Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Розрахунок симетричного мультивібратора на транзисторах й інтегральних мікросхемах
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
КН
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2009
Тип роботи:
Практична робота
Предмет:
Електроніка
Група:
ЕК
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Дрогобицький механіко-технологічний коледж
Лабораторія електроніки і мікроелектроніки
Практична робота № 6
Розрахунок симетричного мультивібратора на транзисторах й інтегральних мікросхемах
Мета роботи: Навчитися вибирати схеми і визначати основні параметри мультивібраторів на транзисторах й інтегральних мікросхемах.
2. Теоретичні відомості. Мультивібратори.
2.1. Загальні відомості.
В імпульсній техніці широко застосовуються генератори релаксаційних коливань. Релаксаційними наз. коливання, в яких повільні зміни чергуються із стрибкоподібними. Релаксаційні коливання бувають прямокутними, пилкоподібними, пилко-імпульсними і т. д.
Релаксаційні генератори перетворюють енергію джерела постійного струму в енергію ел. коливань.
Якщо в генераторі синусоїдних коливань типу LC проходить безперервний обмін енергії між конденсатором, котушкою контура і за період витрачається невелика частина енергії, отриманої від джерела, то в релаксаційному генеріторі на протязі частини періоду енергія нагромаджується в реактивному елементі одного типу (конденсаторі), а в другу частину періоду виділяється у вигляді тепла в резисторах схеми.
Підсилювальний елемент (транзистор, тунельний діод, інтегральна мікросхема) працюють в даному випадку в ключовому режимі, перемикаючи конденсатор із заряду на розряд.
Релаксаційні генератори можуть працювати в автоколивальному, очікувальному режимі, а також в режимі синхронізації і ділення частот.
Одним із видів релаксаційних генераторів являється мультивібратор, що виробляє електричні коливання, близькі по формі до прямокутних. Такі коливання мають широкий спектр частот. Цим визначається назва мультивібратора, що означає генератор множини коливань. Мультивібратори реалізують на транзисторах, операційних підсилювачах і логічних елементах.
В мультивібраторах, незалежно від використаної елементної бази і схемотехнічного рішення тривалість або частота перемикань імпульсів залежать від параметрів RC-ланок. Найпростіша RC-ланка складається із резистора R і конденсатора C. В більшості випадків резистор і конденсатор з’єднують послідовно. Часову витримку визначає процес зарядки конденсатора C через резистор R від зовнішнього джерела навантаження ES.
RC-ланку, як і будь-яку елекричну систему, характеризує відповідний запас енергії. Зміна стану системи відповідає зміні запасу енергії в конденсаторі. Перехід RC-ланки із одного стану в інший супроводжується витратою енергії і протікає протягом деякого проміжку часу, так як зміна енергії не може проходити миттєво, інакше для цього необхідно мати джерело нескінченно великої потужності.
На рис. 1 приведено схеми з різними варіантами увімкнення RC-ланок. Тут А1 – пороговий елемент (ПЕ), який стрибком міняє свій стан, коли вхідна напруга,
А1 А1
a) б)
Рис.1. RC - ланка на вході імпульсних пристроїв
а) – диференціююча ланка; б) – інтегруюча ланка; в) R та С увімкнені паралельно
збільшуючись або зменшуючись, досягне порогового значення Uпор (поріг перемикання). Перемикаючи SA1 (електронний ключ) почергово під’єднує R1C1-ланку до джерела напруги G1, то до загального проводу.
Перехідні процеси в RC-ланках протікають по одному спільному закону, але їх тривалість в кожному конкретному випадку різна і визначається добутком ( = RC – так звана постійна часу. Термін цей не випадковий: постійна часу має в СІ розмірність:
( = [Ом][Ф] = ([В]/[А])([Кл/В]) = [c]
Математично перехідні процеси в RC-ланці описують експотенціальною функцією:
U(t) = US(e-t/(, (1)
де t – поточний час, е = 2,718 – основа натурального логарифму, - постійна часу, - напруга живлення.
Рис 2.Види експонент
Друга форма запису цієї функції:
U(t) = US exp (-t / () (2)
Формули, якими описуються перехідні процеси в стадіях заряду конденсатора і його розряду, трохи відрізняються.
При заряді (рис. 2а):
UR = US e-t/( (3)
UC = US (1 - e-t/() (4)
При розряді (початкова напруга на конденсаторі UC поч = US) (рис. 2б):
UR = - US e-t/( (5)
UC = US e-t/( (6)
Знак мінус показує на те, що напрям струму через резистор міняється на протилежний. Графіки експоненціальної функції показані на рис 2.
Для RC-ланок з одним конденсатором при перемиканнях напруга між двома точками кола можна визначити по формулі:
U(t) = U(∞) – [U(∞) – U(0)] e-t/RC (7)
де U(t) – напруга між точками в момент t;
U(∞) – напруга після закінчення перехідного процесу;
U(0) – напруга в момент t = 0;
Якщо рівняння розв’язати відносно t, то
t = RC ln [(U(∞) - U(0) / (U(∞) - U(t))] (8)
Вираз (8) дає можливість визначити часовий інтеравал, протягом якого напруга в відповідній точці пристрою досягне значення U(t), наприклад порогової напруги Uпор.
2.2. Схема транзисторного мультивібратора в автоколивальному режимі.
Схема автоколивального мультивібратора представлена на рис. 3. Мультивібратор представляє собою двохкаскадний резистивний підсилювач, в якому вихід першого каскаду зв’язаний з ланкою RCБ з входом другого каскаду, а вихід другого – аналогічною ланкою із входом першого. Так як в такому мультивібраторі на бази транзисторів VT1, VT2 через резистори R1Б, R2Б подається від’ємна напруга зміщення, то його іноді називають мультивібратором з від’ємною базою.
Коли обидва транзистори працюють в активному режимі, в схемі має місце додатній зворотній зв’язок: якщо відносно емітера потенціал бази транзистора VT1 стане, наприклад, більш від’ємним, то потенціал колектора VT1 (і бази VT2) стане більш додатнім, а потенціал колектора VT2 (і бази VT1) – більш від’ємним. Такий зв’язок дає можливість виконати одну із умов збудження – баланс фаз.
Друга умова – баланс амплітуд – виконується за рахунок того, що каскади схеми являються підсилювачами.
Зауважимо, що додатній зворотній зв’язок замикається і нормально працює, коли обидва транзистори відкриті і працюють в підсилювальному режимі.
Якщо транзистори, конденсатори і резистори в обох плечах (каскадах) однакові, то мультивібратор називають симетричним.
Рис.3
Фізичні процеси в мультивібраторі
Припустимо, що після під’єднання джерела живлення в схемі наступить режим, при якому обидва транзистори знаходяться в активному режимі, а їх колекторні струми, напруги на електродах і напруги на конденсаторах зв’язку будуть одинаковими:
і1К = і2К; u1К = u2К; u1Б = u2Б і u1С = u2C.
Припустимо, що стан рівноваги (обидва транзистори відкриті) триває деякий час, протягом якого обидва конденсатори заряджаються до однакової напруги (кожен по колу +ЕК (корпус) – відкритий емітерний перехід – С – RК – (- ЕК), а полярність напруг вказана на рис. 3а.
Такий стан нестійкий. Дійсно, нехай по якійсь причині (скажімо, нерівномірності дифузії дірок із емітера в базу) відбудеться зменшення струму і1К. Це викличе зменшення напруги на R1К і, як наслідок, зниження потенціалу колектора на деяку величину Δu1К (u1К = - ЕК + і1К RК).
Так як напруга на конденсаторі С1 не може миттєво змінитися, то в перший момент від’ємний скачок напруги Δu1К повністю прикладається між базою і емітером VT2, що викликає збільшення струму іК2. Внаслідок цього потенціал колектора VT2 Δu2К (u2К = - ЕК + і2К RК) підвищиться (стане менш від’ємним). Цей додатній перепад напруги на колекторі VT2 через конденсатор С2 прикладеться до входу транзистора VT1, що призведе до ще більшого зменшення його струму і т. д.
Так як кожний наступний стрибок напруги на базі більший за попередній (за рахунок підсилювальних властивостей транзисторів), то такий процес проходить лавиноподібно, через деякий короткий час (долі мікросекунд) транзистор VT1 закриється. З цього моменту коло додатнього зворотнього зв’язку розривається і лавиноподібний процес зупиняється. Параметри схеми вибрані так, що відкритий транзистор VT2 знаходиться в режимі насичення.
Напругою uС2 (полярність показана на рис. 3а) транзистор VT1 утримується закритим, так як конденсатор через малий опір насиченого транзистора VT2 підєднується між базою і емітером VT1.
Так як транзистор VT1 закритий, конденсатор С2 не може продовжувати зар’яджатися, бо коло, що зв’язує його через VT2 із клемою +ЕК, розімкнуте. Тепер струм через через С2 проходить по іншому колі: +ЕК – VT2 – С2 – R1Б – (-ЕК), в напрямі, протилежному початковому. Конденсатор С2 розряджається по експоненті з постійною часою, а конденсатор С1 до заряджається з постійною часу τз = С1RК до значення ЕК. Якщо би цей процес не зупинявся, то конденсатор С2 перезарядився; і напруга на ньому поміняла би полярність і становилаб u2С ≈ -ЕК. (Рис. 3б).
Але коли в процесі розряду напруга на конденсаторі С2 стане близькою до нуля, транзистор VT1 відкриється (uC2 ≈ u1Б). З цього моменту і до тих пір, поки оба транзистори залишаються відкритими, в схемі протікає новий лавиноподібний процес, за час якого і1К збільшується, а іК2 зменшується. Процес завершується закриванням VT2, розривом кола додатнього зворотнього зв’язку. Закриванню транзистора VT2 відповідає участок аb кривої uК2 (рис. 4).
Тепер VT2 закритий, а VT1 – відкритий – пройшло нове перемикання схеми, після якого через відкритий транзистор VT1 проходить зар’яд конденсатора С2 по колу +ЕК –емітер-база- VT1 – С2 – R2К – (-ЕК) і перезаряд конденсатора С1 по колу: +ЕК – VT1 – C1 – R2Б – (-ЕК).
На рис. 3 представлено епюри напруг в схемі мультивібратора. До моменту t1 транзистор VT1 закритий, а транзистор VT2 відкритий і насичений. Цьому моменту відповідають потенціали баз і колекторів транзисторів u2БН ≈ 0; u2КН ≈ 0; u1Б > 0; u1К ≈ -ЕК.
Основні параметри коливань
Вважаємо, що схема формує імпульс при закриванні транзистора, а пауза – при його відкриванні. Напруга на насиченому транзисторі UКН ≈ 0, а на закритому UКЗ ≈ -ЕК. Тоді амплітуда вихідних імпульсів: Um = UКН - UКЗ ≈ ЕК.
Конденсатор С1, під’єднаний до колектора насиченого транзистора VT1 розряджається, маючи тенденцію перезарядитися. А тому додатня напруга на ньому (uC ) і на базі закритого транзистора VT2 зменшується, прямуючи до значення –ЕК і згідно (4) описується:
(9)
де τ2 = С1 RБ2 – постійна часу розрядки конденсатора С1.
При t = 0; u2б = ЕК. З цього моменту формується від’ємний імпульс на колекторі VT2.
При t = t2 (рис. 4) потенціал бази VT2 опускається до нуля і схема перемикається: uБ2 = 0;
Таким чином, тривалість генеруючого імпульсу визначається тривалістю розрядки С2. Тоді вираз (9) можемо записати так:
Звідси після перетворень отримаємо
t2і ≈ R2Б С1 ln 2 = 0.7 τ2
Аналогічно знаходимо
t1і ≈ R1Б С2 ln 2 ≈ 0.7 τ1
де τ1 = С2 R1Б – постійна часу розряду конденсатора.
Період коливань
Т = t1і + t2і ≈ 0.7(R1Б С2 + R2Б С1) = 0.7(τ1 + τ2) (10)
Для симетричного мультивібратора
R1Б = R2Б = RБ; С1 = С2 = С; τ1 = τ2;
а тому t1і = t2і = 0,7 С RБ = 0,7 τ
Звідси: період коливань, коефіцієнт заповнення і шпаруватість дорівнюють:
Т = 2 tі = 1,4 С RБ; γ = tі / T = 0.5; g = 1 / γ = 2
Тривалість переднього фронту імпульсу визначається часом заряду конденсатора С через колекторний резистор того ж плеча RК:
tф ≈ 3 С RК
3. Завдання
Задача 1.Розрахувати транзисторний мультивібратор в автоколивальному режимі за наступними вихідними даними:
схема електрична мультивібратора представлена на рис.2а;
амплітуда імпульсів ;
частота повторення імпульсів = 40кГц ;
тривалість зрізу імпульсів ;
час відновлення схеми ;
максимальна температура
Вихідні дані для кожного варіанту представлені в табл..1.
Варіант
В
кГц
Примітка
1
10
10
40
≤0,02
≤0,2
- амплітуда імпульса
- тривалість зрізу імпульса
- частота повторень імпульсів
- максимальна температура
- час відновлення
- гранична частота транзистора для схеми зі спільним емітером (СЕ);
- гранична частота транзистора для схеми зі спільною базою (СБ);
- коефіцієнт підсилення за струмом в схемі з СБ;
- коефіцієнт підсилення за струмом в схемі з СЕ.
2
12
18
30
≤0,02
≤0,15
3
5
20
35
≤0,018
≤0,15
4
6
16
25
≤0,015
≤0,12
5
4
25
20
≤0,012
≤0,18
6
8
12
32
≤0,014
≤0,17
7
7
14
22
≤,0,016
≤0,16
8
9
29
28
≤0,025
≤0,14
9
3
23
24
≤0,024
≤0,13
10
11
30
37
≤0,023
≤0,21
11
10
28
36
≤0,017
≤0,22
12
2
10
33
≤0,012
≤0,24
13
15
20
40
14
10
25
30
15
18
30
35
16
15
35
40
17
10
40
28
18
8
45
35
19
12
50
28
20
10
8
40
21
14
20
40
22
12
40
30
23
8
20
40
24
10
40
25
Таблиця1
Таблиця 2 Параметри деяких транзисторів.
Параметри
Тип транзистора
p-n-p
КТ3107В
n-p-n
КТ3102В
n-p-n
ГТ311Ж
n-p-n
КТ316Б
n-p-n
КТ324Б
p-n-p
ГТ328А
n-p-n
КТ315В
p-n-p
КТ361Е
Постійна напруга колектор-база[B]
30
30
220
10
10
15
40
30
Постійна напруга кол.-ем. [B]
25
30
12
10
10
15
40
30
Зворотній струм колектора [мкА]
100
0,05
5
5
10
100
10
25
[мА]
100
100
50
30
20
10
100
50
[мBт]
300
250
150
150
15
50
150
150
Коеф. передачі струму
70…140
200…500
50…200
40…120
40…120
20…200
30…120
50…350
Гранична частота коеф. передачі [Мгц]
100
100
100
100
100
400
100
100
[пФ]
7
6
2,5
3
2,5
1,5
7
7
[пФ]
5,0
2,5
2,5
2,5
[нс]
100
100
0,1
0,15
0,18
0,01
0,1
0,15
[нс]
250
4. Приклад розрахунку симетричного мультивібратора на транзисторах
4.1 Завдання
Розрахувати транзисторний мультивібратор в автоколивальному режимі за наступними вихідними даними:
схема електрична мультивібратора представлена на рис.2а;
амплітуда імпульсів ;
частота повторення імпульсів = 40кГц ;
тривалість зрізу імпульсів ;
час відновлення схеми ;
максимальна температура
4.2 Порядок розрахунку:
1. Визначаємо напругу джерела живлення:
Згідно даних
Ек = 1,2*10 = 12В
2. Вибираємо транзистор ,параметри якого повинні задовольняти умови:
;і
У відповідності до завдання транзистор повинен мати:
; і
; ;
Із табл.2 (або довідника) вибираємо транзистор типу КТ3102В для якого:
; ; ; ,
, (до температури 40С)
Для вибраного транзистора : ; ;
3.Визначаємо опір із наступної умови;
;
;
0,12кОм
Вибираємо по табл.1,2 та 1,3 типу С2-33-0,125-1 К5%.
4.Знаходимо опір .Визначаємо його за середнім значенням
Вибираємо по табл.1.2 та 1.3: типу С2-33-0,125-180К5%
При цьому базовий струм відкритого транзистора
;
Що перевищує більше, ніж на порядок, завдяки чому схема термостабільна.
5.Визначаємо ємності конденсаторів С і С із виразів;
; С=
По табл. 1,5 та 1,6 вибираємо конденсатор С=91пф типу КМ-5а-91пф5%
6.Визначаємо час відновлення схеми, при цьому має виконуватися умова:
Що не перевищує допустимого
5. Зміст звіту.
Найменування і мета роботи;
Схема електрична мультивібратора;
Розрахунки основних параметрів мультивібратора;
Висновки.
Література:
Транзисторы: Справочник/ под. ред. Б. Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. –656 с.
Ю. А. Браммер, И.Н. Пащук. Импульсная техника. – М.: Висшая школа, 1985.
Степаненко И. П. Основы микроелектроники. – М.: Сов. радио, 1980.
Справочник по интегральныим микросхемам (ред. Б. В. Тарабрин). – М.: Энергия, 1981, 1983.
Додаток
Резистори
Для резисторів установлено шість рядів номінальних опорів:
Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Число, що стоїть після символу Е, визначає кількість номінальних величин у ряду. Кожний ряд задається числовими коефіцієнтами, помноженими на , де n – ціле додатне або від’ємне число. Найбільш поширеними є ряди Е6,Е12,Е24, що подані в таблиці 1.3
Таблиця1 – Ряди номінальних значень
Тип резистора
Діапазон опорів
Номінальна потужність, Вт
1 Ом-3,01 МОм
0,125
МЛТ
1 Ом-5,1 МОм
0,25; 0,5
1 Ом -10 МОм
1; 2
1 Ом - 3 МОм
0,125
1 Ом-5,1 МОм
0,25
С2-33
0,1 Ом-5,1 МОм
0.5
1 Ом - 10 МОм
1
1 Ом - 22 МОм
9
Таблиця1.1 – Постійні резистори
Індекс ряду
Позиції ряду
Допустиме відхилення від номінальної величини, %
Е 6
1,0; 1.5; 2.2; 3.3; 4,7; 6,8
± 20
Е 12
1,0; 1,2; 1.5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4.7; 5.6; 6,8; 8,2
± 10
Е24
1,0; 1,1; 1,2; 1.3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1
±5
Таблиця1.2 – Множники для утворення десяткових часткових та кратних одиниць
Множник 10m
Приставка
Параметр елемента
Опір
Ємність
Назва
Позначення
Назва
Позначення
гіга
гігаом
ГОм
мега
мегаом
МОм
кіло
кілоом
КОм
1
ом
Ом
фарада
Ф
мілі
міліом
мОм
мікро
мікрофарада
мкФ
нано
нанофарада
нФ
піко
пікофарада
пФ
Конденсатори
Для конденсаторів установлено три ряди номінальних ємностей Е6,Е12,Е24(таблиця1.5). Конденсатори виготовляють із номінальними ємностями, що відповідають одному з числових коефіцієнтів, який треба помножити на, де для рядів:
Е6 n=0,1,2,3,4
E12 n=0,2,3,4
E24 n=2,3,4 Таблиця1.3
Ряд
Числові коефіцієнти
Е6
0,01; 0,015; 0,022; 0,033; 0,047; 0,068
Е12
0,01; 0,015; 0,022; 0,033; 0,047; 0,068; 0,012; 0,018; 0,027; 0,039; 0,056; 0,082
Е24
1 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8
1,1 1,6 2,4 3,3 5,1 7,5
1,2 1,8 2,7 3,6 5,6 8,2
1,3 2,0 3,0 3,9 6,2 9,1
Таблиця1.4 – Конденсатори постійної ємності
Номінальна напруга, В
Номінальна ємність, мкФ
К 50-7
К 50-35
К 50-18
К10-17
К73-17
6,3
20; 30; 50; 100; 200;500
220000
10
10; 20; ЗО; 50; 100; 200; 500; 1000; 2000; 5000
100000
16
5; 10; 20; 30; 50;
100; 200; 300; 1000; 2000; 5000
22000 68000 100000
25
2; 5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 5(1); 1000; 2000; 5000
15000 33000 100000
50
2; 5; 10; 20; 30;
50; 100; 200; 500; 1000; 2000
4700 10000 15000 22000
0,001; 0.01; 0.022; 0,056
63
0,22; 0,33; 0,47; 0.68; 1; 1,5; 2.2; 3,3: 4,1
100
0,5; 1; 2,5; 10; 20; 30; 50
2200 4700 10000
160
2; 50; 100; 200;500
1,2; 5; 10; 20
1.5; 2,2
250
10; 20; 50; 100; 200
] 000 4700
0,047; 0,068; 0.1; 0,15; 0,22; 0,33; 0,47;
0,68; 1
300
5; 10; 20; 50; 100; 200
350
10; 20; 50; 100
450
10; 20; 50; 100
30.05.2013 12:05-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора