Зависимость величины частоты колебаний мультивибратора от величины времяобразующей цепи R

Мультивибратор (от латинских слов multum — много, vibro — колеблю) — релаксационный генератор электрических колебаний прямоугольного типа. Термин предложен голландским физиком Ван дер Полем, так как в спектре мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»).

Мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1919 году.

Классическая схема М. на двух ламповых резистивных усилителях с перекрёстными анодно-сеточными связями известна под названием схемы Абрагама и Блоха; она близка к схеме «катодного реле», предложенной советским учёным М. А. Бонч-Бруевичем. Различают симметричные М. , построенные по симметричной схеме и несимметричные. У первых длительности T1 и T2 рабочих тактов, составляющие в сумме период колебаний Tn, одинаковы, у вторых — разные.

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. Известно много вариантов М. на электронных лампах, транзисторах, тиристорах и интегральных схемах. Наиболее широко применяются М. , построенные на транзисторах. Если используют транзисторы одного типа (р — n — р или n — p — n), то усилители в таких М. возбуждаются поочерёдно; в период времени T1 в возбуждённом состоянии находится один усилитель, в период T2 — другой. Такие М. называются двухфазными. Чередование фаз М. определяется динамическим состоянием того из усилителей, который находится в невозбуждённом режиме; последний возбуждается тогда, когда действующее на его входе напряжение становится достаточным для отпирания закрытого транзистора. После этого возникает кратковременный регенеративный процесс (в течение которого оба усилителя возбуждены), приводящий к изменению состояния усилителей — опрокидыванию М. Если же в усилителях М. используются транзисторы разного типа, то оба усилителя возбуждаются одновременно и находятся в таком состоянии в течение времени T1; затем они почти одновременно переходят в невозбуждённое состояние на период времени Т2. Переход из возбуждённого состояния в невозбуждённое определяется соотношением сил токов в коллекторной и базовой цепях насыщенного транзистора усилителя. По принципу работы такой М. близок к транзисторному блокинг-генератору.

  Кроме двухфазных, существуют многофазные (n-фазные) М. , состоящие из n резистивных усилителей, охваченных одной общей и n междукаскадными обратными связями. С выходов n усилителей многофазного М. можно получить последовательность сдвинутых во времени и в пространстве импульсов, благодаря чему его часто используют в многоканальных системах отбора, передачи и преобразования информации

Симметричным мультивибратор называют при попарном равенстве сопротивлений R1 и R4, R2 и R3, ёмкостей C1 и C2, а также параметров транзисторов Q1 и Q2.

Симметричный мультивибратор генерирует сигнал «меандрового» типа, то есть сигнал, в периоде которого длительность импульса и длительность паузы одинакова

Мультивибратор, имеет одно состояние устойчивого равновесия, из которого он под действием внешнего запускающего импульса скачкообразно переходит в квазирезонансное состояние и затем возвращается в состояние равновесия, называется ждущим.

Сферы применения мультивибраторов

Мультивибратор – это прибор, относящийся к импульсной технике.

В импульсной технике используются кратковременные, прерывистые электрические колебания. Она является составной частью радиоэлектроники и служит, в частности, базой радиолокации, радионавигации, телевидения, многоканальной связи. На основе импульсной техники созданы электронные цифровые вычислительные машины.

Рассмотрим кратко перечисленные области использования импульсной техники.

В последние десятилетия импульсная техника обогатилась новой, быстро развивающейся областью - цифровой техникой, основой электронных цифровых вычислительных машин, станков с числовым программным управлением, роботов и т. д. Она подняла на новую качественную ступень средства связи, радиолокации, вызвало появление автоматизированных систем управления предприятиями и комплексами для обработки различных видов информации. Этому в немалой степени способствовало создание новой элементной базы, что привело к резкому снижению габаритов и массы импульсных устройств.

Своему становлению и развитию импульсная техника обязана трудам специалистов многих стран мира, среди которых значительная роль принадлежит отечественным ученым.

Впервые импульсные методы были использованы изобретателем телеграфа - нашим соотечественником П. Л. Шиллингом. Импульсный искровый передатчик сконструировал в 1895 г. изобретатель радио А. С. Попов. В 1907 г. Л. И. Мандельштам ( впоследствии известный советский академик ) разработал принцип получения временного масштаба, что нашло применение в осциллографах при наблюдении кратковременных импульсных процессов. В этом же году профессор Б. Л. Розинг впервые использовал электронно-лучевую трубку для приема изображения, что обусловило развитие электронного телевидения.

Бурное развитие радиотехники в нашей стране началось после Великой Октябрьской социалистической революции. В 1917 г. научный руководитель Нижегородской радиолаборатории М. А. Бонч-Бруевич создал и проанализировал устройство, послужившее основой импульсных схем-триггеров и мультивибраторов. В 30-х годах М. А. Бонч-Бруевич, Д. Е. Маляров, К. И. Крылов, В. П. Илясов создали магнетрон-прибор для генерации электромагнитных колебаний сверх высоких частот, сыгравший огромное значение в совершенствование радиолокаторов.

К тем же  годам относятся  работы советских  ученых  С. И. Катаева, Г. В. Брауде, Г. В. Тимофеева, Д. А. Чернышева, П. В. Шмакова, заложившие основы современного телевидения.

В 1931 г. В. А. Котельников сформулировал и доказал теорему ,ставшую фундаментальным  положением импульсной электро- и радиосвязи.

В 1934 г.   П. К. Ощепковым была начата разработка импульсной радиолокации, в 1937 г. Ю. Б. Кобзаревым и его сотрудниками создана локационная станция, в которой использовался импульсный режим работы.

Разработка теории импульсных колебаний и переходных процессов в радиотехнических цепях связана с именами светских ученых во главе с Л. И. Мандельштамом и  Н. Д. Папалекси.   Труды  А. А. Андронова,  А,А,Витта, И. С. Гоноровского, С. И. Евтянова, Я. С. Ицхоки, Н. Н. Крылова, В. И. Сифорова, А. А. Харкевича и многих других советских ученых послужили теоретической базой для создания импульсных устройств.

В соответствии с этим в ближайшие годы еще шире будут развиваться многопрограмное телевидение, радиовещание и телефонная связь через искусственные спутники Земли, радиолокационные системы, вычислительная техника, средства и системы сбора, передачи и обработки информации, робототехника, системы автоматического управления с использованием микропроцессоров, будут продолжаться работы по формированию единой автоматизированной системы связи страны.

Развитие этих областей связано с дальнейшим совершенствованием импульсной и цифровой техники и подготовкой квалифицированных кадров радиоспециалистов.

Мультивибратор широко применяется в радиоделе. Будучи смонтированным вместе с транзисторным индикатором, он становится генератором световых импульсов, который можно использовать для модели маяка. Если транзистор будет средней или большой мощности, например КТ801А, в его коллекторную цепь можно включить несколько соединенных параллельно миниатюрных ламп накаливания - они украсят небольшую новогоднюю елку.

Если емкость конденсатора мультивибратора будет 1 мкФ, а постоянный резистор R1-переменным, сопротивлением 1,5 или 2,2 кОм, то получится генератор колебаний звуковой частоты, пригодный для проверки работоспособности радиовещательных приемников, усилителей звуковой частоты. К выходу такого устройства можно подключить телефонный капсюль ДЭМ-4м или транзисторный индикатор, но с динамической головкой в коллекторной цепи. Получится звуковой генератор, который можно использовать  в качестве квартирного звонка или применить для изучения приема на слух телеграфной азбуки. В первом варианте напряжение питания генератора можно подавать через звонковую кнопку, во втором - через контакты телеграфного ключа. Частоту генерируемых импульсов в пределах 800. 1000 Гц устанавливают переменным резистором или подборкой заменяющего его постоянного резистора.

Ещё один пример использования мультивибратора - генератор прерывистого звукового сигнала.

Составные части мультивибратора

Так как в данной работе идет речь о транзисторном мультивибраторе с коллекторно-базовыми ёмкостными связями, то имеет смысл привести список деталей, использующихся для его сборки

1) Два транзистора

2) Четыре резистора

3) Два конденсатора

Параметры деталей зависят от ориентирования на тот или иной конечный результат.

Сборка прибора

Для того, чтобы упростить процесс изменения частоты колебаний мультивибратора, я собирал прибор из «Конструктора юного радиолюбителя». Вот как выглядят приведенные выше детали в данном конструкторе : справа налево резистор на 5. 1 КОм, резистор на 1кОм, конденсатора 470 мкФ, конденсатор на 0. 02 МФ, транзистор. При сборке прибора я руководствовался классической схемой симметричного мультивибратора.

В результате мы получаем вот такой радующий глаз веселой расцветкой прибор со следующими параметрами деталей:

C1=С2=470 мкФ (демонстрационный вариант), 0. 02 мкФ (эксп. вариант)

R1=R3=5. 1 кОм

R2=R4=1 кОм

Наличие двух разных моделей прибора (демонстрационной и экспериментальной) объясняется тем, что при емкости конденсатора в 0,02 микрофората невооруженным глазом не видно мигание лампочек, а при емкости в 470 микрофорат мигание явно видно. Для опыта же логичнее взять конденсаторы с меньшей емкостью. Колебания данного мультивибратора при любой из конструкций выглядит одинаково

Описание хода эксперимента (эксп. модель)

Замерим мультиметром частоту колебаний мультивибратора. Она равна 8. 62 кГц. Отсоединим R1 и подключим вместо него магазин сопротивлений и начнем менять значение R1. Дальнейшие результаты имеет смысл представить в виде таблицы:

R, кОм 2. 1 2. 5 3. 1 4. 1 5. 1 6. 1 7. 1 8. 1 9. 1 10 F, кГц 19. 90 18. 11 13. 44 10. 74 8. 62 7. 70 6. 98 6. 79 6. 36 6. 02

Из таблицы видно, что кривая зависимости частоты колебаний от R выглядит следующим образом т. е. зависимость величины частоты колебаний мультивибратора от величины времяобразующей цепи R обратно пропорциональна. Это важное свойство может быть использовано при конструировании новогодней гирлянды или самодельной электрической игрушки. С помощью трех деталей, паяльника и ряда нехитрых операций можно доставить множество радости себе и близким.

На этом цель работы считаю достигнутой – зависимость частоты колебаний от величины времяобразующей цепи R вычислено экспериментально. В будущем возможно продолжение исследование свойств мультивибратора с целью получения новых знаний о работе и применении в быту симметричного мультивибратора.