Генератор факельного разряда на MOSFET-транзисторе / Хабр
Вступление
Всем хеллоу, сегодня речь пойдет о младшем брате катушек Теслы, генераторе факельного разряда, или «факельнике». Этот экземпляр был собран мной больше года назад, но мне не хватило терпения настроить его до конца, да и были существенные косяки в конструкции и исполнении. Недавно же я довел устройство до ума, и, раз уж пошла речь о высоковольтных устройствах, таких как ZVS-генератор и генератор Ройера, описанных в недавних статьях, решил написать статейку на Хабр, может кому будет интересно.
Что это такое, зачем нужно и как работает?
Генератор факельного разряда представляет собой вполне стандартный высокочастотный генератор, собранный по схеме типа «емкостная трехточка» на MOSFET-транзисторе со стабилизацией частоты LC-контуром (см. схему ниже).
Схема устройстваПрактического применения схема не имеет, разве что для слишком уж специфичных задач, где необходимы температуры в несколько тысяч градусов, и создается как и все катушки Теслы / лестницы Иакова / качеры Бровина чисто в рамках спортивного интереса и для получения эстетического удовольствия при виде взрывающихся транзисторов высокочастотного факела на кончике плавящегося терминала.
Но как же достигается образование факела на кончике разрядника? Все достаточно просто: сам генератор достаточно мощный, вся система настроена в резонанс, и в колебательном контуре L2-C2-C3 образуется высокочастотное напряжение большой амплитуды, а поскольку к «горячему» концу контура подключена катушка L3, которая, по сути, является вторым колебательным контуром, так как ее резонансная частота должна быть равна резонансной частоте контура L2-C2-C3, на втором конце катушки L3 напряженность высокочастотного поля достигает таких значений, что выход энергии с острия терминала наблюдается в виде коронного разряда, который из-за большой частоты работы устройства чем-то напоминает пламя свечи. Потребляемая мощность при питании от источника напряжением 30 вольт около 200 ватт, длина факела при этом 4.5 см.
Сборка и настройка устройства
Сразу скажу, что настройка каждого такого генератора проводится исключительно экспериментально, рассчитать что либо кроме резонатора практически невозможно, поскольку схема высокочастотная, резонансная, и влияние паразитных емкостей и индуктивностей будет отличаться в каждом конкретном варианте сборки.
Советую делать все провода как можно короче (этим я немного пренебрег) и набраться терпения, если еще не страшно, продолжаем, я постараюсь объяснить все как можно подробнее 🙂
НЕБОЛЬШОЙ ДИСКЛЕЙМЕР: не подносите ближе одного метра к работающему генератору любое оборудование и электронику, это может повлиять на ее работу, или вывести из строя, не стоит использовать в качестве источника питания импульсные блоки питания, лучше всего аккумулятор или блок питания на основе сетевого трансформатора с выпрямителем. Температура факела превышает несколько тысяч градусов. Будьте осторожны!
Перед сборкой не помешает рассмотреть основные составные части генератора. Одной из них является обычный усилитель A-класса на MOSFET-транзисторе Q1. Цепь R1-R2-RP1-D1 задает необходимое начальное напряжение на затворе, и, как следствие, ток покоя каскада. Проще говоря, эта цепь позволяет как-бы «приоткрыть» транзистор для введения его в нужную область вольт-амперной характеристики и обеспечения работы транзистора «в режиме».
Дроссель L1 является нагрузкой каскада, и образует с конденсатором C1 Г-образный LC фильтр, подавляющий высокочастотные помехи, создаваемые генератором в цепях питания. Следующая часть — резонансный контур L2-C2-C3, образуемый индуктивностью и емкостным делителем напряжения C2-C3, к точке соединения конденсаторов которого подключен затвор транзистора Q1, обеспечив таким образом положительную обратную связь мы превратили усилитель в автогенератор, частота работы которого зависит от параметров колебательного контура L2-C2-C3. Последняя часть генератора — катушка L3, которая, как было описано выше, в паре с терминалом образует второй колебательный контур. На этом рассмотрение узлов устройства считаю исчерпывающим, переходим к сборке и настройке генератора.
Для начала соберем основу генератора: усилитель A-класса с Г-образным фильтром и цепью смещения затвора. Транзистор необходимо установить на массивный радиатор, нагрев в процессе работы будет адским. Хорошо подходят радиаторы охлаждения центральных процессоров ПК.
В качестве основания я выбрал стеклотекстолит, а также добавил винтовой зажимной разъем и выключатель в конструкцию
По центру разместился транзистор с обвязкой. Хорошо работают IRFP250N, IRFP260N, их я проверял лично, есть информация что подходит IRFP460N. Стабилитрон любой от 5.6 до 12 вольт (возможно, подойдет супрессор, сам не пробовал), резистор R1 1-1.5K, мощность не менее 0.5 ватта, R2 1-5.1K, мощность любая, подстроечный резистор PR1 10-100K, очень рекомендую взять многооборотистый, проще будет настраивать ток покоя.
Транзистор Q1 с обвязкой R1-R2-RP1-D1Слева от транзистора разместился керамический фильтрующий конденсатор, набранный из 20 элементов поверхностного монтажа емкостью по 4.7 мкФ каждый. Данная сборка должна иметь емкость 90-100 мкФ, рабочее напряжение в два раза больше питающего и обязательно состоять из любого количества керамических конденсаторов, обычные электролитические или танталовые конденсаторы при таком уровне и частоте пульсаций просто взрываются.
Далее мотаем и добавляем в конструкцию дроссель L1. Магнитопровод обязательно ферритовый, другие не работают, даже не всякие ферритовые хорошо работают, форма любая, габаритная мощность не менее 100 ватт, количество витков около 20, провод любой 0.8 и более мм диаметром, предпочтительно литцендрат или многожильный, количество витков и сердечник подбираются экспериментально. У меня лучше всего работало на двух ферритовых кольцах-фильтрах с проводов мощных блоков питания, соединенных вместе, намотал 22 витка каким-то проводом МГТФ, он хоть и тонковат, но многожильный и хорошо держит нагрев. Именно такой дроссель я и оставил в итоге.
Дроссель L1Теперь пора отрегулировать ток покоя. Подключаемся микроамперметром в разрыв точки соединения дросселя L1 и стока транзистора Q1, при этом контур L2-C2-C3 и катушка L3 должны быть отключены, выкручиваем подстроечный резистор RP1 в минимум и подаем 15-20 вольт на схему, этого более чем достаточно чтобы получить факел в сантиметр-полтора и настроить систему.
При этом все должно быть так как на схеме ниже. Медленно подкручиваем резистор RP1, пока ток покоя не будет в районе 150 мА, в дальнейшем его можно изменять при настройке, но после 250 мА сильно вырастает нагрев, а при токе ниже 100 мА может срываться или не запускаться генерация, оптимально 150-200 мА.
Настало время подключить контур L2-C2-C3. Катушка L2 особо не критична, должна иметь диаметр оправки 30-35 мм и 7-12 витков толстого провода, 1 и более миллиметра диаметром. Можно найти готовые катушки как на фото ниже, они достаточно распространены и идеально подходят для этой схемы, в странах постсоветского пространства их несложно найти практически на любом радиорынке ил радиобарахолке, параметры особо не критичны. Характеристики моей катушки: диаметр керамического основания 35 мм, 8 витков посеребренным медным проводом 2.5 мм диаметром. Катушка будет слегка нагреваться.
Контурная катушка L2Контурный конденсатор C3 должен быть обязательно высококварным, то есть должен работать с большими реактивными мощностями, идеально подходят конденсаторы К-15У, я испытывал два как на фото ниже, 100 пФ и 150 пФ, оба работают нормально, нагрев не более 40 градусов.
Другие конденсаторы, я испытывал КВИ-2 и КВИ-3, очень сильно греются, их диэлектрик не предназначен для работы на таких частотах и мощностях.
Конденсатор C2 в нижней части емкостного делителя напряжения любой керамический 250 и более вольт, но, почему-то хорошо работают именно КСО. Поскольку для настройки нужен большой ассортимент конденсаторов, а у меня есть мешок КСО, именно их я и испоьзовал.
Конденсатор C2Точного номинала C2 сказать невозможно, этот конденсатор подбирается исключительно экспериментально, поэтому убираем миллиамперметр, и собираем схему полностью, но без катушки L3 и терминала. Ставим с начала конденсатор C2 1нф, подаем питание и отверткой проверяем дугу с точки подключения резонатора. Если дуги нет, увеличиваем емкость C2. Проверить, началась ли генерация, можно неоновой лампочкой, поместив внутрь L2, если светится, значит все хорошо. При дальнейшем увеличении емкости C2 потребляемая мощность и дуга будет расти, до какого-то предела, затем генерация сорвется (то есть, при увеличении емкости, после какого то предела, дуга пропадет, а ток потребления резко упадет), нам надо подобрать емкость на 100-300 пФ ниже чем емкость, при которой происходит срыв.
Проще говоря, подбираем емкость C2 до тех пор, пока дуга и мощность не станет максимальной, но генератор будет стабильно запускаться и работать. У меня срывалась генерация при номинале C2 более 3,6 нФ, в итоге я оставил 3,4 нФ. Дуга при 15 вольтах питания получалась как на фото ниже. На этом настройка первого резонансного контура закончена.
Итак, финал близко! Переходим к расчету резонатора L3 и изготовлению терминала, для этого нам надо знать частоту работы генератора, измерить ее можно осциллографом или частотомером (НЕ ПОДКЛЮЧАЙТЕ измерительное оборудование напрямую к контуру, для измерения достаточно просто положить провод на расстоянии нескольких десятков сантиметров от работающего генератора) или поймать на SDR-радио и посмотреть центральную частоту на спектре. Частота моего экземпляра составила 11.75 МГц. Далее, исходя из диаметров оправки и провода рассчитываем катушку, так чтобы ее резонансная частота была равна частоте генератора, которую мы измерили, мотать надо проводом 0.
8 и более мм в диаметре, и на 20-30 процентов больше расчетного количества витков. Если рассчитывать не вариант, мотаем заведомо больше витков. Подсоединяем катушку L3 на свое место, и, отматывая по одному витку, начинаем поиск резонанса, который ознаменуется появлением факела. Когда факел будет максимально длинным, подключаем терминал. Резонанс немного уйдет, и надо будет отмотать еще несколько витков, чтобы факел с нашим терминалом был максимально большим. если вы отмотали лишнее, можно добавить виток снизу (так сделал я) или немного увеличить терминал. Катушка у меня получилась 64 витка по расчету, а фактически больше 70, диаметр оправки 32 мм, мотал проводом диаметром 1 мм. Фото катушки L3 вместе с терминалом ниже.
С разрядником отдельная история, он будет постоянно выгорать, лучше всего чтобы конструкция была модульной, например, как у меня, на винтовых зажимах, для того чтобы иметь возможность заменить рабочее тело терминала. А вот с материалом не все так просто, в идеале — вольфрам, но я использовал медь, благодаря хорошей теплопередаче на небольших мощностях выгорания практически не было, хороший вариант — графит, но он должен быть чистым, иначе стержень трескается, помимо этого графит после каждого остывания будет немного осыпаться.
Тело разрядника должно быть достаточно массивным, чтобы успевать рассеивать тепло от электрода без расплавления, но не иметь слишком большую длину, иначе окажет сильное влияние на емкость резонатора и уведет резонанс. На этом разбор отдельных элементов и настройку системы можно считать оконченной!
Заключение
Итак, статья вышла достаточно длинной, но я постарался объяснить все максимально подробно, если будут вопросы, вы можете задать их в комментариях, как увижу, непременно отвечу. Желаю удачи всем, кто собрался повторить проект, и давайте посмотрим на то, ради чего все мы здесь собрались — на электронный огонь:
Электронное пламяБуду рад, если статья оказалась полезной или интересной! Всем добра 🙂
Схемы простых генераторов-пробников, щупы-генераторы
В ремонтной и любительской практике для быстрой проверки исправности высокочастотных, низкочастотных радиотехнических цепей и дли обнаружения неисправностей в телевизорах, радиоприемниках н другой аппаратуре можно использовать следующие приборы.
1. Генератор-пробник на одном транзисторе (рис. 69,6) предназначен для быстрой проверки каскадов усилителей или радиоприемников.
Принципиальная схема генератора-пробника изображена на рис. 69,0. Он вырабатывает импульсное напряжение с амплитудой, достаточной для проверки предоконечных и входных каскадов усиления низкочастотных конструкций. Помимо основной частоты на выходе пробника будет большое количество гармоник, что позволяет пользоваться им и для проверки высокочастотных каскадов — усилителей промежуточной и высокой частоты, гетеродинов, преобразователей.
Генерация возникает за счет сильной положительной обратной связи между коллекторной и базовой цепями транзистора. Снимаемый с базовой обмотки трансформатора Трі сигнал подается через конденсатор С1 на потенциометр R1, регулирующий выходное напряжение пробника.
Трансформатор намотан на небольшом отрезке ферритового стержня. Обмотка I содержит 2000 витков провода ПЭЛ 0,07, а обмотка II — 400 витков провода ПЭЛ 0,1.
Транзистор типа МП39—МП42. Батарея питания — элемент «332» напряжением 1,5 В или малогабаритный аккумулятор типа ДіОД.
Пробник собирается в небольшом футляре (рис. 60,6). Для подключения к шасси или общему проводу проверяемой конструкции выводится гибкий монтажный провод с зажимом «крокодил» иа конце.
Рис. 69, Геиератор-пробник на одном транзисторе
В качестве металлического щупа используется медицинская игла от шприца «Рекорд». На торце футляра устанавливается потенциометр, на ручке которого нанесена риска, позволяющая судить о выходном сигнале.
2. Генератор-пробник на двух транзисторах без трансформатора (рис. 70) вырабатывает прямоугольные импульсы и позволяет проверять все каскады усилителя или радиоприемника.
Рис. 70, Генератор-пробник на двух транзисторах
Причем частоту колебаний можно изменять емкостью конденсатора С1: с увеличением емкости частота понижается. А изменение сопротивления резисторов влияет иа форму выходных колебаний: с увеличением R2 и уменьшением R3 нетрудно добиться синусоидальных колебаний на выходе и превратить таким образом пробник в звуковой генератор с фиксированной частотой.
Транзисторы, батарея питания и внешнее оформление такие же, как и в генераторе-пробнике на одном транзисторе.
3. Щуп-генератор радиолюбительский предназначен для проверки исправности высокочастотных и низкочастотных радиотехнических цепей бытовой аппаратуры (радиоприемники, телевизоры, магнитофоны). Принципиальная схема щупа изображена на рис. 71. Представляет собой мультивибратор, собранный на транзисторах 77, Т2. Снимаемый сигнал прямоугольной формы, частота колебаний порядка 1000 Гц, амплитуда импульсов не менее 0,5 В. Щуп-генератор собран в пластмассовом корпусе, длина щупа вместе с иглой 166 мм, диаметр корпуса 18 мм.
Питание от одного элемента «316» напряжением 1,5 В. Для включения щупа-генератора необходимо нажать кнопку и острием щупа коснуться проверяемого каскада прибора. Каскады рекомендуется проверять последовательно, начиная от входного устройства.
Рис. 71. Щуп-генератор радиолюбительский
При исправности проверяемого каскада на выходе будет прослушиваться характерный звук (динамик, телефон) или полоса (кинескоп).
При проверке приборов, не имеющих на выходе динамика или кинескопа, индикатором могут служить высокоомные головные телефоны типа ТОН-2. Категорически запрещается проверять цепи с напряжением выше 250 В.
При проверке цепей касаться руками корпуса проверяемого прибора запрещается.
4. Малогабаритный прибор для обнаружения неисправностей в телевизорах, радиоприемниках и другой бытовой радиоаппаратуре посредством прослушивания звука в динамике проверяемого устройства, наблюдения изображения на экране телевизора или подключения на выход проверяемого устройства другого индикатора (вольтметр, головные телефоны, осциллограф и т. п.).
Прибор позволяет проверять в телевизорах: сквозной канал, канал изображения, канал звука, цепи синхронизации, линейность кадровой развертки; в радиоприемниках: сквозной тракт, канал УПЧ, детектора и УНЧ.
Прибор представляет собой генератор сигнала сложной формы. Низкочастотная составляющая сигнала имеет частоту повторения 200— 850 Гц.
Высокочастотная составляющая имеет частоту 5—7 МГц. Указанный сигнал позволяет получать 2—20 горизонтальных полос на экране телевизора и звук в динамике.
Рис. 72. Малогабаритный прибор для обнаружения неисправностей в телевизорах
Напряжение сигнала на выходе прибора регулируется потенциометром. Прибор питается от батареи «Крона-ВЦ». Потребляемый ток не более 3 мА.
Габаритные размеры прибора без гибкого вывода не более 245 X X 35 X 28 мм. Длина гибкого вывода не менее 500 мм. Масса прибора не более 150 г.
Электрическая схема прибора изображена иа рис. 72, а. Генератор с прерывистым возбуждением выполнен на транзисторе 77 по схеме с общей базой.
Прерывистое возбуждение генератора обеспечивает наличие в цепи эмиттера цепочки R3, С4. Сигнал на эмиттере транзистора 77 складывается из прерывистого высокочастотного напряжения и напряжения заряда и разряда конденсатора С4.
На транзисторе Т2 выполнен эмитерный повторитель, служащий для повышения стабильности работы генератора и уменьшения входного сопротивления прибора.
Регулировка выходного уровня сигнала производится с помощью потенциометра R5.
Корпус прибора выполнен в виде двух разъемных крышек, изготовленных из ударопрочного полистирола (рис. 72,6).
Крышки соединяются с помощью винта и наконечника, который также используется для подключения прибора к проверяемому устройству. В корпусе размещается плата прибора и батарея питания «Крона-ВЦ». К шасси проверяемого устройства прибор подключается зажимом типа «крокодил».
Для определения неисправности усилительных трактов схему проверяют покаскадно, начиная с конца проверяемого тракта. Для этого на вход каскада подают сигнал касанием наконечника прибора, при этом отсутствие сигнала на индикаторе (экран телевизора, динамик, вольтметр, осциллограф, головные телефоны и т. д.) будет свидетельствовать о неисправности каскада.
Для определения нелинейности изображения по вертикали необходимо: получить изображение горизонтальных полос; измерить минимальное и максимальное расстояние между двумя соседними полосами; определить нелинейность по вертикали по формуле:
где Н — нелийность, %; Iмакс — максимальное расстояние между полосами; Iмнннм — минимальное расстояние между полосами.
Об устойчивости синхронизации изображения судят по устойчивости горизонтальных полос на экране телевизора.
Следует иметь в виду, что прибор рассчитан на подключение к точкам электрических схем, напряжение которых не превышает 250 В относительно корпуса. Под напряжением понимается сумма постоянного и импульсного напряжений, действующих в схеме.
Простой генератор прямоугольных импульсов
Радио 2002, 5
Обычно генераторы прямоугольных импульсов строятся на основе симметричного мультивибратора с биполярными транзисторами одинаковой структуры и с двумя частотно-определяющими цепями. Однако можно построить более простой генератор на двух транзисторах разной структуры (см. рис. 1) только с одной частотно-определяющей цепью.
Рисунок 1. Схема генератора прямоугольных импульсов
C1 — 470 пФ, VT1 — BC547, VT2 — BC557
Схема работает так: при подаче напряжения питания (конденсатор С1 не заряжен) транзистор VT1 начинает проводить ток, протекающий через резистор смещения R1.
Коллекторный ток этого транзистора является током базы для транзистора VT2 и этот коллекторный ток открывает транзистор VT2. Напряжение на коллекторной нагрузке транзистора VT2 увеличивается через сеть C1R2, и это дополнительно открывает транзистор VT1, в результате чего происходит лавинный процесс открытия двух транзисторов — это формирование фронта прямоугольного импульса.
Длительность импульса определяется зарядкой конденсатора С1 через резистор R2. По мере заряда конденсатора С1 ток базы транзистора VT1 уменьшается, и наступает момент, когда начинается лавинный процесс закрывания обоих транзисторов. На нагрузке формируется спадающий фронт импульса. Длительность между импульсами определяется длительностью разряда конденсатора С1 током, протекающим через резисторы R1 и R2. Затем процесс повторяется.
Работу генератора можно объяснить по-разному. Схема двухкаскадного усилителя имеет положительную обратную связь (цепь R2C1) и одновременно усилитель переводится в линейный режим транзистора VT1 подачей смещения на его базу через резистор R1.
Генератор стабильно работает при напряжении питания от 1,5 до 12 В, а ток потребления от 0,15 мА до нескольких мА. Амплитуда выходных импульсов на «Выходе 1» составляет чуть более половины напряжения питания, а на «Выходе 2» примерно в 10 раз меньше. При желании можно добавить еще один каскад делителя напряжения (1/100), вставив резистор 24 Ом между нижним выводом резистора R4 и общим проводом.
При номиналах компонентов, показанных на рис. 1, а при напряжении питания 2,5 В ток потребления цепи 0,2 мА, частота 1000 Гц, скважность 50% (меандр), амплитуда сигнала на «Выходе 1» 1В .
Конечно, в таком простом генераторе параметры сигнала существенно зависят от напряжения питания.
Поэтому генератор следует настроить на то же напряжение, с которым он будет использоваться. В случае отсутствия генерации подкорректировать номинал резистора R1 и, возможно, R5 (заменить резисторами другого номинала). Скважность устанавливается подбором номинала резистора R2.
Одно из возможных применений этого генератора — мигающая лампочка. Затем нагрузку (светодиод или лампу накаливания) включают последовательно с резистором R5, а с помощью конденсатора С1 емкостью 1 мкФ получают частоту колебаний около 0,5…1 Гц. Для получения необходимой яркости света номинал резисторов R3, R5 можно уменьшить, а резистор R4 исключить за ненадобностью.
В. Поляков, Москва
Скачать модель схемы LTSpice: simple_square_wave_generator_circuit_e.asc. В нем используются транзисторы КТ315Г и КТ361Г. Загрузите модели этих транзисторов из PSpice и вставьте их в файл «LTspiceIV\lib\cmp\standard.bjt» LTSpice.
НАЗАД
Справочник по биполярным транзисторам — часть 6
» Перейти к дополнительным материалам
Два наиболее широко используемых типа схем генераторов сигналов на транзисторах — это типы генераторов, которые производят синусоидальные волны и используют транзисторы в качестве линейного усиления.
элементы, и типы мультивибраторов, которые генерируют сигналы прямоугольной или прямоугольной формы и используют транзисторы в качестве цифровых переключающих элементов.
Наша последняя статья посвящена практическим схемам генераторного типа. На этот раз мы опишем способы использования биполяров для создания практичных схем генераторов сигналов типа мультивибраторов.
ТИПЫ ЦЕПЕЙ МУЛЬТИВИБРАТОРОВ
Мультивибраторы представляют собой схемы с двумя состояниями (выход высокий или низкий уровень), которые можно переключать между одним состоянием и другим с помощью подходящего запускающего сигнала, который может генерироваться как внутри, так и снаружи. Существует четыре основных типа мультивибрационных (мульти) схем, и все они полезны в приложениях, генерирующих сигналы. Из этих четырех нестабильный имеет два квазистабильных состояния и используется в качестве автономного генератора прямоугольных импульсов. Моностабильный имеет одно стабильное и одно квазистабильное состояние и используется в качестве запускаемого генератора импульсов.
Бистабильный сигнал имеет два устойчивых состояния и может использоваться в качестве генератора импульсов стоп/старт или высокого/низкого сигнала. Наконец, Schmitt имеет два устойчивых состояния, чувствительных к входному напряжению, и может использоваться в качестве преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный или порогового переключателя.
ОСНОВЫ НЕСТАБИЛЬНОГО МУЛЬТИВИБРАТОРА
На рис. 1 показана схема и сгенерированные сигналы простого нестабильного мультивибратора с частотой 1 кГц, в котором два транзистора перекрестно связаны (от коллектора к базе) через цепи таймеров C1-R1 и C2-R2. . Основное действие схемы таково, что в момент первоначального включения питания в цепь неизбежные различия в точных характеристиках Q1 и Q2 заставляют один транзистор включаться немного быстрее, чем другой, а затем перекрестная связь вызывает рекуперативную рекуперацию. действие переключения, при котором один транзистор резко включается, а другой резко выключается.
РИСУНОК 1. Схема и осциллограммы базового нестабильного мультивибратора с частотой 1 кГц.
После задержки, определяемой постоянной времени C1-R1 или C2-R2, выключенный транзистор снова начинает включаться, а затем перекрестная связь вызывает другое регенеративное действие, при котором два транзистора снова резко меняют состояние. Затем весь процесс повторяется до бесконечности. Таким образом, базовая схема (рис. 1) действует как автоколебательный регенеративный переключатель, в котором периоды включения и выключения контролируются постоянными времени C1-R1 и C2-R2. Если эти постоянные времени равны (C1=C2=C и R1=R2=R), схема действует как генератор прямоугольных импульсов и работает на частоте около 1/(1,4CR). Частоту можно уменьшить, увеличив значения C или R, или увеличить, уменьшив значения C или R, или ее можно сделать переменной, используя сдвоенные переменные резисторы (последовательно с ограничительными резисторами 10K) вместо R1 и R2.
Выходы могут быть взяты с любого коллектора, и два выхода находятся в противофазе. Рабочая частота схемы Рис. 1 практически не зависит от напряжения питания в диапазоне от 1,5 В до 9,0 В; верхний предел напряжения задается тем, что при изменении состояния транзисторов в конце каждого полупериода переход база-эмиттер закрытого смещается в обратном направлении на величину, почти равную напряжению питания, и будет стабилитроном ( и нарушить действие синхронизации), если это напряжение превышает значение обратного напряжения пробоя перехода (которое обычно составляет около 10 В).
Эту проблему можно решить, соединив кремниевый диод последовательно с входом каждого транзистора, чтобы поднять его эффективное значение стабилитрона до значения диода, как показано на рис. 2 .
РИСУНОК 2. Пример нестабильного мультивибратора с широким диапазоном напряжения питания 1 кГц.
Эта защищенная схема может использоваться с любым источником питания в диапазоне от 3 В до 20 В и обеспечивает изменение частоты всего на 2 % при изменении напряжения питания от 6 В до 18 В.
Это отклонение может быть сведено к минимуму. 0,5% путем включения дополнительного компенсационного диода последовательно с коллектором каждого транзистора, как показано на схеме Рисунок 3 .
РИСУНОК 3. Высокостабильный вариант базовой схемы неустойчивого мультивибратора 1 кГц Рисунок 2.
ВАРИАНТЫ НЕСТАБИЛЬНОЙ ЦЕПИ
Базовую нестабильную схему Рис. Некоторые из наиболее популярных вариантов показаны на рисунках с 4 по 9 .
Одним из недостатков базовой схемы Рисунок 1 является то, что передние фронты его выходных сигналов слегка закруглены — чем больше номиналы времязадающих резисторов R1-R2 относительно резисторов нагрузки коллектора R3-R4, тем более прямоугольными становятся фронты. Фактически, максимально допустимые значения R1-R2 ограничены h или x R3 (или R4), и один из очевидных способов улучшить форму сигнала состоит в том, чтобы заменить Q1 и Q2 парами транзисторов, соединенных Дарлингтоном, а затем использовать очень большие Значения R1 и R2, как и в Рисунок 4 Схема , в которой резисторы R1 и R2 могут иметь значения до 12M, и схема может использовать любое питание от 3 В до 18 В.
С показанными значениями R1-R2 схема дает общий период или время цикла около одной секунды на мкФ, когда C1 и C2 имеют одинаковые значения, и дает превосходный прямоугольный сигнал на выходе. Закругление переднего фронта схемы Рисунок 1 можно устранить, используя модификации Рисунок 5 , в котором управляющие или корректирующие диоды D1 и D2 автоматически отключают соответствующие времязадающие конденсаторы от коллекторов транзисторов в момент переключения транзисторов. Основные постоянные времени схемы задаются C1-R1 и C2-R2, но эффективные коллекторные нагрузки Q1 и Q2 равны параллельным сопротивлениям R3-R4 или R5-R6.
РИСУНОК 5. 1 кГц нестабильный с коррекцией формы сигнала через управляющие диоды D1 и D2.
Небольшой недостаток базовой схемы Рис. 1 заключается в том, что если ее питание медленно поднять от нуля до нормального значения, оба транзистора могут включиться одновременно, и генератор не запустится.
Эту проблему можно преодолеть, используя схему уверенного пуска (рис. 6, ), в которой времязадающие резисторы подключены к коллекторам транзисторов таким образом, что одновременно может быть включен только один транзистор.
РИСУНОК 6. 1 кГц нестабильный с возможностью уверенного старта.
Все нестабильные схемы, показанные до сих пор, дают симметричные формы выходных сигналов с соотношением меток/пробелов 1:1. Несимметричную форму волны можно получить, сделав один набор нестабильных постоянных времени больше другого. На рис. 7 показан генератор с фиксированной частотой (1100 Гц), в котором отношение метка/пробел регулируется от 1:10 до 10:1 с помощью RV1.
РИСУНОК 7. Базовый генератор 1100 Гц с переменным соотношением метки/пространства.
Передние фронты выходных сигналов вышеописанной схемы могут быть нежелательно закруглены, когда регулятор отметок установлен в крайнее положение.
Кроме того, схема может не запуститься, если ее питание подается слишком медленно. Оба эти препятствия преодолеваются в схеме Рисунок 8 , оснащенный диодами уверенного пуска и коррекции формы сигнала.
РИСУНОК 8. Генератор с переменным отношением меток/промежутков, 1100 Гц, коррекцией формы сигнала и функцией уверенного пуска.
Наконец, . На рис. 9 показана базовая нестабильная схема, модифицированная таким образом, что ее частота изменяется в диапазоне 2:1 (от 20 кГц до 10 кГц) с помощью одного модулируется внешним низкочастотным сигналом. Верхние выводы времязадающих резисторов R3 и R4 подключены к потенциометру RV1, и частота наибольшая, когда потенциометр находится на положительной линии питания. Частотная модуляция получается путем подачи низкочастотного сигнала на вершины R3-R4 через C4; C3 имеет низкий импеданс для несущего сигнала, но высокий импеданс для модулирующего сигнала.
РИСУНОК 9.
Нестабильный с переменной частотой и FM.
МОНОСТАБИЛЬНЫЕ БАЗОВЫЕ
Моностабильные мультивибраторы представляют собой генераторы импульсов и могут запускаться либо электронным способом, либо вручную. На рис. 10 показана схема последнего типа, которая запускается подачей положительного импульса на базу Q2 через S1 и R6. Эта схема работает следующим образом. Обычно Q1 приводится в насыщение через R5, поэтому выход (коллектор Q1) низкий. Q2 (который получает смещение базы от коллектора Q1 через R3) отключается при этом условии, поэтому C1 полностью заряжен. Когда пусковой сигнал подается на базу Q2 через S1, Q2 включается, и его коллектор переходит в низкий уровень, смещая базу Q1 в обратном направлении через C1 и, таким образом, инициируя действие рекуперативного переключения, при котором Q1 выключается (и его выход переключается в высокий уровень) через C1. отрицательный заряд, и Q2 включается через R1-R3 после отпускания S1. Как только переключение завершено, C1 начинает разряжаться через R5 до тех пор, пока его заряд не упадет до такого низкого значения, что Q1 снова начнет включаться, тем самым инициируя другое регенеративное действие, при котором транзисторы возвращаются в исходное состояние, а выходной импульс прекращается, завершая действие.
РИСУНОК 10. Базовый генератор моностабильных импульсов с ручным запуском.
Таким образом, положительный импульс формируется на выходе Q1 каждый раз, когда через S1 подается входной триггерный сигнал. Период импульса (P) определяется значениями R5-C1 и приблизительно равен 0,7 x R5 x C1, где P в мСм, C в мкФ и R в кОм, и в показанном примере равен примерно 50 мСм/мкФ. . На практике схема (рисунок 10 ) может запускаться либо подачей отрицательного импульса на базу Q1, либо положительного импульса на базу Q2 (как показано). Обратите внимание, что переход база-эмиттер транзистора Q1 смещен в обратном направлении на пиковую величину, равную V SUPPLY во время рабочего цикла, что ограничивает максимальное используемое напряжение питания примерно до 9 В. Более высокое напряжение питания можно использовать, подключив кремниевый диод последовательно с базой Q1, как показано D1 на схеме, чтобы получить ту же частоту.
корректирующее действие, как описано ранее для нестабильной схемы.
ДЛИТЕЛЬНЫЕ ЗАДЕРЖКИ
Значение времязадающего резистора R5 должно быть большим по сравнению с R2, но должно быть меньше, чем произведение значений R1 и Q1 h fe . Очень длинные периоды времени можно получить, используя пару транзисторов Дарлингтона или Супер-Альфа вместо Q1, что позволяет использовать большие значения R5, как показано на рисунке 9.0051 Рисунок 11 Схема , которая дает период импульса около 100 секунд с показанными значениями компонентов.
РИСУНОК 11. Долгопериодная (100 секунд) моностабильная схема.
Важно отметить, что базовая схема Рис. 10 фактически срабатывает в момент подачи (через S1 и R6) положительного импульса на базу Q2. Если этот импульс удалить до того, как моностабильный завершит свой естественный временной период, импульс завершится регенеративно, как уже было описано, но если триггерный импульс не будет удален (через S1) в это время, моностабильный период закончится нерегенеративно и будет иметь более длительный период и время падения, чем обычно.
Эту проблему можно устранить, используя электронный (а не ручной) запуск, как описано в следующем разделе.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАПУСК
На рисунках 12 и 13 показаны альтернативные способы применения электронного запуска к моностабильному генератору импульсов. В каждом случае схема запускается входным сигналом прямоугольной формы с коротким временем нарастания. Этот сигнал дифференцируется C2-R6, чтобы произвести короткий импульс запуска. В схеме, показанной на рис. 12, дифференцированный входной сигнал различается D1, чтобы обеспечить положительный импульс запуска на базе Q2 каждый раз, когда подается внешний сигнал запуска. В Рисунок 13 , дифференцированный сигнал подается на Q3, что позволяет триггерному сигналу быть полностью независимым от Q2. Обратите внимание, что в последней схеме ускорительный конденсатор C3 подключен к резистору обратной связи R3, чтобы улучшить форму выходного импульса схемы.
РИСУНОК 12.
Моностабильный с электронным управлением.
Каждая схема Рисунок 12 и 13 дает период выходного импульса около 110 мс с показанными значениями компонентов. Период может варьироваться от долей миллисекунды до многих секунд путем выбора значений C1-R5. Схемы могут запускаться синусоидальными или другими непрямоугольными сигналами, подавая их на моностабильный вход через триггер Шмитта или аналогичную схему синусоидального/прямоугольного преобразователя (см. 9).0051 Рисунок 20 ).
РИСУНОК 13. Моностабильный с запуском по входу затвора.
БИСТАБИЛЬНЫЕ ЦЕПИ
Бистабильные мультивибраторы являются хорошими генераторами сигналов стоп-старт. Его выход можно установить в высокое состояние, кратковременно замкнув S1 (или подав отрицательный импульс на базу Q1 через токоограничивающий резистор), тем самым выключив Q1 (и одновременно включив Q2 через перекрестную связь R3), и Затем схема фиксируется в этом состоянии до тех пор, пока она не будет сброшена в состояние низкого уровня путем кратковременного замыкания S2 (или подачи отрицательного импульса с ограничением тока на базу Q2), тем самым отключая Q2 и, следовательно, включая Q1 через перекрестную связь R4.
РИСУНОК 14. Базовый мультивибратор R-S с ручным запуском.
Запирающее действие базовой схемы Рис. 14 основано на том факте, что напряжение насыщения (обычно 200 мВ) включенного транзистора значительно ниже, чем напряжение смещения базы (обычно 600 мВ) противоположного устройства. На практике эти идеальные условия могут не выполняться, если транзистор не изготовлен из кремния хорошего качества, или если он работает при чрезмерно высокой температуре или с малой нагрузкой коллектора. В сомнительных случаях надежность схемы можно значительно повысить, используя модификации, показанные на усовершенствованной схеме 9.0051 Рисунок 15
д.РИСУНОК 15. мультивибратор с низкочастотным срабатыванием.
Схемы , рис. 14, и 15, , обе обеспечивают срабатывание переключателя по низкому уровню, при котором схема меняет состояние, когда включенный транзистор выключается путем перевода его базы в низкий уровень с помощью переключателя или подачи отрицательного импульса. к его основанию.
На рис. 16 показана альтернативная версия базовой бистабильной схемы с ручным запуском, в которой схема дает действие переключения высокого уровня, в котором схема меняет состояние, когда выключенный транзистор включается, переводя его базу в высокий уровень через переключатель или подачей на его базу положительного импульса с ограничением по току.
РИСУНОК 16. Бистабильный R-S с ручным запуском и переключением по высокому уровню.
Обратите внимание, что при первоначальной подаче питания на основной 
При желании базовую схему можно настроить на автоматическое переключение в желаемое начальное состояние при включении питания путем автоматической подачи подходящего запускающего импульса на базу одного или другого из двух транзисторов, как показано на . Рис. 17 , который показывает основные Рис. 15 Схема
РИСУНОК 17. Базовая схема (рис. 15) модифицирована для обеспечения действия SET при первом включении питания.
Одним из наиболее полезных применений базового бистабильного мультивибратора является схема таймера с кнопочным управлением, в которой выходной сигнал автоматически становится высоким при включении питания или замыкании кнопочного пускового выключателя, но остается низкий снова автоматически после предустановленной задержки.
РИСУНОК 18. Принципиальная схема бистабильного мультивибратора с ручным запуском и автосбросом по времени.
Наконец, прежде чем покинуть базовую схему бистабильного мультивибратора, обратите внимание, что ее можно изменить, подключив два управляющих диода и соответствующие компоненты, как показано на рис. изменяет состояние каждый раз при подаче отрицательного триггерного импульса. Схема генерирует пару противофазных выходных сигналов, известных как Q и не-Q (обозначенных чертой над знаком Q на диаграмме).
