Мультивибратор на двух транзисторах: схема, частота и скважность

Астабильный мультивибратор – простой генератор прямоугольных импульсов на двух транзисторах, конденсаторах и резисторах. Он полезен для обучения электронике, создания мигающих индикаторов и формирования периодических сигналов. Частота зависит от RC-цепей, а изменение соотношения их постоянных времени позволяет менять длительность высокого и низкого уровней. Разберём принцип работы, приблизительные формулы и способы регулировки без опасных напряжений. Практические измерения всегда сверяют с паспортом конкретного компонента и условиями выбранной схемы.

Какие бывают мультивибраторы

Термином «мультивибратор» называют несколько типов переключающих схем. Астабильный мультивибратор не имеет устойчивого состояния и самостоятельно переключается между двумя режимами. Моностабильный имеет одно устойчивое состояние и после внешнего запуска формирует импульс определённой длительности. Бистабильный удерживает одно из двух устойчивых состояний до следующего управляющего воздействия. В этой статье рассматривается астабильный вариант на двух биполярных транзисторах. Для таких генераторов не требуется микроконтроллер, но стабильность частоты обычно уступает кварцевым и специализированным схемам. При проектировании важно учитывать разброс номиналов, питание и температуру.

Из каких деталей состоит схема

Базовый вариант включает два транзистора n-p-n, два коллекторных резистора, два резистора зарядки конденсаторов и два перекрёстных конденсатора связи. Эмиттеры обычно соединяют с общей низковольтной шиной, а коллекторные цепи подключают к положительному питанию через ограничивающие резисторы. Конденсаторы создают временные задержки переключения, поочерёдно изменяя напряжение на базах. Для индикации могут применяться светодиоды с собственными ограничительными резисторами. Номиналы элементов нужно выбирать так, чтобы рабочий ток и напряжение на переходах не превышали допустимые значения. Схемы для питания от 3–12 В в учебных экспериментах намного безопаснее сетевых вариантов.

Принцип попеременного переключения

Представим, что первый транзистор открыт, а второй закрыт. Напряжение на коллекторе открытого транзистора низкое, и через конденсатор связи это состояние влияет на базу противоположного плеча. По мере зарядки RC-цепи напряжение базы второго транзистора меняется и в определённый момент достигает порога открывания. Второй транзистор начинает проводить, его коллекторное напряжение падает и через другую ёмкость заставляет первый закрыться. Процесс продолжается циклически, поэтому на коллекторах появляются импульсы противоположной полярности по фазе. Реальные фронты не идеальны: на них влияют паразитные ёмкости, сопротивления и динамика транзисторов.

Формулы длительности и частоты

Для типовой симметричной схемы приближённо используют времена:

t₁ ≈ 0,69 · R₁ · C₁, t₂ ≈ 0,69 · R₂ · C₂

Здесь 0,69 ≈ ln 2, а пары R и C соответствуют двум времязадающим ветвям. Период и частота:

T ≈ t₁ + t₂, f ≈ 1 / T

При R1 = R2 = R и C1 = C2 = C получаем:

T ≈ 1,38 · R · C, f ≈ 0,72 / (R · C)

Эти оценки работают в идеализированной модели с достаточным напряжением питания и корректным режимом транзисторов. На практике заметное влияние оказывают напряжения насыщения, база–эмиттер, утечки конденсаторов и сопротивления нагрузки, поэтому измеренную частоту следует сверять экспериментально.

Пример расчёта частоты

Пусть обе времязадающие ветви имеют сопротивление 100 кОм и ёмкость 10 мкФ. Тогда постоянная времени RC равна 1 секунде, период около 1,38 секунды, частота приблизительно 0,72 Гц. Светодиоды будут переключаться заметно реже одного раза в секунду. Если вместо 10 мкФ использовать 1 мкФ при тех же резисторах, частота вырастет примерно в десять раз, до 7,2 Гц. Это теоретические величины для сравнения. У электролитических конденсаторов часто большой допуск и ток утечки, поэтому реальный ритм может отличаться. Для точной частоты используют измерение осциллографом или частотомером и корректируют номиналы.

Чем частота отличается от скважности

Частота показывает количество периодов в секунду, а скважность – отношение периода к длительности импульса. Также используют коэффициент заполнения D, равный отношению времени высокого уровня к периоду. Если плечи симметричны, высокий и низкий интервалы приблизительно равны и коэффициент заполнения близок к 50 %. При намеренном изменении одной RC-цепи один полуцикл становится длиннее другого, поэтому формируется несимметричная последовательность импульсов. Но из-за перекрёстной связи изменение сопротивления в одном плече может влиять и на другую часть схемы. Поэтому для точной независимой настройки частоты и заполнения нужна более продуманная схема либо специализированный генератор.

Регулировка частоты переменным резистором

Переменный резистор позволяет изменять время зарядки конденсатора, а вместе с ним и частоту. Но ставить его так, чтобы сопротивление могло стать нулевым, не всегда безопасно для транзисторов: при низком сопротивлении базовый ток может превысить допустимый. Последовательно с потенциометром обычно предусматривают постоянный ограничительный резистор, рассчитанный для конкретного питания. Для согласованной регулировки двух плеч подойдёт сдвоенный потенциометр, хотя симметрия двух дорожек тоже не идеальна. Если диапазон изменения частоты слишком широк, практичнее переключать конденсаторы или использовать цифровое управление, а не пытаться охватить все режимы одним резистором.

Как менять скважность и не путать её с яркостью

Для несимметричной схемы можно задать различные RC-постоянные в двух плечах. Например, если первое время составляет около 0,2 секунды, а второе – 0,8 секунды, период близок к секунде, но выход одного коллектора большую часть времени будет находиться в одном состоянии. Однако светодиод, включённый через ограничительный резистор, показывает это как разную длительность свечения, а не обязательно как разницу мгновенной яркости. Для практической регулировки полезно осциллографом наблюдать оба коллекторных сигнала и отдельно измерять t1 и t2. Не следует ожидать идеально линейной зависимости скважности от положения движка потенциометра.

Как выбрать транзисторы и конденсаторы

Для маломощной низковольтной схемы подходят биполярные транзисторы соответствующей структуры и с достаточным запасом по напряжению и току. При использовании КТ315, BC547 или другого распространённого n-p-n обязательно уточняют расположение базы, коллектора и эмиттера. Электролитические конденсаторы имеют полярность, а в переключающихся цепях напряжение на отдельных выводах может кратковременно выходить за привычные уровни. Поэтому полярность и допустимое обратное напряжение надо оценивать по конкретной схеме. Для небольшой ёмкости и большей стабильности удобно использовать неполярные плёночные конденсаторы, если размеры и номиналы подходят проекту.

Типичные причины отсутствия генерации

Если один светодиод постоянно горит, а второй выключен, сначала проверяют распиновку обоих транзисторов, полярность конденсаторов и реальные номиналы резисторов. Проблема может быть в перепутанных контактах на макетной плате, плохой общей земле, недостаточном питании или ошибке перекрёстного включения. Если оба светодиода горят одновременно, стоит убедиться, что их цепи не обходят ограничительные резисторы и не перегружают коллекторы. Слишком большие ёмкости увеличивают время ожидания: иногда кажется, что схема «зависла», хотя период составляет десятки секунд. Для проверки временно уменьшайте RC в разумных пределах и измеряйте напряжения на коллекторах.

Измерение сигнала осциллографом

На коллекторах транзисторов обычно наблюдаются противоположные во времени импульсы. При подключении осциллографа важно учитывать общий провод прибора: у многих настольных моделей зажим земли связан с защитным заземлением сети. Поэтому измерения проводят только в безопасной изолированной низковольтной схеме, где подключение общего провода не создаст короткого замыкания. На экране можно оценить период, частоту, форму фронтов и разницу времён высокого и низкого уровней. При большой нагрузке амплитуда импульсов может снизиться, а фронты – стать пологими. Для исключения влияния щупа используют соответствующий режим входа и проверяют допустимые уровни.

Когда вместо транзисторной схемы выбрать NE555

Двухтранзисторный мультивибратор отлично объясняет положительную обратную связь и RC-задержки, но для практической стабильной генерации часто удобнее таймер NE555 или микроконтроллер. Таймер позволяет предсказуемее задавать частоту, а при правильной схеме – управлять заполнением. Микроконтроллер уместен, когда нужны программно изменяемые режимы, синхронизация с датчиками или точные интервалы. Транзисторный генератор остаётся удачным выбором для учебного эксперимента и простого мигающего индикатора без прошивки. При выборе схемы оценивайте требования к стабильности, электропотреблению, выходному току и цене элементов.

Численный пример асимметричного генератора

Предположим, времязадающие резисторы составляют 47 кОм и 100 кОм, а оба конденсатора имеют ёмкость 10 мкФ. По приближённым формулам один полуцикл будет длиться около 0,69 × 47000 × 0,00001 ≈ 0,32 секунды, а другой – около 0,69 секунды. Полный период примерно равен 1,01 секунды, что соответствует частоте около 0,99 Гц. Коэффициент заполнения одной из коллекторных последовательностей близок к 32 %, а для противоположного выхода – около 68 %. Реальная скважность отклонится из-за порогов транзисторов и допусков компонентов. Связь этих чисел с реальным сигналом видна на осциллограмме; диаграмма ниже показывает оба режима.

Как подключить два мигающих светодиода

Для визуальной демонстрации обычно используют по светодиоду в коллекторной цепи каждого плеча или отдельные транзисторные буферы. При этом каждый светодиод требует своего ограничительного резистора, рассчитанного по напряжению питания, прямому напряжению кристалла и рабочему току. Если поставить светодиод без резистора, можно перегрузить и диод, и транзистор. Нагрузка в коллекторе влияет на форму импульса и рабочую точку, поэтому при добавлении ярких светодиодов может потребоваться пересмотр номиналов. Для проверки лучше начать с малых токов и лабораторного источника с ограничением. Подключать учебный генератор непосредственно к сети 230 В недопустимо.

Почему мультивибратор иногда работает несимметрично

Даже когда на схеме указаны одинаковые резисторы и конденсаторы, фактические времена полуциклов могут различаться. Причина – допуски элементов, неодинаковый коэффициент усиления двух транзисторов, ток утечки электролитических конденсаторов и температурные различия. Если нужны равные импульсы, следует измерить обе RC-цепи и по возможности подобрать близкие по фактической ёмкости конденсаторы. При большой длительности периода утечки становятся особенно заметными. Для генератора с высокой точностью частоты и заполнения транзисторная схема без обратной связи обычно не лучший выбор. Здесь важнее её наглядность, простота и возможность экспериментировать с постоянной времени.

Таблица для самостоятельного расчёта

В таблице ниже – сопротивления 10, 47 и 100 кОм и ёмкости 1, 4,7 и 10 мкФ. Для каждой пары приведены длительность полуцикла, период и частота при симметричном включении. В формуле используются омы и фарады: 10 кОм – это 10000 Ом, а 10 мкФ – 0,00001 Ф. Именно ошибка единиц часто приводит к результатам, отличающимся в тысячи раз. Для регулируемого варианта калькулятор в начале статьи позволяет задать две разные RC-цепи и дополнительно показывает приблизительную долю высокого уровня и скважность. Реальная форма сигнала всё равно требует измерения.

R, кОм	C, мкФ	t	T	f, Гц
10	1	6,9 мс	13,9 мс	72,1
10	4,7	32,6 мс	65,2 мс	15,3
10	10	69,3 мс	139 мс	7,21
47	1	32,6 мс	65,2 мс	15,3
47	4,7	153 мс	306 мс	3,27
47	10	326 мс	652 мс	1,53
100	1	69,3 мс	139 мс	7,21
100	4,7	326 мс	652 мс	1,53
100	10	693 мс	1,39 с	0,72

Частые вопросы