Multivibratoarele astabile sunt oscilatoare rulând liber, care oscilează între două stări producând în mod continuu două forme pătrate de undă de ieșire.

Circuite de comutare regenerative, cum ar fi Multivibratoarele astabile, sunt cele mai frecvent utilizate tipuri de oscilator de relaxare, deoarece nu numai că sunt simple, fiabile și ușor de construit, dar produc o formă de undă pătrată constantă de ieșire.

Spre deosebire de multivibratorul monostabil sau de multivibratorul bistabil care necesită un impuls trigger "extern" pentru funcționarea lor, multivibratorul astabil are o funcție încorporată de declanșare automată care comută continuu între cele două stări instabile, atât setată cât și resetată.

Multivibratorul astabil este un alt tip de circuit de comutare cu tranzistoare cuplate încrucișat care are NU are stări de ieșire stabile deoarece se schimbă de la o stare la alta tot timpul. Circuitul astabil constă din două tranzistoare de comutare, o rețea de reacție cuplată-încrucișat și două condensatoare temporizatoare care permit oscilația între cele două stări fără declanșare externă care să produce schimbarea stării.

În circuitele electronice, multivibratorul astabil este, de asemenea, cunoscut ca multivibrator care rulează liber, deoarece nu necesită alte intrări sau asistență externă pentru a oscila. Oscilatoarele astabile produc o undă pătrată continuă de la ieșirea sau ieșirile sale (două ieșiri fără intrări), care pot fi apoi folosite pentru flash-uri luminoase sau să producă un sunet într-un difuzor.

Circuitul cu tranzistoare pentru un multivibrator astabil produce o ieșire de undă pătrată dintr-o pereche de tranzistoare cu emitor la masă, cuplate-încrucișat. Ambele tranzistoare, NPN sau PNP, în multivibrator sunt polarizate pentru funcționarea liniară și sunt operate ca amplificatoare cu emitor-comun cu feedback pozitiv 100%.

Această configurație satisface condiția de oscilație atunci când: (βA = 1∠ 0^o). Aceasta conduce la un etaj conducând "full-ON" (saturație), în timp ce celălalt este comutat "complet OFF" (cut-off), dând un nivel foarte ridicat de amplificare reciprocă între cele două tranzistoare. Conducția este transferată de la un etaj la altul prin acțiunea de descărcare a unui condensator printr-un rezistor, după cum se arată mai jos.

Circuit multivibrator astabil

Să presupunem că tranzistorul, TR1 tocmai a comutat "OFF" (cut-off) și tensiunea lui de colector este în creștere spre Vcc, în timp ce tranzistorul TR2 tocmai a comutat "ON". Placa "A" a condensatorului C1 se ridică, de asemenea, spre șina de alimentare de 6 V a lui Vcc, deoarece este conectată la colectorul TR1, care este acum cut-off. Deoarece TR1 este cut-off, acesta nu conduce curent, astfel încât nu există nici o cădere de tensiune pe rezistorul de sarcină R1.

Cealaltă parte a condensatorului C1, placa "B", este conectată la terminalul bază al tranzistorului TR2 și la 0,6 V deoarece tranzistorul TR2 conduce (saturație). Prin urmare, condensatorul C1 are o diferență de potențial de +5,4 V pe plăcile sale (6,0 - 0,6V) de la punctul A la punctul B.

Deoarece TR2 este complet ON, condensatorul C2 începe să se încarce prin rezistorul R2 spre Vcc. Când tensiunea pe condensatorul C2 crește până la mai mult de 0,6 V, ea polarizează tranzistorul TR1 în conducție și în saturație.

În momentul în care tranzistorul TR1 comută "ON", placa "A" a condensatorului care a fost inițial la potențial Vcc, cade imediat la 0,6 V. Această scădere rapidă a tensiunii pe placa "A" determină o scădere egală și instantanee a tensiunii pe placa "B", prin urmare placa "B" din C1 este trasă până la -5,4V (o încărcare inversă) și această oscilație negativă de tensiune este aplicată bazei TR2 comutându-l tare "OFF". O stare instabilă.

Tranzistorul TR2 este comandat în cut-off, astfel încât condensatorul C1 începe acum să se încarce în direcția opusă prin intermediul rezistorului R3, care este, de asemenea, conectat la șina de alimentare de 6 V, Vcc. Astfel, baza tranzistorului TR2 este acum trasă în sus, într-o direcție pozitivă spre Vcc, cu o constantă de timp egală cu combinația C1 x R3.

Dar, ea nu ajunge niciodată la valoarea Vcc deoarece, de îndată ce ajunge la 0,6 V pozitiv, tranzistorul TR2 comută complet "ON" în saturație. Această acțiune pornește întregul proces din nou, dar acum cu condensatorul C2, care duce baza tranzistorului TR1 la -5.4V în timp ce se încarcă prin rezistorul R2 și intră în cea de-a doua stare instabilă.

Atunci, putem observa că circuitul alternează între o stare instabilă în care tranzistorul TR1 este "OFF" și tranzistorul TR2 este "ON", și o a doua stare instabilă în care TR1 este "ON" și TR2 este "OFF" la o rată determinată de valorile RC. Acest proces se va repeta din nou, atâta timp cât este prezentă tensiunea de alimentare.

Amplitudinea formei de undă de ieșire este aproximativ aceeași cu tensiunea de alimentare Vcc, perioada fiecărei stări de comutare fiind determinată de constanta de timp a rețelelor RC conectate pe terminalele de bază ale tranzistoarelor. Pe măsură ce tranzistoarele comută atât "ON", cât și "OFF", ieșirea fiecărui colector va fi o undă pătrată cu colțuri ușor rotunjite datorită curentului care încarcă condensatoarele. Acest lucru ar putea fi corectat prin utilizarea mai multor componente, după cum vom discuta mai târziu.

Dacă cele două constante de timp produse de C2 x R2 și C1 x R3 în circuitele de bază sunt aceleași, raportul mark-to-space (t1/t2) va fi egal cu unu-la-unu, făcând forma de undă de ieșire simetrică. Prin modificarea condensatoarelor C1, C2 sau a rezistoarelor R2, R3 raportul mark-to-space, și prin urmare frecvența, pot fi modificate.

Am văzut în tutorialul Descărcare RC că timpul necesar pentru ca tensiunea pe un condensator să scadă la jumătate din tensiunea de alimentare, 0,5 Vcc este egal cu 0,69 constante de timp ale combinației condensator și rezistor. Atunci, luând o parte a multivibratorului astabil, durata de timp pe care tranzistorul TR2 este "OFF" va fi egală cu 0,69T sau 0,69 ori constanta de timp C1 x R3. De asemenea, durata de timp în care tranzistorul TR1 este "OFF" va fi egală cu 0,69T sau 0,69 ori constanta de timp C2 x R2 și aceasta este definită de:

Perioada Multivibratorului astabil

T = t₁ + t₂

t₁ = 0,69 C1R3

t₂ = 0,69 C2R2

unde R este în Ω și C în Farazi.

Prin modificarea constantei de timp a unei singure rețele RC, raportul mark-to-space și frecvența formei de undă de ieșire pot fi schimbate, dar în mod normal, schimbând ambele constante de timp RC împreună, în același timp, frecvența de ieșire va fi modificată, ținând raportul mark-to-space același de unu-la-unu.

Dacă valoarea condensatorului C1 este egală cu valoarea condensatorului C2, C1 = C2 și, de asemenea, valoarea rezistorului de bază R2 este egală cu valoarea rezistorului de bază R3, R2 = R3, atunci valoarea totală a timpului de ciclu al multivibratorului este dată mai jos pentru o formă de undă simetrică de ieșire.

Frecvența de oscilație

unde R este în Ω, C este în Farazi, T este în secunde și ƒ este în Hertz.

și aceasta este cunoscută sub numele de "Frecvența de repetiție a impulsului". Deci, multivibratoarele astabile pot produce DOUĂ forme de undă pătrată, foarte scurte, de ieșire din fiecare tranzistor sau o ieșire de formă dreptunghiu-lară mult mai lungă, fie simetrică, fie nesimetrică, în funcție de constanta de timp a rețelei RC, după cum apare mai jos.

Forme de undă ale multivibratorului astabil

Multivibrator astabil. Exemplul nr. 1

Un circuit multivibrator astabil este necesar pentru a produce o serie de impulsuri la o frecvență de 500 Hz, cu un raport mark-to-space de 1: 5. Dacă R2 = R3 = 100 kΩ, să se calculeze valorile condensatoarelor C1 și C2 necesare.

și prin rearanjarea formulei de mai sus pentru perioadă, valorile condensatoarelor cerute pentru a da un raport marck-to-space de 1: 5 sunt date de:

Valorile de 4,83 nF și respectiv 24,1 nF sunt valori calculate, deci trebuie să alegem cele mai apropiate valori standard pentru C1 și C2, permițând toleranța condensatorilor. De fapt, datorită gamei largi de toleranțe asociate cu condensatorul umil, frecvența reală de ieșire poate diferi cu până la ± 20% (400-600 Hz în exemplul nostru simplu) de frecvența reală necesară.

Dacă avem nevoie ca forma de undă să fie nesimetrică pentru a fi folosită în circuitele de tip timing sau gating, am putea calcula manual valorile R și C pentru componentele individuale necesare, așa cum am făcut în exemplul de mai sus. Totuși, când cei doi R și C sunt ambii egali, putem folosi tabele pentru a arăta frecvențele calculate ale astabilelor pentru diferite combinații sau valori ale ambelor R și C. De exemplu,

Tabelul de frecvențe al multivibratorului astabil

Tabelele de frecvențe pre-calculate pot fi foarte utile pentru determinarea valorilor cerute atât pentru R cât și pentru C, pentru o anumită frecvență de ieșire simetrică, fără a mai fi necesar să le recalculezi de fiecare dată când este necesară o frecvență diferită.

Prin schimbarea celor două rezistoare fixe, R2 și R3 cu un potențiometru dublu și păstrarea valorii condensatoarelor la fel, frecvența de la ieșirea multivibratorului astabil poate fi mai ușor "reglată" pentru a da o anumită valoare a frecvenței sau pentru a compensa toleranțele componentelor utilizate.

De exemplu, selectând o valoare a condensatorului de 10 nF din tabelul de mai sus, folosind un potențiometru de 100 kΩ pentru rezistența noastră, am obține o frecvență de ieșire care poate fi complet ajustată de la ușor peste 71,4 kHz până la 714 Hz, aproximativ 3 decade de gamă de frecvență. De asemenea, o valoare a condensatorului de 47 nF ar da o gamă de frecvență de la 152 Hz până la peste 15 kHz.

Multivibrator astabil. Exemplul nr. 2

Un circuit multivibrator astabil este construit folosind două condensatoare de temporizare cu o valoare egală de 3,3 uF și două rezistoare de bază cu o valoare de 10 kΩ. Calculați frecvențele minime și maxime de oscilație dacă un potențiometru dublu de 100 kΩ este conectat în serie cu cele două rezistoare.

Cu potențiometrul la 0%, valoarea rezistenței de bază este egală cu 10 kΩ.

cu potențiometrul la 100%, valoarea rezistenței de bază este egală cu 10 kΩ + 100 kΩ = 110 kΩ.

Atunci, frecvența de ieșire a oscilației pentru multivibratorul astabil poate fi variată între 2,0 și 22 Hertz.

Când selectați valorile rezistenței și capacității pentru funcționare fiabilă, rezistoarele de bază trebuie să aibă o valoare care să permită tranzistorului să comute complet "ON" când celălalt tranzistor comută "OFF". De exemplu, luați în considerare circuitul de mai sus. Când tranzistorul TR2 este complet "ON" (saturație), aproape aceeași tensiune este căzută pe rezistorul R3 și rezistorul R4.

Dacă tranzistorul utilizat are un câștig de curent β de 100 și rezistorul de sarcină al colectorului R4 este egal cu 1 kΩ, valoarea maximă a rezistorului de bază ar fi, prin urmare, de 100 kΩ. Orice valoare mai mare și tranzistorul nu poate comuta complet "ON", rezultând că multivibratorul dă rezultate neregulate sau nu oscilează deloc. De asemenea, dacă valoarea rezistorului de bază este prea mică, tranzistorul nu poate comuta "OFF", iar multivibratorul nu va oscila din nou.

Un semnal de ieșire poate fi obținut de la terminalul colector al fiecărui tranzistor din circuitul multivibrator astabil, cu fiecare formă de undă de ieșire fiind o imagine în oglindă a ei însăși. Am văzut mai sus că frontul anterior al formei de undă de ieșire este ușor rotunjit și nu pătrat din cauza caracteristicilor de încărcare ale condensatorului în circuitul cuplat încrucișat.

Dar putem introduce un alt tranzistor în circuit care va produce un impuls de ieșire aproape perfect pătrat și care poate fi de asemenea utilizat pentru a comuta sarcini de curent mai mari sau sarcini cu impedanță redusă, cum ar fi LED-uri sau difuzoare etc., fără a afecta funcționarea multivibratorului astabil real. Dar, partea inferioară a acestui lucru este că forma de undă de ieșire nu este perfect simetrică, deoarece tranzistorul suplimentar produce o întârziere foarte mică. Luați în considerare cele două circuite de mai jos.

Circuit de comandă a multivibratorului astabil

O ieșire cu un front anterior pătrat este acum produsă de la cel de-al treilea tranzistor TR3 conectat la emitorul tranzistorului TR2. Acest al treilea tranzistor comută "ON" și "OFF" în același timp cu tranzistorul TR2. Putem folosi acest tranzistor suplimentar pentru a comuta LED-uri, relee sau pentru a produce un sunet de la un traductor de sunet, cum ar fi un difuzor sau un sonar piezo, după cum se arată mai sus.

Rezistorul de sarcină Rx trebuie să fie ales adecvat pentru a ține seama de căderile de tensiune directe și pentru a limita curentul maxim la circa 20 mA pentru circuitul LED sau pentru a da o impedanță de sarcină totală de circa 100 Ω pentru circuitul difuzorului. Difuzorul poate avea orice impedanță mai mică de 100 Ω.

Prin conectarea unui tranzistor suplimentar TR4 la circuitul de emitor al celuilalt tranzistor TR1, într-o manieră similară, putem produce un circuit multivibrator astabil care va aprinde două seturi de lumini sau LED-uri, când unul, când celălalt la o rată determinată de constanta de timp a rețelei de temporizare RC.

În următorul tutorial despre Forme de undă și Semnale, vom analiza diferitele tipuri de multivibratoare astabile care sunt utilizate pentru a produce o formă de undă continuă la ieșire. Aceste circuite, cunoscute ca oscilatoare de relaxare, produc o undă pătrată sau dreptunghiulară la ieșirile lor pentru a fi utilizate în circuite secvențiale, fie ca un impuls de tact, fie ca un semnal de sincronizare. Aceste tipuri de circuite se numesc generatoare de undă.