открытого транзистора, β- коэффициент усиления тока базы, то:

или R_Б ≤ R_Kβ

R₁ = R_K2β (1)

R₂ = R_K1β (2)

(1) и (2) - условия насыщения.

Таким образом, в мультивибраторах на транзисторах верхние границы значений сопротивлений R₁ и R₂ оказываются ограниченными параметрами схемы. На рис.1б приведены зависимости напряжений на коллекторе и базе транзисторов VT1 и VT2. При зарядке конденсатора , где τ_ЗАР=R_КC – постоянная времени заряда конденсатора. При разряде конденсатора: , где τ_РАЗ=R_БC – постоянная времени разряда конденсатора.

Постоянная времени разряда должна быть не менее чем на порядок больше постоянной времени заряда, т.е. τ_РАЗ> τ_ЗАР. Это необходимо для того, чтобы один из конденсаторов С полностью зарядился, пока другой конденсатор разряжается и держит запертым «свой» транзистор. Транзистор отпирается, когда U_C(t) = -0,6В. Следовательно, полупериод прямоугольного колебания, генерируемого симметричным мультивибратором, можно найти из равенства:

отсюда:

Пренебрегая напряжением 0,6В по сравнению с E_K получаем:

(3)

Это выражение получено в предположении мгновенности переключения транзисторов и не учитывает времени на рассасывание зарядов, накопленных на базе. Обычно изменение периода Т колебаний мультивибратора на транзисторах достигается за счет изменения емкости С₁ и С₂.

На рис.1б видно, что фронты выходных импульсов мультивибратора, формирующиеся после закрытия соответствующих транзисторов, имеют значительно большую длительность, чем фронты импульсов, соответствующие моменту открытия транзисторов. Длительность фронта импульсов после закрытия транзисторов определяется временем, в течении которого конденсаторы С₁ и С₂ заряжаются до напряжения питания. Эта длительность называемая временем восстановленияt_В или длительностью среза, зависит от постоянной времени заряда конденсатора τ_ЗАР = R_KC, t_В = 3τ_ЗАР. Обычно R_Б = 10R_K поэтому время восстановления t_В составляет часть периода повторения импульсов. Поэтому форма выходного напряжения U_BbIX мультивибратора заметно отличается от прямоугольной, что ограничивает возможности его применения.

Мультивибраторы при несимметричной схеме могут устойчиво работать только при небольшой скважности Q = (порядка 10-15), это также является его недостатком (где t_и - длительность короткого импульса).