Простейшие импульсные схемы (мультивибраторы)

Во время второй мировой войны армии многих воюющих государств ввели в действие новое радиоэлектронное оружие - радиолокаторы или, как их тогда называли, "приборы невидимого боя", позволявшие обнаруживать различные объекты по отраженным от них радиоволнам. Радиолокация повлекла бурное развитие нового направления в радиотехнике - импульсных схем. Сейчас на таких схемах строят телевизоры, электронные вычислительные машины, а также различные кибернетические устройства.

На основе широко распространенных импульсных схем, называемых мультивибраторами, создают электронные модели различных органов живых существ и даже клеток головного мозга человека.

Схема простейшего симметричного мультивибратора приведена на рис. 33. Это усилитель, выход которого подключен к его же входу с помощью гак называемой цепи обратной связи. Это становится еще яснее из схемы усилителя, приведенной на рис. 34. Каждый, кто собирал усилители, смог убедиться, что из-за такой обратной связь схема иногда сама начинает возбуждаться и генерирует самые неожиданные звуковые сигналы. Дело в том, что проводник, соединивший выход усилителя с его входом, создает между ними положи тельную обратную связь. По проводнику часть энергии попадает с выхода на вход усилителя, усиливается и снова поступает на вход усилителя и т. д. Наконец наступает предел, когда энергия, идущая с выхода на вход усилителя, превышает потери энергии в усилителе. В результате возникают незатухающие электрические колебания и усилитель становится генератором, в данном случае мультивибратором.

В отличие от других генераторов мультивибратор генерирует периодически сигнал прямоугольной формы, который разлагается на бесконечное множество гармонических сигналов. Отсюда название "мультивибратор" (от латинских слов multum - много и vibrato - колеблю). Каждая генерируемая составляющая называется гармоникой. Как и любое синусоидальное колебание, гармоника характеризуется частотой и амплитудой. В сумме гармоники образуют периодический сигнал довольно сложной формы, чаще всего похожий на прямоугольник.

Попробуйте графически сложить несколько синусоидальных кривых (рис. 35) Чем больше суммируется гармонических составляющих, тем форма результирующей кривой получается ближе к прямоугольной. Из схемы мультивибратора (см. рис. 33) видно, что положительная обратная связь создается за счет того, что выходное напряжение с коллектора транзистора Т1 через конденсатор С₁ подается в цепь базы транзистора Т2. В свою очередь, выходное напряжение с коллектора транзистора Т2 поступает в цепь базы транзистора Т1.

Значения сопротивлений резисторов R_к (коллектора) и R_б (базы) подбираются такими, чтобы при отключении другого транзистора напряжение на коллекторе составляло всего несколько десятых долей вольта. Такой режим работы транзистора называется насыщенным. Для его установления необходимо соблюдать следующие условия:

где β - коэффициент усиления транзисторов по току. Поскольку транзисторы имеют большой разброс параметров, то следует ориентироваться на минимальное значение β, гарантированное для данного типа.

Минимальное значение сопротивления резистора R_k обычно ограничивается максимальным током коллектора и в среднем составляет несколько килоом.

Рис. 33. Мультивибратор

Рис. 34. Усилитель с цепью обратной связи

На рис. 36 показано, что напряжение на коллекторе периодически меняется от максимума (небольшого остаточного напряжения U_ост). Обычно амплитуда импульса меньше уровня напряжения питания на 0,5-1,0 В. Таким образом, можно считать, что постоянное напряжение питания преобразовано в переменное. Частоту повторения импульсов можно регулировать подбором емкости конденсаторов связи:

Здесь F_повт - частота повторения импульсов. Например, требуется получить F_повт = 50 Гц, R_б = 20 кОм. Тогда

Точное значение генерируемой частоты можно получить, если регулировать мультивибратор, подбирая конденсаторы или изменяя в небольших пределах номинал резистора R_б. На рис. 37 приведена схема мультивибратора, собранного из кубиков для сборки радиоприемных устройств, которые обозначены звездочками. Чтобы собрать эту схему, нужно сделать пять дополнительных кубиков: 1-й и 5-й с транзисторами типа МП42, отличающимися расположением вывода от базы транзистора, 2-й и 4-й кубики с конденсаторами С1 и С2 на 0,025 мкФ и сложный большой кубик 3, склеенный из четырех обычных кубиков. В 3-м кубике должно быть установлено шесть магнитов с контактными пластинами.

Теперь приступим к экспериментам с мультивибратором.

Прежде всего убедимся в том, что частота сигналов, генерируемых мультивибратором, действительно определяется емкостью конденсаторов С1 и С2 и сопротивлением резисторов в цепи базы транзисторов.

Если, например, вы установите в цепь базы резисторы по 100 кОм, в цепь коллектора - по 2 кОм и будете подключать конденсаторы емкостью 0,047, 0,02 и 0,01 мкФ (рис. 38), то услышите частоты 480, 640 и 840 Гц, близкие к частотам, гласных букв У, О, А. Подавая питание на схему от батареи через телеграфный ключ, можно использовать мультивибратор как генератор телеграфных сигналов.

Рис. 35. Графическое сложение синусоидальных кривых

Рис. 36. Форма импульса сигнала, генерируемого мультивибратором

Рис. 37. Мультивибратор из кубиков

Рис. 38. Генераторы частот f₁-480, f₂-640, f₃-840 Гц

Рис. 39. Кубик с гнездами

Если вместо одного резистора в цепь базы транзисторов (см. рис. 37) введем кубик с гнездами для подключения каких-либо внешних устройств или цепей (рис. 39), то мы сможем провести еще ряд интересных экспериментов.

Так, при включении в цепь базы фоторезистора ФСК-1 или другого подобного ему получим некоторое подобие схемы фотоэлектронного реле, которая будет генерировать сигналы разной частоты в зависимости от освещенности фоторезистора.

Можно подобрать такие сопротивления резисторов в цепи коллекторов Т1 и Т2 и оставшегося в схеме резистора в цепи базы, при которых освещенная схема не будет давать сигналов, но при перекрытии светового потока она начнет генерировать тревожные сигналы. Это уже "электронный сторож".

Если к той же схеме (см. рис. 37) вы будете подключать резисторы с различным сопротивлением, то получится простейший электромузыкальный инструмент. Так, при подключении 12 резисторов с сопротивлением от 30 до 100 кОм можно получить звучание целой музыкальной октавы (например, первой) с частотами от 220 до 440 Гц. Если добавить еще 12 резисторов, то диапазон звучания можно расширить до 880 Гц. В этом случае будут звучать ноты 1-й и 2-й октав и можно будет даже сыграть простейшие музыкальные мелодии.

В качестве клавиатуры используют небольшие кнопки для включения звонка или контактные пластинки от старых реле. Конструкции "клавиатуры" могут быть самыми разнообразными. Чтобы не нарушить общего стиля электронного конструктора, выносную клавиатуру можно сделать так, как это показано на рис. 40. Внутри четырех склеенных дихлорэтаном или другим клеем кубиков располагают восемь резисторов, подключенных к общей шине, связанной со схемой пружинящими пластинками, которые нажимают клавиши-кнопки, в качестве их можно использовать негодные транзисторы.

Рис. 40. Клавиатура музыкального инструмента: а - внешний вид; б - внутренний вид; 1- клавиши из старых транзисторов; 2 - вилки для подключения к схеме; 3 - резистор; 4 - общая шина

Резисторы для клавиатуры электромузыкального инструмента нужно подбирать такие, чтобы получились частоты первой октавы в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Во всех описанных случаях "Электронное домино" можно использовать для выбора наилучших параметров приведенных схем. "Электронное домино" позволяет разработать и исследовать множество увлекательных электронных схем.