Путь начинающего радиолюбителя обычно проходит через две ключевые самоделки. Первой часто становится детекторный приемник, который раскрывает основы приема радиосигналов. Второй же конструкцией, настоящим прорывом в понимании электроники, выступает макет мультивибратора. Именно это устройство позволяет не просто механически собрать схему по рисунку, а глубоко осознать, как функционирует транзистор — фундаментальный компонент современной радиотехники. В отличие от детекторного приемника, мультивибратор не нуждается в длинной антенне и начинает работать сразу после подключения питания, что вселяет в новичка уверенность в своих силах и пробуждает живой интерес к дальнейшим экспериментам. Эта компактная схема открывает путь в область импульсной техники, автоматики и вычислительных систем.
Что представляет собой мультивибратор?
Мультивибратор — это релаксационный генератор электрических колебаний, формирующий сигналы, близкие по форме к прямоугольным. Его название, введенное голландским физиком ван дер Полом, отражает основную характеристику: в спектре создаваемых прямоугольных сигналов содержится не одна основная частота, а множество гармонических составляющих — «много колебаний». Это одно из наиболее распространенных устройств для генерации импульсов, применяемое практически во всех сферах электроники — от простых детских игрушек до сложной измерительной аппаратуры и вычислительных машин.
Существуют различные виды мультивибраторов, но для освоения основ оптимально подходит симметричный автоколебательный мультивибратор. Он постоянно генерирует колебания, самопроизвольно переключаясь из одного состояния в другое. Его схема представляет собой двухкаскадный усилитель, где выход первого каскада подключен ко входу второго через цепь переменного тока, а выход второго — ко входу первого. Такая перекрестная связь создает глубокую положительную обратную связь, вызывающую самовозбуждение системы. По своей сути, мультивибратор — это два транзисторных усилительных каскада, замкнутых в кольцо.
Принцип действия в аналогии с детскими качелями
Для понимания принципа работы мультивибратора можно представить себе детские качели-балансир. На них качаются два ребенка. Они никогда не пребывают в состоянии покоя — один всегда находится вверху, а другой внизу. В момент, когда один из них достигает высшей точки, он отталкивается от земли, передавая импульс через ось качелей второму, который в это время находится внизу. Этот толчок заставляет второго ребенка подняться, а первого — опуститься. Процесс повторяется циклически.
Подобным образом функционирует и симметричный мультивибратор. Два транзистора в его схеме играют роль детей на качелях. В любой момент времени один транзистор «открыт» (проводит ток, подобно ребенку внизу, который готов оттолкнуться), а второй — «закрыт» (ток не проводит, подобно ребенку в верхней точке). Но это состояние неустойчиво. Так же как качели не могут долго оставаться в крайнем положении, транзисторы не способны постоянно пребывать в одном состоянии. Через определенный промежуток времени, задаваемый параметрами элементов схемы, они стремительно меняются ролями: тот, что был открыт, закрывается, а закрытый — открывается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на схему подается питание.
Устройство и функционирование схемы
Классическая схема симметричного мультивибратора строится на двух биполярных транзисторах одного типа проводимости. Каждое плечо схемы включает транзистор, коллекторный резистор, базовый резистор и конденсатор. В симметричном мультивибраторе номиналы этих элементов в обоих плечах идентичны.
Рассмотрим рабочий цикл схемы детально. Допустим, что в начальный момент после включения питания транзистор VT1 оказался открыт, а VT2 — закрыт. Это состояние неустойчиво.
- В первом состоянии транзистор VT1 открыт и насыщен, его сопротивление невелико, и напряжение на его коллекторе близко к нулю. Транзистор VT2 закрыт, и напряжение на его коллекторе приближено к напряжению питания. Конденсатор C1 начинает заряжаться через открытый VT1 и резистор R2. Зарядка происходит медленно, поскольку резистор R2 обладает большим сопротивлением. В то же время ранее заряженный конденсатор C2 начинает разряжаться через резистор R4 и открытый транзистор VT1. По мере разряда C2 напряжение на базе транзистора VT1 постепенно уменьшается.
- В момент переключения напряжение на базе закрытого транзистора VT2, куда заряжается C1, постепенно увеличивается. Когда оно достигает порога открывания транзистора, VT2 начинает открываться. Это лавинообразный процесс: открываясь, VT2 снижает напряжение на своем коллекторе. Это снижение через конденсатор C2 передается на базу VT1, уменьшая его базовый ток и заставляя его начать закрываться. Закрывание VT1, в свою очередь, повышает напряжение на его коллекторе, что через конденсатор C1 еще больше открывает VT2. Процесс напоминает кувыркание, и схема почти мгновенно переходит в новое состояние.
- Во втором состоянии теперь уже транзистор VT2 открыт, а VT1 закрыт. Напряжения на коллекторах меняются местами: на коллекторе VT2 теперь близко к нулю, а на коллекторе VT1 — к напряжению питания. Теперь конденсатор C2 начинает заряжаться через открытый VT2 и резистор R3, а конденсатор C1 разряжается через резистор R1 и транзистор VT2. Процесс повторяется, и когда напряжение на базе VT1 достигнет порога открывания, схема снова переключится в исходное состояние.
Длительность нахождения транзисторов в закрытом состоянии, определяющая длительность импульсов и пауз, задается постоянными времени заряда конденсаторов. Для одного «плеча» это T = R2 * C1, для другого — T = R3 * C2. Поскольку в симметричной схеме эти величины равны, длительность импульса равна длительности паузы, а скважность равна двум.
Изменяя номиналы резисторов и конденсаторов, можно легко варьировать частоту генерации в очень широких пределах — от единиц герц до сотен килогерц.
Практическое применение мультивибратора весьма обширно. Это классическая учебная схема, но ее используют и в реальных устройствах.
- Самым наглядным примером для начинающего служит мигалка на светодиодах. Если в коллекторные цепи транзисторов вместо резисторов R1 и R4 включить светодиоды, они будут поочередно вспыхивать и гаснуть. Частоту мигания можно регулировать, изменяя емкость конденсаторов или сопротивление базовых резисторов.
- Если вместо светодиода в одно из плеч подключить маломощный динамик, а емкость конденсаторов уменьшить так, чтобы частота генерации оказалась в звуковом диапазоне, мультивибратор превратится в генератор звуковой частоты, который будет воспроизводить тональный сигнал.
- На базе мультивибратора создают переключатели гирлянд, метрономы, простейшие системы автоматики и даже камертоны для настройки музыкальных инструментов, если точно выставить частоту 440 Гц.
Сборка мультивибратора — это не просто пайка нескольких деталей. Это первый содержательный диалог начинающего радиолюбителя с миром активных компонентов. Эта схема наглядно демонстрирует ключевой принцип работы транзистора как переключателя и показывает, как с помощью положительной обратной связи можно создать автоколебательную систему. Успех первой сборки, когда светодиоды начинают послушно мигать, дает мощный творческий импульс, за которым следуют новые, более сложные проекты. Именно с мультивибратора начинается путь от новичка, собирающего готовые схемы, к инженеру, способному создавать собственные устройства.
Читайте также:
Собирали? И лайк мультивибратору!