Автоколебательный мультивибратор.

В соответствии с общим принципом построения двухкаскадных генераторов несинусоидальных напряжений мультивибратор должен представлять собой два резистивных усилителя, связанных между собой с помощью реактивных элементов. Основная схема мультивибра­тора показана на рис. 6.2 (слайды 104, 48).

Если параметры обоих усилителей одинаковые, то схема называется симметричной, а если разные, то несимметричной. Для анализа физических процессов в муль­тивибраторе будем считать, что схема симметрична.

Предположим, что в исходный момент времени обе лампы симмет­ричного мультивибратора открыты. Через них протекают одинаковые токи, на анодах лампы одинаковые напряжения, конденсаторы С₁ и С₂ заряжены до одинаковых значений.

В реальных условиях такое состояние существовать не может. Действительно, появление любой флюктуации тока в любой из ламп (например, из-за неравномерности эмиссии катода) приводит к ла­винообразному процессу. Пусть ток через лампу Л₂ увеличился, это приведет к уменьшению падения напряжения на её аноде. Конденса­тор С₂ начинает разряжаться через участок анод-кадод (Ri₂), лампы Л₂ и резистор Rg₁ (цепь разряда показать на схеме). Потен­циал сетки Л₁ уменьшается, это приводит к уменьшению тока лампы Л₁ и возрастанию напряжения на её аноде. Конденсатор С₁ начинает подзаряжаться по цепи: +E_a → C₁ → Rg₂ → -E_a, в результате подзаряда конден­сатора потенциал сетки лампы Л₂ возрастает, что ведет к увеличе­нию тока через Л₂. Цепь обратной связи замкнулась. Этот процесс можно записать символически в следующем виде:

+∆ i_a2 →-∆ U_a2 → -∆ U_g1 → -∆ i_a1 → +∆ U_a1 →-∆ U_g2

(+) - увеличение, (-) - уменьшение, (→)- направление воздействия.

В результате лавинообразного процесса лампа Л₁ закрывается, а Л₂ полностью открывается. Напряжение на сетке Л₁ уменьшилось и достигло какой-то величины Ug₁min. Напряжение на аноде Л₁ увеличится до величины Еa (после заряда конденсатора С₂). Большой начальный ток заряда С₂ создаст положительный всплеск на сетке Л₂, а затем это напряжение упадет до нуля. В соответствии с Ug₂ напряжение на аноде Л₂ уменьшится, а затем возрастет до Ua₂min.

Для преподавателя: С помощью слайда 105, 49, 50 (рис. 6.3) показать эпюры напряжений.

Начиная с момента t₁, конденсатор С₁ начинает разряжаться по цепи +C₁ → R_i2 → R_g1 → -C₁. На резисторе R_g1 появля­ется экспоненциально возрастающее напряжение, которое стремится к нулю. Напряжения на остальных элементах схемы остаются неизмен­ными.

В момент времени t₃ напряжение на сетке лампы Л₁ достига­ет напряжения отпирания (Eg₀₁), замыкается цепь обратной связи и возникает лавинообразный процесс противоположного направле­ния

+∆ U_g1 →∆ i_a → -∆ U_a1 → -∆ U_g2 → -∆ i_a2 → +∆ U_a2

в результате которого Л₁ открывается, а Л₂ запирается. Напряжение на сетке лампы Л₂ (Ug₂) уменьшается до Ug₂min, а на аноде увеличивается до Е_a (после заряда, конденсатора С₁).

Напряжение на сетке Л₁ после заряда конденсатора С₁ становится равным нулю, а на аноде - Ua₁min.

В момент открытия лампы Л₁ (t₃) конденсатор С₂ начинает разряжаться через лампу по цепи +C₂ → Ri_Л1 → Rg₂ → -C₂.

По мере разряда конденсатора напряжение на сетке лампы Л₂ уменьшается и, когда оно достигнет уровня отпирания, в схеме вновь возникает лавинообразный процесс, который приводит к опрокидыванию схемы: Л₁ закрывается, а Л₁ - открывается.

Таким образом, наличие двух реактивных накопителей энергии С₁ и С₂ приводит к удержанию одной из ламп закрытой в течение некоторого времени, т.е. схема имеет два временно устойчивых (квазиустойчивых) состояния. Длительность пребывания в каждом из них определяет длительность формируемых импульсов. Не трудно установить, что длительность импульсов мультивибратора определя­ется постоянной времени разряда конденсаторов С₁ и С₂ (τ₁ = С₁ R_g1 и τ₂ = С₂ R_g2).

Следует подчеркнуть, что с мультивибратора можно снимать им­пульсы противоположной полярности Uвых₁ и Uвых₂ (показать на схеме).

Рассмотренный мультивибратор обладает низкой стабильностью длительности формируемых импульсов (порядка 2 %). Причина неста­бильности заключается в нестабильности уровня открывания лампы и малым углом подхода экспоненты разряда к этому уровню (рис. 6.4, слайды 106, 51).

Для повышения стабильности импульсов на практике широко ис­пользуются мультивибраторы с положительными сетками (рис. 6.5, слайды 107, 52).

Принцип работы мультивибратора с положительной сеткой анало­гичен рассмотренному за исключением того, что конденсаторы разря­жаются не до нулевого значения, а стремятся перезарядиться до напряжения источника питания. Разряд конденсаторов происходит через внутреннее сопротивление источника анодного питания:

+C₂ → R_iЛ1 → -E_a→ +E_a → R_g2 → -C₂.

Экспонента разряда получается более крутой и стабильность длительности импульсов улучшается (рис. 6.6, слайды 108, 53).

Величина нестабильности импульсов мультивибратора с положительной сеткой снижается до 0,4-0,6 %, т.е. в 3-5 раз меньше, чем у мультивибратора с нулевой сеткой.

Мультивибраторы в автоколебательном режиме используются в качестве задающих устройств.

 

Второй учебный вопрос.

Ждущий мультивибратор

Ждущий мультивибратор (одновибратор, кипп-реле) - это гене­ратор прямоугольных импульсов с одним устойчивым и одним временно-устойчивым состоянием. Устойчивое состояние схемы обеспечивается тем, что одна из связей выполняется резистивной, а вторая - реактивной, т.е. схема имеет один накопитель энергии.

 

На практике наибольшее распространение получили ждущие мультивибраторы с катодной связью (рис. 6.7, слайды 109, 54, 55).

 

В приведенной схеме связь между усилителями осуществляется через резистор R_К и через конденсатор С.

В исходном состоянии после окончания переходных процессов лампа Л₂ открыта, т.е. ток через резистор Rg не протекает и напряжение между сеткой и катодом равно нулю.

 

Лампа Л₁ в этом случае будет закрыта, так как через резис­тор R_К протекает ток лампы Л₂ (I₂) и создает на нем напря­жение U_К = I_a2 · R_К, которое плюсом приложено к катоду Л₁, а ми­нусом к сетке, через резистор R_g1. Подбором величины сопротив­ления R_К добиваются, чтобы напряжение на участке сетка-катод Л₁ было меньше напряжения запирания (Ugк₁ = Ugк_{1 мин} < Eg₀). При этом напряжение на аноде первой лампы Uа₁ = Eа, а на аноде второй лампы Uа₂ = Uа₂ мин < Eg₀. Конденсатор С заряжен до максимального напряжения U_C max = Eа - Uк max. Эпюры напряжения показаны на рис. 6.8 (слайды 110, 56).

 

Запуск схемы осуществляется короткими импульсами с крутыми фронтами. Импульсы запуска положительной полярности следует пода­вать на сетку закрытой лампы, а отрицательной полярности - на сетку открытой лампы. Амплитуда запускающих импульсов должна быть достаточной для открывания (закрывания) лампы.

При поступлении импульса запуска положительной полярности на сетку Л₁ она открывается и через неё начинает протекать анод­ный ток. Напряжение на аноде Л₁ уменьшается, что в свою очередь вызывает уменьшение напряжения на сетке лампы Л₂ и в схеме воз­никает лавинообразный процесс:

U_зап1 → +∆ U_gк1 →+∆ i_ai → -∆ U_a1 → -∆ U_gк2 → -∆ i_a2 → -∆ U_к

 

 

Лавинообразный процесс прекратится, когда ток лампы Л₂ станет равным нулю (Л₂ закроется), а Л₁ полностью откроется. Напряжение на аноде Л₁ уменьшится до минимума, этот перепад че­рез конденсатор С полностью передается на сетку лампы Л₂ и умень­шает напряжение на ней до Ug_{k2 min}.

Напряжение на аноде Л₂ возрастает до значения источника анодно­го питания. Напряжение на сетке лампы Л₁ близко к нулевому. Муль­тивибратор перешел во временно-устойчивое состояние. Время пребы­вания схемы в этом состоянии определяется временем разряда кон­денсатора. Возможность разряда конденсатора С появляется с от­крытием Л₁ и падением напряжения на её аноде. Разряд конденсато­ра происходит по цепи: +C → R_i1 → R_g → -C. Постоянная разряда τ_p = C(R_g + R_i1) ≈ C·R_g, так как R_i «R_g.

Ток разряда создает на резисторе R_g падение напряжения, "+" которого приложен к катоду Л₂, а "-" - к сетке. По мере раз­ряда конденсатора напряжение U_gk2 возрастает по экспоненциальному закону (показать на эпюрах до момента открывания Л₂). В момент достижения напряжения U_gk2 напряжения открывания лам­пы, через лампу Л₂ потечет анодный ток и возникнет лавинообраз­ный процесс:

+∆ _Ugк2 → +∆ i_a2 → ∆ U_к → -∆ U_gк1 → -∆ i_a1 → +∆ U_a1

 

В результате этого процесса Л₁ закрывается, а Л₂ - открыва­ется. После заряда конденсатора С мультивибратор возвращается в исходное состояние.

Сформированные импульсы отрицательной полярности можно снять с анода Л₁, а положительной - с анода Л₂. Длительность импульса мультивибратора можно изменять путем изменения емкости конденса­тора С или величины сопротивления Rg. Основным способом изме­нения длительности импульса мультивибратора считается способ изменения величины Rg.

Для повышения стабильности длительности формируемого импуль­са на практике используют мультивибратор с положительной сеткой (рис. 6.9, слайды 111, 56).

Процессы в ждущем мультивибраторе аналогичны рассмотренным выше, за исключением того, что при формировании импульса конден­сатор С разряжается по цепи:

+С → R_i1 → R_k → -E_a → +E_a → -R_g → -C

Конденсатор не только разряжается, но и стремится перезаря­диться до величины Еа. За счет этого и достигается стабилизация длительности импульса как и в автоколебательном мультивибраторе.

Ждущие мультивибраторы применяются для формирования прямо­угольных импульсов, которые используются в качестве бланкирующих (запирающих), для подсвета прямого хода развертки или гашения её обратного хода. Мультивибраторы также применяются для расширения длительности импульсов и в качестве устройств задержки импульсов.

Третий учебный вопрос.