Опубликовано

Мультивибратор на реле и конденсаторе

Эта схема подойдет в тех случаях, когда генератор нужен «здесь и сейчас» и нет времени на серьезную конструкцию (скажем, через час Новый Год, а гирлянды не мигают), элементная база небогатая, а требования к генератору невысоки. Как видно из схемы, для построения этого генератора понадобится лишь электромагнитное реле с двумя группами контактов, электролитический конденсатор и резистор.

Рассмотрим схему устройства. При подаче питания, через резистор R1 и нормально замкнутые контакты К1.1 реле К1 начинается зарядка конденсатора С1. Скорость зарядки зависит от сопротивления резистора и емкости конденсатора. Как только напряжение на конденсаторе достигнет величины, достаточной для срабатывания реле, оно сработает и контакты К1.1 разомкнутся. Одновременно замкнутся (или разомкнутся) контакты второй группы (на схеме не показаны), отвечающие за нагрузку.

После размыкания контактов К1.1 реле будет питаться лишь энергией, запасенной конденсатором С1. Как только энергия иссякнет и напряжение на обмотке станет ниже напряжения отпускания, реле отпустит. Контакты К1.1 снова замкнутся и процесс повторится.

Как видно из схемы, частоту переключения генератора можно варьировать в широких пределах величиной емкости конденсатора, номинал же резистора должен быть таким, чтобы напряжение на обмотке реле было достаточным для его надежного срабатывания. Напряжение питания устройства указано условно и будет зависеть от типа применяемого реле. Конденсатор, конечно, должен быть рассчитан на напряжение не ниже напряжения источника питания или хотя бы не ниже напряжения срабатывания реле.

При указанных на схеме номиналах элементов и использовании электромагнитного реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) частота переключения генератора будет около 1 Гц. При построении схемы, конечно, нужно учитывать, что такие «генераторы» не смогут работать на сколько нибудь высоких частотах – ведь они механические в буквальном смысле.

Посмотреть те или иные характеристики наиболее распространенных электромагнитных реле можно в нашем справочнике.

А.Н.Евсеев, «Электронные устройства для дома»,1994 г.

Скважность

Сигнал с различным коэффициентом заполнения D

Сква́жность (в физике, электронике) — безразмерная величина, один из классификационных признаков импульсных систем, определяющий отношение периода следования (повторения) импульсов к длительности импульса. Часто используется величина, обратная скважности, которая называется коэффициент заполнения (англ. duty cycle).

Таким образом, для импульсного сигнала справедливы следующие соотношения:

S = T τ = 1 D , {\displaystyle S={\frac {T}{\tau }}={\frac {1}{D}},} D = τ T = 1 S , {\displaystyle D={\frac {\tau }{T}}={\frac {1}{S}},}

где S {\displaystyle S} — скважность, D {\displaystyle D} — коэффициент заполнения, T {\displaystyle T} — период импульсов, τ {\displaystyle \tau } — длительность импульса.

T {\displaystyle T} — период импульсов, τ {\displaystyle \tau } — длительность импульса

Скважность и коэффициент заполнения — безразмерные величины, однако коэффициент заполнения часто указывают в процентах. Коэффициент заполнения в ряде применений более удобен, поскольку его относительное изменение происходит в интервале от 0 до 1, тогда как соответствующая скважность изменяется от бесконечности до 1.

Понятие скважности используется, например, в радиолокации, где эта величина определяет отношение пиковой мощности импульсной установки (например, передатчика радиолокационной станции) к её средней мощности и является важным показателем работы импульсных систем.

Известный в радиотехнике сигнал меандр имеет скважность 2 (коэффициент заполнения 0,5). Скважность импульсов в радиолокационных станциях может достигать тысяч.

> См. также

Сотворим вместе

2-2. Сборка генератора (схема 4 и 4k) :
Генератор импульсов (схема 4) собирается на двух элементах микросхемы К155ЛА3, включённых инверторами. Частота мигания (количество импульсов в секунду) зависит от величины сопротивления R1 и конденсатора C1. К выводу 6 (выход второго элемента микросхемы, он же и выход генератора) через токоограничивающее сопротивление R2 подключён светодиод VD1. Если он замигает после подачи питания на макетку, то схема собрана правильно.

DD1 – К155ЛА3, R1 – 330 Ом, R2 – 1 кОм, С1 – 470,0 мкФ.
На изображении собранный генератор :

Внимание !
В сборке элементом R1 является соединение из трёх сопротивлений с номиналом 1 кОм, а не одно сопротивление с номиналом 330 Ом.
2-3. Общие рекомендации по сборке :
1. Выводы 1-2 и 3-4-5 микросхемы соединяются между собой. При этом, не следует использовать длинные перемычки; они только занимают пространство, а это мешает установке других деталей и способствуют появлению замыканий между элементами схемы. Для таких соединений лучше использовать короткие перемычки из отрезков оголённого провода (освободив часть провода от изоляции, отрезается 20 мм и делается загиб — правое изображение).
2. При сборке выводные элементы (сопротивления, конденсатор и светодиод) следует устанавливать так, чтобы вероятность замыкания между выводами от разных цепей была минимальна.
3. Если для работы выделяются сопротивления номиналом 1 кОм, а в схеме 4 номинал сопротивления R1 = 330 Ом, то как быть ? Обратите внимание на пункт 1 раздела Теория (начало первого сообщения этого задания).
2-4. Этапная сборка схемы 4 (с проверкой этапов) :
— подключите питание к выводам микросхемы (7-GND; 14-VCC).
— установите сопротивление R2 и светодиод VD1. После подачи питания светодиод должен постоянно светиться. Объясните, почему он светится ?


— установите перемычки между контактами 1-2, 4-5 микросхемы. После подачи питания светодиод должен также светиться.
— установите перемычку между контактами 3-4 микросхемы. После подачи питания светодиод не должен светиться. Объясните, почему он не светится ?
— установите элементы R1 и C1. После подачи питания светодиод должен постоянно мигать.
2-5. Схема 4k и выполнение задания :
На следующем изображении 4-я схема с небольшим изменением (светодиод включён катодом к земле – Схема 4k).

DD1 – К155ЛА3, R1 – 330 Ом, R2 – 1 кОм, С1 – 470,0 мкФ.
Внесите нужные схемные изменения в монтаж. После подачи питания светодиод должен мигать. Светодиод в схеме подключён через сопротивление к выходу генератора (вывод 6 — сигнал C) и служит для индикации его работы.
Задание по схеме 4k :
При сборке схемы 4k генератора участвуют два логических элемента микросхемы (1,2-3; 4,5-6), а два элемента остались не задействованными (13,12-11; 10,9-8). Необходимо собрать второй генератор на свободных элементах микросхемы.

Порядок действий :
— В тетрадке начертите схему 4k генератора без обозначения номеров выводов (1,2-3; 4,5-6) микросхемы К155ЛА3.

— Закончите схему, указав на освободившемся месте новые номера выводов от ранее не задействованных элементов микросхемы(13,12-11; 10,9-8)
— Выполните сборку второго генератора согласно новой схеме.
При правильной сборке два светодиода (от двух генераторов) должны мигать.
2-6. Сборка генератора (схема 5) :

DD1 – К155ЛА3, R1-R3 – 1 кОм, С1 – 470,0 мкФ.
— выполните сборку на макетке в соответствии с принципиальной электрической схемой (схема 5),
— зарисуйте схему в рабочей тетрадке и найдите более оптимальный вариант сборки схемы,
— внесите коррективы в схему и в сборку :

2-7. Сборка генератора (схема 7) :

DD1 – К155ЛА3, R1-R4 – 1 кОм, С1 – 470,0 мкФ.

2-8. Сборка генератора (схема 6) :
Сравните, ранее собранную, схему 4k (см. выше) и следующую 6-ую схему. В 6-ой схеме — уже два генератора.

DD1 – К155ЛА3, R1-R3 – 1 кОм, R4-330 Ом, С1 – 470,0 мкФ, C2 – 47,0 мкФ.
Величину сопротивления R1 можно уменьшить до 500 Ом (!!!). Для индикации к выходам генераторов через сопротивления подключены светодиоды VD1, VD2. Обратите внимание на правильность их подключения — катодами к линии GND. Соединение, обозначенное на схеме и на сборке знаком (!), устанавливается в последнюю очередь.

На схемах 4-7 изображены простые схемы генераторов на микросхеме К155ЛА3.
2-9. Период, скважность, частота :
Если схема генератора собрана правильно, то светодиод, подключенный к выходу генератора, должен мигать (при соответствующих параметрах RC элементов). Или, светодиод периодически светится и не светится.

По схеме 4k светодиод VD1 будет светиться при высоком уровне напряжения на выходе генератора (вывод 6, сигнал C), и не будет светиться – при низком уровне напряжения. Форма периодически меняющегося выходного сигнала генератора показана на следующем изображении :

Временной отрезок с высоким уровнем напряжения (импульс) и низким (пауза) в сумме составляют величину T, при этом они периодически повторяются. Т – это Период или промежуток времени, через который повторяются значения напряжений.
Если длительность импульса и паузы равны, то такой периодический сигнал прямоугольной формы называется Меандр.
T = k * R1 * C1 — формула, по которой определяется период, при этом, величина коэффициента k может меняться в зависимости от схемы.
Например :
для схемы 5 формула примет вид — Т = 2 * R1 * C1,
а для схем 4 или 4k точней будет при — Т = 3 * R1 * C1.
Из формулы следует, что длительность периода или частота мигания светодиода зависит от номиналов сопротивления R1 и конденсатора C1.
Важно отметить :
— в большинстве схем генераторов, построенных на элементах 155 серии, номинал сопротивления должен быть менее 500 Ом (только тогда генератор будет работать).
— временные отрезки импульса и паузы будут почти равными при R1=100 Ом, а при увеличении сопротивления R1 длительности импульса и паузы начинают отличаться друг от друга и даже в несколько раз при максимальной величине сопротивления.
Если время периода T поделить на время длительности импульса (высокий уровень напряжения), то получим величину Скважности (S). При меандре S = 2, а если длительность импульса меньше длительности паузы, то величина S > 2.
Частота — f = 1/T — как часто или сколько проходит импульсов и пауз (периодов) в течение одной секунды.
Например, при T = 0.5 сек (полсекунды), f = 1 / 0.5 c = 2 Гц (за секунду можно заметить две вспышки светодиода).
Но, чем частота ближе к значению 25 Гц, тем хуже человеческий глаз будет различать световые вспышки светодиода и паузы между ними. Свечение светодиода постепенно сливается, и при частоте более 25 Гц он будет как бы постоянно светиться. Для этого попробуйте изменять номиналы элементов.
2-10. Задание по схеме 6 :
Схема 6 состоит из двух генераторов.

— в сборке временно уберите соединение, обозначенное (!),
— подсчитайте периоды для обоих генераторов,
— нарисуйте две временные диаграммы с выводов 6 и 8 мс (располагая — вторая под первой),
— установите соединение (!),
— нарисуйте (под первыми двумя) опять временную диаграмму с вывода 8 мс (при наличии соединения (!) ),
— объясните логику работы второго генератора (вывод 8 мс).

Симметричный мультивибратор

Если разобраться, вся электроника состоит из большого числа отдельных кирпичиков. Это транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы. А уже из этих кирпичиков можно сложить всё, что угодно.

От безобидной детской игрушки издающей, например, звук «мяу», до системы наведения баллистической ракеты с разделяющейся головной частью на восемь мегатонных зарядов.

Одной из очень известных и часто применяющихся в электронике схем, является симметричный мультивибратор, который представляет собой электронное устройство вырабатывающее (генерирующее) колебания по форме, приближающиеся к прямоугольной.

Мультивибратор собирается на двух транзисторах или логических схемах с дополнительными элементами. По сути это двухкаскадный усилитель с цепью положительной обратной связи (ПОС). Это значит, что выход второго каскада соединён через конденсатор со входом первого каскада. В результате усилитель за счёт положительной обратной связи превращается в генератор.

Для того чтобы мультивибратор начал генерировать импульсы достаточно подключить напряжение питания. Мультивибраторы могут быть симметричными и несимметричными.

На рисунке представлена схема симметричного мультивибратора.

В симметричном мультивибраторе номиналы элементов каждого из двух плеч абсолютно одинаковы: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Если посмотреть на осциллограмму выходного сигнала симметричного мультивибратора, то легко заметить, что прямоугольные импульсы и паузы между ними одинаковы по времени. t импульса (tи) = t паузы (tп). Резисторы в коллекторных цепях транзисторов не влияют на параметры импульсов, и их номинал подбирается в зависимости от типа применяемого транзистора.

Частота следования импульсов такого мультивибратора легко высчитывается по несложной формуле:

,где f — частота в герцах (Гц), С — ёмкость в микрофарадах (мкФ) и R — сопротивление в килоомах (кОм). Например: С = 0,02 мкФ, R = 39 кОм. Подставляем в формулу, выполняем действия и получаем частоту в звуковом диапазоне приблизительно равную 1000 Гц, а точнее 897,4 Гц.

Сам по себе такой мультивибратор неинтересен, так как он выдаёт один немодулированный «писк», но если элементами подобрать частоту 440 Гц, а это нота Ля первой октавы, то мы получим миниатюрный камертон, с помощью которого можно, например, настроить гитару в походе. Единственно, что нужно сделать, это добавить каскад усилителя на одном транзисторе и миниатюрный динамик.

Основными характеристиками импульсного сигнала принято считать следующие параметры:

  • Частота. Единица измерения (Гц) Герц. 1 Гц – одно колебание в секунду. Частоты, воспринимаемые человеческим ухом, находятся в диапазоне 20 Гц – 20 кГц.

  • Длительность импульса. Измеряется в долях секунды: мили, микро, нано, пико и так далее.

  • Амплитуда. В рассматриваемом мультивибраторе регулировка амплитуды не предусмотрена. В профессиональных приборах используется и ступенчатая и плавная регулировка амплитуды.

  • Скважность. Отношение периода (Т) к длительности импульса (t). Если длина импульса равна 0,5 периода, то скважность равна двум.

Исходя из вышеприведенной формулы, легко рассчитать мультивибратор практически на любую частоту за исключением высоких и сверхвысоких частот. Там действуют несколько другие физические принципы.

Для того чтобы мультивибратор выдавал несколько дискретных частот достаточно поставить двухсекционный переключатель и пять шесть конденсаторов разной ёмкости, естественно одинаковые в каждом плече и с помощью переключателя выбирать необходимую частоту. Резисторы R2, R3 так же влияют на частоту и скважность и их можно сделать переменными. Вот ещё одна схема мультивибратора с подстройкой частоты переключения.

Уменьшение сопротивления резисторов R2 и R4 меньше определённой величины зависящей от типа применяемых транзисторов может вызвать срыв генерации и мультивибратор работать не будет, поэтому последовательно с резисторами R2 и R4 можно подключить переменный резистор R3, которым можно подобрат частоту переключений мультивибратора.

Практическое применение симметричного мультивибратора очень обширно. Импульсная вычислительная техника, радиоизмерительная аппаратура при производстве бытовой техники. Очень много уникальной медицинской техники построено на схемах, в основе которых лежит тот самый мультивибратор.

Благодаря исключительной простоте и невысокой стоимости мультивибратор нашёл широкое применение в детских игрушках. Вот пример обычной мигалки на светодиодах.

При указанных на схеме величинах электролитических конденсаторов С1, С2 и резисторов R2, R3 частота импульсов будет 2,5 Гц, а значит, светодиоды будут вспыхивать примерно два раза в секунду. Можно использовать схему, предложенную выше и включить переменный резистор совместно с резисторами R2, R3. Благодаря этому можно будет посмотреть, как будет изменяться частота вспышек светодиодов при изменении сопротивления переменного резистора. Можно поставить конденсаторы разных номиналов и наблюдать за результатом.

Будучи ещё школьником, я собирал на мультивибраторе переключатель ёлочных гирлянд. Всё получилось, но вот когда подключил гирлянды, то мой приборчик стал переключать их с очень высокой частотой. Из-за этого в соседней комнате телевизор стал показывать с дикими помехами, а электромагнитное реле в схеме трещало, как из пулемёта. Было и радостно (работает же!) и немного страшновато. Родители переполошились ненашутку.

Такая досадная промашка со слишком частым переключением не давала мне покоя. И схему проверял, и конденсаторы по номиналу были те, что надо. Не учёл я лишь одного.

Электролитические конденсаторы были очень старые и высохли. Ёмкость их была небольшая и совсем не соответствовала той, что была указана на их корпусе. Из-за низкой ёмкости мультивибратор и работал на более высокой частоте и слишком часто переключал гирлянды.

Приборов, которыми можно было бы измерить ёмкость конденсаторов в то время у меня не было. Да и тестером пользовался стрелочным, а не современным цифровым мультиметром.

Поэтому, если ваш мультивибратор выдаёт завышенную частоту, то первым делом проверяйте электролитические конденсаторы. Благо, сейчас можно за небольшие деньги купить универсальный тестер радиокомпонентов, которым можно измерить ёмкость конденсатора.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

  • Составной транзистор.

  • Как проверить транзистор мультиметром?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *