Рис. 267. Двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью, становится мультивибратором
Опыт — самый лучший, пожалуй, метод познания сущности действия того или иного электронного устройства. В этом ты убеждался не раз. Вот и сейчас, чтобы лучше разобраться в работе этого универсального прибора-автомата, предлагаю провести опыт с ним.
Принципиальную схему автоколебательного мультивибратора со всеми данными его резисторов и конденсаторов ты видишь на рис. 268, а. Смонтируй его на макетной панели. Транзисторы должны быть низкочастотными (МП39-МП42), так как у высокочастотных транзисторов (П401-П403, П420, П422) очень маленькое пробивное напряжение эмиттерного перехода.
Электролитические конденсаторы С1 и С2-типа К50-6, К50-3 или К53-1 на номинальное напряжение 10–15 В. Сопротивления резисторов могут отличаться от указанных на схеме до 50 %. Важно лишь, чтобы возможно одинаковыми были номиналы нагрузочных резисторов R1, R4 и базовых резисторов R2, R3. Для питания используй две последовательно соединенные батареи 3336Л или выпрямитель.
В коллекторную цепь любого из транзисторов включи миллиамперметр (РА) на ток 10–15 мА, а к участку эмиттер-коллектор того же транзистора подключи высокоомный вольтметр постоянного тока (PU) на напряжение до 10 В. Проверив монтаж и особенно внимательно полярность включения электролитических конденсаторов, подключи к мультивибратору источник питания.
Что показывают измерительные приборы? Миллиамперметр — резко увеличивающийся до 8-10 мА, а затем также резко уменьшающийся почти до нуля ток коллекторной цепи транзистора. Вольтметр же, наоборот, то уменьшающееся почти до нуля, то увеличивающееся до напряжения источника питания коллекторное напряжение.
О чем говорят эти измерения? О том, что транзистор этого плеча мультивибратора работает в режиме переключения. Наибольший коллекторный ток и одновременно наименьшее напряжение на коллекторе соответствуют открытому состоянию, а наименьший ток и наибольшее коллекторное напряжение — закрытому состоянию транзистора.
Точно так работает и транзистор второго плеча мультивибратора, но, как говорят, со сдвигом фазы на 180°: когда один из транзисторов открыт, второй закрыт. В этом нетрудно убедиться, включив в коллекторную цепь транзистора второго плеча мультивибратора такой же миллиамперметр; стрелки измерительных приборов будут попеременно отклоняться от нулевых отметок шкал.
Теперь, воспользовавшись часами с секундной стрелкой, сосчитай, сколько раз в минуту транзисторы переходят из открытого состояния в закрытое. Примерно раз 15–20. Таково число электрических колебаний, генерируемых мультивибратором в минуту. Следовательно, период одного колебания равен 3–4 с.
Продолжая следить за стрелкой миллиамперметра, попытайся изобразить эти колебания графически. По горизонтальной оси ординат откладывай в некотором масштабе отрезки времени нахождения транзистора в открытом и закрытом состояниях, а по вертикальной — соответствующий этим состояниям коллекторный ток. У тебя получится примерно такой же график, как тот, что изображен на рис. 268, б. Значит, можно считать, что мультивибратор генерирует электрические колебания прямоугольной формы.
Рис. 268. Схема симметричного мультивибратора (а) и генерируемые им импульсы тока (б)
В сигнале мультивибратора, независимо от того, с какого выхода он снимается, можно выделить импульсы тока и паузы между ними. Интервал времени с момента появления одного импульса тока (или напряжения) до момента появления следующего импульса той же полярности принято называть периодом следования импульсов Т, а время между импульсами — длительностью паузы tп. Мультивибраторы, генерирующие импульсы, длительность tп которых равна паузам между ними, называют симметричными. Следовательно, собранный тобой опытный мультивибратор — симметричный.
Замени конденсаторы С1 и С2 другими конденсаторами емкостью по 10–15 мкФ. Мультивибратор остался симметричным, но частота генерируемых им колебаний увеличилась в 3–4 раза — до 60–80 в 1 мин или, что то же самое, примерно до частоты 1 Гц. Стрелки измерительных приборов еле успевают следовать за изменениями токов и напряжений в цепях транзисторов.
А если конденсаторы С1 и С2 заменить бумажными емкостью по 0,01-0,05 мкФ? Как теперь будут вести себя стрелки измерительных приборов? Отклонившись от нулевых отметок шкал, они стоят на месте. Может быть, сорвана генерация? Нет! Просто частота колебаний мультивибратора увеличилась до нескольких сотен герц. Это колебания диапазона звуковой частоты, фиксировать которые приборы постоянного тока уже не могут. Обнаружить их можно с помощью частотомера или головных телефонов, подключенных через конденсатор емкостью 0,01-0,05 мкФ к любому из выходов мультивибратора или включив их непосредственно в коллекторную цепь любого из транзисторов вместо нагрузочного резистора. В телефонах услышишь звук низкого тона.
Каков принцип работы мультивибратора? Вернемся к схеме на рис. 268, а. В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, так как на их базы через соответствующие им резисторы R2 и R3 подаются отрицательные напряжения смещения. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи: С1 — через эмиттерный переход транзистора V2 и резистор R1; С2 — через эмиттерный переход транзистора V2 и резистор R4. Эти цепи зарядки конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрастающие по значению отрицательные напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы. Открывание транзистора вызывает снижение отрицательного напряжения на его коллекторе, что вызывает снижение отрицательного напряжения на базе другого транзистора, закрывая его. Такой процесс протекает сразу в обоих транзисторах, однако закрывается только один из них, на базе которого более высокое положительное напряжение, например, из-за разницы коэффициентов передачи токов h21Э, номиналов резисторов и конденсаторов. Второй транзистор остается открытым. Но эти состояния транзисторов неустойчивы, ибо электрические процессы в их цепях продолжаются.
Допустим, что через некоторое время после включения питания закрытым оказался транзистор V2, а открытым — транзистор V1. С этого момента конденсатор С1 начинает разряжаться через открытый транзистор V1, сопротивление участка эмиттер-коллектор которого в это время мало, и резистор R2. По мере разрядки конденсатора С1 положительное напряжение на базе закрытого транзистора V2 уменьшается. Как только конденсатор полностью разрядится и напряжение на базе транзистора V2 станет близким нулю, в коллекторной цепи этого, теперь уже открывающегося транзистора появляется ток, который воздействует через конденсатор С2 на базу транзистора V1 и понижает отрицательное напряжение на ней. В результате ток, текущий через транзистор V1, начинает уменьшаться, а через транзистор V2, наоборот, увеличиваться. Это приводит к тому, что транзистор V1 закрывается, а транзистор V2 открывается. Теперь начнет разряжаться конденсатор С2, но через открытый транзистор V2 и резистор R3, что в конечном итоге приводит к открыванию первого и закрыванию второго транзисторов и т. д. Транзисторы все время взаимодействуют, в результате чего мультивибратор генерирует электрические колебания.
Частота колебаний мультивибратора зависит как от емкости конденсаторов связи, что тобой уже проверено, так и от сопротивления базовых резисторов, в чем ты можешь убедиться сейчас же.
Попробуй, например, базовые резисторы R2 и R3 заменить резисторами больших сопротивлении. Частота колебаний мультивибратора уменьшится. И наоборот, если их сопротивления будут меньше, частота колебаний увеличится.