0. Мультивибраторы и одновибраторы

Мультивибратором называется устройство, осуществляющее генерацию прямоугольных импульсов и состоящее из двух транзисторов, взаимодействующих друг с другом. Существуют различные схемотехнические решения мультивибраторов. Общей чертой всех схем мультивибраторов является наличие емкостных коллекторно-базовых связей между транзисторами, т.е. база каждого транзистора связана с коллектором другого транзистора с помощью конденсатора. Такие схемы могут находиться в двух квазиустойчивых состояниях, в каждом из которых один транзистор открыт и насыщен, а другой находится в режиме отсечки. Квазиустойчивыми данные состояния называются потому, что длительность нахождения схемы в этих состояниях определяется временем заряда или разряда соответствующего конденсатора, после чего происходит смена состояния схемы на противоположное.

Рассмотрим принцип работы мультивибратора на примере схемы, используемой для генерации тактовых импульсов в системе станционной кодовой централизации СКЦ-67 (рис 10). В исходном состоянии данная схема заблокирована путем подачи положительного потенциала на коллектор транзистора Т2. При этом конденсатор С1 разряжен, а конденсатор С2 заряжен до напряжения источника питания схемы через резисторы R_к1 и R_б2 в полярности, указанной на рис 10 а. Оба транзистора при этом заперты, так как потенциалы их баз равны потенциалам эмиттеров, и генерация импульсов не осуществляется.

После снятия положительного потенциала с коллектора транзистора Т2 начинается заряд конденсатора С1 через резистор R_к2. Значительная часть тока заряда конденсатора протекает через переход база-эмиттер транзистора Т1, обеспечивая его открытие и насыщение. Потенциал коллектора транзистора Т1 повышается и становится близким к потенциалу U1. Как известно, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно. Поэтому потенциал базы Т2, связанной через конденсатор С2 с коллектором Т1 повышается на ту же самую величину и становится существенно выше потенциала эмиттера. Транзистор Т2 остается заперт. Это одно из квазиустойчивых состояний данной схемы (рис 10 б). В этом состоянии конденсатор С2 разряжается через открытый транзистор Т1 и резистор R_б2. По мере заряда конденсатора С1 напряжение на данном конденсаторе увеличивается, а ток заряда уменьшается. Когда ток заряда становится недостаточным для обеспечения насыщения транзистора Т1, указанный транзистор начинает закрываться. Потенциал его коллектора понижается. Соответственно, потенциал базы Т2, за счет емкостной связи с коллектором Т1, также понижается. Поскольку к этому моменту времени конденсатор С2 практически полностью разряжен, потенциал базы Т2 становится ниже потенциала эмиттера, в цепи базы указанного транзистора начинает протекать ток, транзистор Т2 открывается и потенциал его коллектора повышается. Это приводит к повышению потенциала базы Т1 за счет соответствующей емкостной связи и способствует дальнейшему его запиранию. Таким образом, в результате взаимодействия двух транзисторов происходит лавинообразный переход схемы в другое квазиустойчивое состояние (рис 10 в). Теперь транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт и насыщен. Далее транзистор Т2 удерживается в открытом состоянии за счет тока заряда конденсатора С2 вплоть до снижения этого тока до величины, недостаточной для обеспечения насыщения Т2. После этого происходит лавинообразный переход к предыдущему состоянию, когда транзистор Т1 открыт, а транзистор Т2 закрыт. Далее процесс повторяется.

Таким образом, длительность открытого состояния транзистора Т1 определяется постоянной времени цепи заряда С1, т.е. прямо пропорциональна емкости конденсатора С1 и сопротивлению резистора R_к2. Соответственно, длительность открытого состояния транзистора Т2 зависит от постоянной времени заряда С2, а значит прямо пропорциональна емкости С2 и сопротивлению R_к1. На коллекторах транзисторов формируются противофазные последовательности импульсов.

Иногда встречаются схемы мультивибраторов, в которых базовые резисторы подключены не к эмиттерам транзисторов, а к отрицательному полюсу основного источника питания. В этом случае длительность импульсов определяется не временем удержания транзисторов в открытом состоянии за счет тока заряда конденсаторов, а наоборот, временем обеспечения закрытого состояния транзисторов потенциалом на выводе конденсатора, соединенном с базой. Подобный принцип реализован в рассматриваемой ниже схеме одновибратора.

Рис. 10. Схема мультивибратора и временная диаграмма его работы

Одновибратором называется устройство, формирующее одиночный импульс заданной продолжительности при поступлении на его вход короткого импульса запуска. Схема одновибратора, также как и схема мультивибратора, состоит из двух транзисторов с коллекторно-базовыми связями. Однако, в отличие от мультивибратора, одна связь емкостная, другая – резистивная. Поэтому одно из состояний такой схемы является квазиустойчивым, а другое устойчивым. В устойчивом состоянии схема может находиться неограниченно долго, до тех пор, пока на вход не поступит импульс запуска. При поступлении импульса запуска схема переходит в квазиустойчивое состояние, после чего вновь возвращается в устойчивое состояние и остается в нем до поступления на вход следующего импульса запуска. Длительность квазиустойчивого состояния определяет продолжительность формируемого одновибратором импульса. Поясним принцип работы одновибратора на примере следующей схемы (рис 11).

Рис. 11. Схема одновибратора и временная диаграмма его работы

В данной схеме база транзистора Т1 соединена с коллектором Т2 через резистор R_с1 и с источником напряжения смещения через резистор R_см. База транзистора Т2 соединена с коллектором Т1 через конденсатор С1 и с отрицательным полюсом основного источника питания через резистор R_б2. За счет связи базы Т2 с отрицательным полюсом питания, указанный транзистор в исходном состоянии всегда открыт и насыщен. Потенциал его коллектора близок к потенциалу U₁. Соответственно, транзистор Т1 закрыт, потенциал его коллектора близок к потенциалу отрицательного полюса основного источника питания и конденсатор С1 заряжен в полярности, указанной на рис 11 а. Если пренебречь падением напряжения на переходе база-эмиттер открытого транзистора Т2, можно считать, что конденсатор заряжен до напряжения основного источника питания. Это состояние одновибратора является устойчивым. На базу любого из транзисторов может быть подан входной сигнал, лавинообразно переводящий схему в квазиустойчивое состояние. Пусть входом схемы будет база Т1. В этом случае при подаче на вход отрицательного импульса транзистор Т1 открывается. Это приводит к повышению потенциалов коллектора Т1 и базы Т2, связанной с коллектором Т1 через заряженный конденсатор С1. Транзистор Т2 закрывается, поскольку потенциал его базы становится более положительным, чем потенциал эмиттера. Закрытие транзистора Т2 способствует дальнейшему открытию Т1 за счет наличия резисторной коллекторно-базовой связи. Схема лавинообразно переходит в квазиустойчивое состояние, на выходе схемы начинается формирование импульса (рис 11 б). Конденсатор С1 начинает разряжаться через открытый транзистор Т1 и резистор R_б2. Когда конденсатор полностью разрядится, потенциал на базе Т2 за счет наличия резистора R_б2 станет ниже потенциала эмиттера и начнется его открывание. В этот момент вновь начнется лавинообразный процесс взаимодействия транзисторов, в результате которого схема вернется в исходное состояние и формирование выходного импульса закончится. Конденсатор С1 снова зарядится до напряжения источника питания. Таким образом, длительность выходного импульса одновибратора определяется временем разряда конденсатора С1 и является прямо пропорциональной емкости этого конденсатора и сопротивлению резистора R_б2.

Иногда возникает необходимость решить иную задачу: в момент поступления длинного импульса сформировать короткий импульс заданной длительности. В этом случае используют схему, приведенную на рис. 12. В этой схеме база транзистора Т2 связана с коллектором транзистора Т1 через конденсатор. Связь коллектора Т2 с базой Т1 отсутствует. В исходном состоянии транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт за счет того, что его база подключена к отрицательному полюсу источника питания через резистор R_б2. конденсатор С1 заряжен в указанной на рис. 12 а полярности. При поступлении на вход импульса, открывающего Т1, за счет наличия напряжения на конденсаторе потенциал базы Т2 становится выше потенциала эмиттера, транзистор Т2 закрывается и начинается формирование выходного импульса (рис. 12 б). Если на базе Т1 продолжает присутствовать отрицательный потенциал, то также как и в схеме одновибратора, длительность выходного импульса определяется временем разряда С1.

Рис. 12. Схема, формирующая короткий импульс.

После полного разряда С1 транзистор Т2 вновь откроется и формирование импульса закончится. Поскольку в данной схеме нет связи базы транзистора Т1 с коллектором транзистора Т2, состояние схемы, когда транзистор Т2 закрыт, не является квазиустойчивым. В случае прекращения воздействия отрицательного потенциала на вход схемы транзистор Т1 закроется, а транзистор Т2 откроется независимо от степени разряда С1. Однако в данном случае это не имеет значения, поскольку предполагается, что длительность входного импульса всегда будет больше, чем заданная длительность импульса на выходе.