Multivibrátor je obvod, který přepíná mezi VYSOKÝM a NÍZKÝM ZVUKEM za účelem vytvoření pulzů, časovacích signálů a přepínání. Může běžet nepřetržitě, vytvářet časový pulz nebo držet stav, dokud ho nový vstup nezmění. Tento článek pokrývá jeho typy, provoz, časování, tvary obvodů, návrh časovače 555 a aplikace.
Přehled multivibrátoru
Multivibrátor je elektronický obvod, který přepíná mezi dvěma výstupními stavy, nazývanými VYSOKÝ a NÍZKÝ. Dělá to řízeným způsobem pro generování časovacích signálů, pulzů nebo stacionárních přepínání. V závislosti na svém designu může multivibrátor sám přepínat tam a zpět, při spuštění vydat jednorázový pulz, nebo zůstat v jednom stavu, dokud ho nový vstup nezmění.
Multivibrátory jsou běžné v mnoha elektronických obvodech, protože pomáhají řídit časování a tok signálu. Používají se v generátorech pulzů, obvodech s časovým zpožděním, obvodech blikajících světel, obvodech alarmů a tónů, jednoduchých paměťových obvodech a počítacích obvodech. Tyto obvody lze vyrobit s logickými hradly, tranzistory, operačními zesilovači nebo časovacími integrovanými obvody, jako je časovač 555.
Typy multivibrátorů
Astabilní multivibrátory
Astabilní multivibrátor nemá stabilní výstupní stav. Jakmile je napájení připojeno, stále přepíná mezi VYSOKÝM a NÍZKÝM bez nutnosti jakéhokoliv spouště. To z něj dělá volně běžící oscilátor.
Jeho činnost je řízena sítí kondenzátor-rezistor. Kondenzátor se nabíjí a vybíjí v čase. Když napětí dosáhne určité úrovně, výstup změní stav. Tento cyklus se opakuje a vzniká spojitá čtvercová nebo obdélníková vlna. Rychlost spínání závisí na hodnotách RC a pracovní cyklus závisí na nabíjecích a vybíjecích cestách.
Monostabilní multivibrátory
Monostabilní multivibrátor má jeden stabilní stav a jeden dočasný stav. Zůstává ve svém normálním stavu, dokud nepřijme spouštěcí signál. Poté se na určitou dobu změní stav a poté se vrátí do stabilního stavu.
Tento časovací mechanismus je řízen rezistorem a kondenzátorem. Po spuštění kondenzátor začne nabíjet nebo vybíjet. Když napětí dosáhne stanoveného prahu, obvod se vrátí do původního stavu. Protože každý spoušť produkuje jeden výstupní impuls, tento typ se také nazývá jednorázový obvod.
Bistabilní multivibrátory
Bistabilní multivibrátor má dva stabilní výstupní stavy. Sama se nezapne ani nevrátí do výchozího stavu. Zůstává v jednom stavu, dokud vstupní signál neřekne, aby se změnil.
Tento typ využívá kladnou zpětnou vazbu k udržení svého současného stavu. Vstupy jako Set, Reset nebo Toggle ovládají, když se výstup změní. Protože neexistuje automatická časová akce, výstup zůstává ve svém aktuálním stavu, dokud nepřijde další vstup.
Provoz a časování multivibrátoru
Všechny multivibrátory fungují na dvou základních principech: pozitivní zpětné vazbě a časovací síti. Pozitivní zpětná vazba pomáhá obvodu silně přejít do jednoho ze dvou výstupních stavů. Časovací síť, často vyrobená s rezistorem a kondenzátorem, pomáhá rozhodnout, kdy by se měl výstup změnit z jednoho stavu do druhého.
V mnoha multivibrátorových obvodech se kondenzátor nabíjí nebo vybíjí přes rezistory v průběhu času. Jak napětí stoupá nebo klesá, následuje exponenciální křivku místo toho, aby se měnila v přímce. Když toto napětí dosáhne stanovené hranice, obvod přepne stav. Pozitivní zpětná vazba pak posiluje nový stav a připravuje obvod na další změnu.
Jak funguje RC časování?
• Kondenzátor se nabíjí nebo vybíjí přes jeden nebo více rezistorů.
• Napětí kondenzátoru se mění exponenciálně.
• Když napětí dosáhne určité prahové úrovně, výstup se přepne.
• Pozitivní zpětná vazba pomáhá uzamknout obvod do nového stavu.
• Cyklus pokračuje podle typu obvodu.
Hlavní časování a vlnové členy
• Šířka pulzu (TON nebo TOFF) – délka doby, po kterou výstup zůstává v jednom stavu
• Perioda (T) – doba potřebná pro jeden celý cyklus
• Frekvence (f) – počet cyklů za sekundu
• Pracovní cyklus (D) – procento jednoho cyklu, kdy výstup zůstává VYSOKÝ
• Vzestupná hrana – změna z NÍZKÉ na VYSOKOU
• Klesající hrana – změna z HIGH na LOW
Základní vzorce
• Frekvence:
f = 1 / T
• Pracovní cyklus:
D = (T_HIGH / T) × 100 %
Implementace multivibrátorových obvodů
Multivibrátory s logickými hradly
• Postavený s hradly NAND, NOR nebo invertorovými hradly
• Použití RC časovacích částí pro řízení spínaní
• Vytvářet výstupy odpovídající digitálním logickým úrovním
• Dobře zapadají do obvodů, které již používají logické obvody
Tranzistorové multivibrátory
• Postavený s tranzistory, rezistory a kondenzátory
• Zobrazit každou fázi přepínání přímočaře
• Umožňuje návrh flexibilních obvodů
• Lze uspořádat pro různé podmínky napětí nebo proudu
Operační zesilovač a komparátorové multivibrátory
• Používejte operační zesilovače nebo komparátory s pozitivní zpětnou vazbou
• Zahrnout RC sítě pro řízení časování
• Může způsobit silné změny výstupního napětí
• Dobře funguje s analogovými signálovými obvody
Časovače multivibrátory 555
• Použití časovače IC 555 v astabilním nebo monostabilním režimu
• Potřeba pouze malý počet vnějších komponent
• Nabízet jednoduché a stabilní řízení časování
• Podpora širokého rozsahu šířek a frekvencí pulzů
Návrh multivibrátoru s časovačem 555
Vnitřní prahové úrovně
• Dolní prah: 1/3 VCC
• Horní práh: 2/3 VCC
• Napětí kondenzátoru se pohybuje mezi těmito dvěma úrovněmi a řídí spínání
555 astabilní konfigurace
V astabilním režimu 555 střídá mezi VYSOKÝM a NÍZKÝM bez externího vstupu spouště. Tato akce je nastavena dvěma rezistory, R1 a R2, a jedním kondenzátorem, C. Kondenzátor se nabíjí přes oba rezistory a vybíjí se přes jeden, čímž vzniká opakující se výstupní vlna.
Astabilní časovací vzorce
• HIGH čas: t1 = 0,693 (R1 + R2) C
• LOW time: t2 = 0,693 (R2) C
• Perioda: T = t1 + t2 = 0,693 (R1 + 2R2) C
• Frekvence: f = 1 / T
Monostabilní konfigurace 555
V monostabilním režimu zůstává 555 v jednom stabilním stavu, dokud nepřijme spouštěcí impuls. Když napětí spouště klesne pod jednu třetinu VCC, výstup se vyspíše a časovací kondenzátor začne nabíjet přes rezistor R. Když napětí kondenzátoru dosáhne dvou třetin VCC, výstup se vrátí na LOW.
Tím vzniká jeden pulz pro každý spouštěcí signál. Šířka pulzu závisí na hodnotách rezistoru a kondenzátoru zvolených pro časovou síť.
Výhody používání modelu 555
• Používá pouze malý počet vnějších dílů
• Zajišťuje stabilní a předvídatelné načasování
• Podporuje široký rozsah šířek a frekvencí pulzů
• Pracuje jak v astabilním, tak v monostabilním režimu
• Zjednodušuje návrh časování díky pevným vnitřním prahům
Aplikace multivibrátorů
Hodinové a časovací obvody
Multivibrátory se často používají k vytváření opakujících se časovacích signálů a řízených zpoždění. Tyto signály pomáhají obvodům pravidelně přepínat nebo čekat určitou dobu před změnou stavu.
Obvody vizuálního signalizačního systému
Používají se také v obvodech pro vizuální signalizaci, kde výstup musí blikat, blikat nebo se opakovat v opakovaném vzoru. To je činí užitečnými pro načasování a indikaci stavu podle světla.
Audio a varovné obvody
Multivibrátory mohou generovat opakující se pulzy, které se používají v obvodech produkujících zvuk. Řízením rychlosti přepínání pomáhají vytvářet stálé varování nebo tónové signály.
Obvody pro úpravu signálu
Při kondicionování signálů multivibrátory pomáhají tvarovat a řídit vstupní signály. Dokážou odstranit nestabilní změny, prodloužit krátké pulzy nebo vytvořit jednotnější výstupní signál.
Logika a řízení stavů
Některé multivibrátory se používají k udržení jednoho ze dvou výstupních stavů, dokud ho nový vstup nezmění. To je činí užitečnými v obvodech, které vyžadují jednoduchou kontrolu stavu, ukládání nebo opakované počítání.
Výhody a omezení multivibrátorů
| Výhody | Omezení |
|---|---|
| Jednoduchá struktura obvodu s malým počtem komponent | RC časování může být posunuté kvůli tolerancím součástek, teplotě nebo změnám dodávky |
| Flexibilní provoz pro oscilaci, generování pulzů nebo ukládání stavů | Šumové spouštěcí signály mohou způsobit falešné spínání nebo nestabilní změny výstupu |
| Lze jej sestavit s tranzistory, logickými hradly, operačními zesilovači, komparátory nebo časovačem 555 | Velmi přesné časování může vyžadovat přesné díly nebo speciální časovací obvod |
| Dobře funguje pro časování, přepínání a obvody řízení impulsů | Výstupní zatížení může ovlivnit tvar nebo časování vlny v některých obvodech |
Závěr
Multivibrátory jsou jednoduché obvody používané pro časování, generování pulzů a řízení stavu. Astabilní, monostabilní a bistabilní typy fungují každý jiným způsobem, ale všechny spoléhají na přepínání mezi dvěma výstupními stavy. Jejich chování je formováno pozitivní zpětnou vazbou a načasováním RC. Díky různým tvarům obvodů, návrhům časovačů, aplikacím a bodům s 555 body zůstávají multivibrátory užitečnou součástí elektronických obvodů.
Často kladené otázky [FAQ]
Je čtvercová vlna totéž co obdélníková vlna?
Ne. Obdélníková vlna má stejné časy VYSOKÉ a NÍZKÉ. Obdélníková vlna má nerovnoměrné časy VYSOKÉ a NÍZKÉ.
Proč se v multivibrátoru používá pozitivní zpětná vazba?
Pozitivní zpětná vazba pomáhá obvodu rychle přepínat a zůstat stabilní buď ve vysokém, nebo nízkém stavu.
Co dělá výměna kondenzátoru v multivibračním obvodu?
Mění to načasování. Větší kondenzátor způsobuje, že obvod se přepne pomaleji. Menší kondenzátor způsobí, že přepínání je rychlejší.
Může multivibrátor vytvořit více než jeden tvar vlny?
Ano. Hlavním výstupem je spínací průběh, ale napětí kondenzátoru může vykazovat stoupající a klesající průběh.
9,5 Proč je napájecí napětí důležité u multivibrátoru?
Napájecí napětí ovlivňuje úrovně spínaní a časování. Pokud se změní, může se změnit i časování výstupu.
9,6 Je každý multivibrátor oscilátor?
Ne. Jako oscilátor funguje pouze astabilní multivibrátor, protože sám přepíná nepřetržitě.
