불안정한 멀티바이브레이터

 

불안정한 멀티바이브레이터

불안정한 멀티바이브레이터는 두 개의 구형파 출력 파형을 지속적으로 생성하는 두 상태 사이에서 진동하는 자유롭게 실행되는 발진기입니다.

Astable Multivibrator 와 같은 재생 스위칭 회로는 간단하고 안정적이며 구성이 용이할 뿐만 아니라 일정한 구형파 출력 파형을 생성하기 때문에 가장 일반적으로 사용되는 유형의 완화 발진기입니다.

작동을 위해 "외부" 트리거 펄스가 필요한 이전 튜토리얼에서 살펴본 단안정 멀티바이브레이터 또는 쌍안정 멀티바이브레이터와 달리 Astable 멀티바이브레이터 에는 두 가지 불안정한 상태(설정 및 재설정) 사이를 지속적으로 전환하는 자동 내장 트리거링 기능이 있습니다.

Astable Multivibrator는 항상 한 상태에서 다른 상태로 변경되므로 안정적인 출력 상태가 없는 또 다른 유형의 교차 결합 트랜지스터 스위칭 회로입니다 . 불안정한 회로는 2개의 스위칭 트랜지스터, 교차 결합 피드백 네트워크, 상태 변화를 생성하기 위한 외부 트리거링 없이 두 상태 사이의 발진을 허용하는 2개의 시간 지연 커패시터로 구성됩니다.

전자 회로에서 불안정한 멀티바이브레이터는 진동하는 데 추가 입력이나 외부 지원이 필요하지 않기 때문에 자유 실행 멀티바이브레이터 라고도 합니다 . 불안정한 발진기는 출력 또는 출력(입력이 없는 2개의 출력)에서 연속 구형파를 생성하며, 이는 조명을 깜박이거나 확성기에서 사운드를 생성하는 데 사용할 수 있습니다.

 

Astable Multivibrator 의 기본 트랜지스터 회로는 접지된 이미터 교차 결합 트랜지스터 쌍에서 구형파 출력을 생성합니다. 멀티바이브레이터의 두 트랜지스터(NPN 또는 PNP)는 선형 작동을 위해 바이어스되어 있으며 100% 포지티브 피드백을 갖춘 공통 이미터 증폭기로 작동됩니다.

이 구성은 다음과 같은 경우 진동 조건을 충족합니다. (  βA = 1 ∠  0 o  ). 이로 인해 한 단계는 "완전 ON"(포화)을 수행하고 다른 단계는 "완전 OFF"(차단)로 전환되어 두 트랜지스터 사이에 매우 높은 수준의 상호 증폭을 제공합니다. 아래 그림과 같이 저항을 통한 커패시터의 방전 작용에 의해 전도가 한 단계에서 다른 단계로 전달됩니다.

기본 불안정 멀티바이브레이터 회로

 

6V 공급 장치와 해당 트랜지스터 TR 1이 방금 "OFF"(차단)로 전환되었고 콜렉터 전압이 Vcc 쪽으로 상승하는 동안 트랜지스터 TR 2는 방금 "ON"으로 전환되었다고 가정합니다. 커패시터 C1 의 플레이트 "A"도 현재 차단된 TR 1 의 컬렉터에 연결되어 있으므로 Vcc 의 +6V 공급 레일 쪽으로 상승합니다 . TR 1 은 차단 상태 이므로 전류가 전도되지 않으므로 부하 저항기 R 1 에 전압 강하가 없습니다 .

커패시터 C1 의 다른 쪽인 플레이트 "B"는 트랜지스터 TR 2 가 전도성(포화)이므로 트랜지스터 TR 2 의 베이스 단자에 0.6v 로 연결됩니다 . 따라서 커패시터 C1은 A 지점에서 B 지점까지 플레이트 전반에 걸쳐 +5.4V( 6.0 – 0.6v ) 의 전위차를 갖습니다.

TR 2 가 완전히 켜져 있으므로 커패시터 C 2는 저항 R 2를 통해 Vcc 방향으로 충전되기 시작합니다 . 커패시터 C 2 양단의 전압이 0.6v 이상으로 상승하면 트랜지스터 TR 1을 전도 및 포화 상태로 바이어스합니다.

트랜지스터 TR 1 이 "ON"으로 전환되는 순간 , 원래 Vcc 전위 였던 커패시터의 플레이트 "A"는 즉시 0.6V로 떨어집니다. 플레이트 "A"의 이러한 급속한 전압 강하는 플레이트 "B"의 전압이 동일하고 순간적으로 떨어지므로 C1 의 플레이트 "B"는 -5.4v (역전하) 로 풀다운되고 이 음의 전압 스윙이 적용됩니다. TR 2 의 베이스를 "OFF"로 설정합니다. 하나의 불안정한 상태.

트랜지스터 TR 2 가 차단 상태로 구동되므로 커패시터 C1은 이제 +6V 공급 레일 Vcc 에도 연결된 저항기 R3을 통해 반대 방향으로 충전되기 시작합니다 . 따라서 트랜지스터 TR 2 의 베이스는 이제 C1 x R3 조합 과 동일한 시간 상수로 Vcc를 향해 양의 방향으로 위쪽으로 이동하고 있습니다 .

그러나 0.6V 양의 값이 되자마자 트랜지스터 TR 2가 완전히 "ON" 상태로 포화 상태로 바뀌기 때문에 Vcc 값에는 결코 도달하지 않습니다 . 이 작업은 전체 프로세스를 다시 시작하지만 이제 커패시터 C2 는 트랜지스터 TR 1 의 베이스를 -5.4v 로 가져가는 동시에 저항 R2를 통해 충전 하고 두 번째 불안정한 상태에 진입합니다.

그러면 회로가 트랜지스터 TR 1 이 "OFF"이고 트랜지스터 TR 2가 "ON"인 불안정한 상태와 TR 1 이 "ON"이고 TR 2 가 "OFF" 인 두 번째 불안정한 상태 사이를 번갈아가는 것을 볼 수 있습니다. RC 값 에 의해 결정되는 비율입니다 . 이 과정은 공급 전압이 존재하는 한 계속해서 반복됩니다.

출력 파형의 진폭은 공급 전압 Vcc 와 거의 동일하며 각 스위칭 상태의 기간은 트랜지스터의 베이스 단자에 연결된 RC 네트워크의 시상수에 의해 결정됩니다. 트랜지스터가 "ON"과 "OFF"를 모두 전환하므로 두 컬렉터의 출력은 커패시터를 충전하는 전류로 인해 모서리가 약간 둥근 구형파가 됩니다. 나중에 논의할 것처럼 더 많은 구성 요소를 사용하여 이 문제를 해결할 수 있습니다.

기본 회로에서 C2 x R2 및 C1 x R3 에 의해 생성된 두 시간 상수가 동일하면 마크 대 공간 비율(  t1/t2  )은 1:1과 같아 출력 파형의 모양이 대칭이 됩니다. . 커패시터 C1, C2 또는 저항 R2, R3을 변경하여 표시 대 공간 비율과 주파수를 변경할 수 있습니다.

 

우리는 RC 방전 튜토리얼에서 커패시터 양단의 전압이 공급 전압의 절반인 0.5Vcc 로 떨어지는 데 걸리는 시간이 커패시터와 저항기 조합의 0.69 시상수 와 같다는 것을 확인했습니다. 그런 다음 불안정한 멀티바이브레이터의 한쪽을 취하면 트랜지스터 TR 2 가 "OFF" 인 시간 길이는 0.69T , 즉 C1 x R3 시간 상수의 0.69배가 됩니다 . 마찬가지로, 트랜지스터 TR 1 이 "OFF"되는 시간은 0.69T , 즉 C2 x R2 시상수의 0.69배가 되며 이는 다음과 같이 정의됩니다.

불안정한 멀티바이브레이터 주기 시간

 

여기서 R 은 Ω이고 C 는 패럿입니다.

하나의 RC 네트워크 의 시상수를 변경하면 출력 파형의 표시 대 공간 비율과 주파수가 변경될 수 있지만 일반적으로 두 RC 시상수를 동시에 변경하면 출력 주파수가 표시를 유지하면서 변경됩니다. 공간 비율은 일대일로 동일합니다.

커패시터 C1 의 값이 커패시터 C2의 값과 같고 C1 = C2 이고 기본 저항 R2 의 값 이 기본 저항 R3 의 값과 같으면 R2 = R3 이면 멀티바이브레이터 의 총 시간 길이는 다음과 같습니다 . 대칭 출력 파형에 대한 주기는 아래에 나와 있습니다.

진동 주파수

 

여기서 R 은 Ω 단위, C 는 패럿 단위, T 는 초 단위, θ 는 헤르츠 단위입니다.

이를 "펄스 반복 주파수"라고 합니다. 따라서 Astable 멀티바이브레이터는 아래 표시된 것처럼 RC 네트워크 의 시간 상수에 따라 각 트랜지스터에서 두 개의 매우 짧은 구형파 출력 파형을 생성하거나 훨씬 긴 직사각형 모양의 출력(대칭 또는 비대칭)을 생성할 수 있습니다 .

불안정한 멀티바이브레이터 파형

 

불안정한 멀티바이브레이터 예제 No1

1:5의 표시 대 공간 비율로 500Hz의 주파수에서 일련의 펄스를 생성하려면 불안정한 멀티바이브레이터 회로 가 필요합니다. R2 = R3 = 100kΩ 인 경우   필요한 커패시터 C1 및 C2 의 값을 계산합니다 .

 

주기적인 시간에 대해 위의 공식을 재배열하면 1:5의 마크 대 공간 비율을 제공하는 데 필요한 커패시터 값은 다음과 같이 제공됩니다.

 

각각 4.83nF 와 24.1nF 값은 계산된 값이므로 커패시터 허용 오차를 허용하는 C1 및 C2 에 대해 가장 가까운 선호 값을 선택해야 합니다 . 실제로 겸손한 커패시터와 관련된 광범위한 허용 오차로 인해 실제 출력 주파수는 필요한 실제 주파수와 ±20%(간단한 예에서는 400~600Hz)만큼 다를 수 있습니다.

타이밍 또는 게이팅 유형 회로 등에 사용하기 위해 출력 불안정 파형이 비대칭이어야 하는 경우 위의 예에서와 같이 필요한 개별 구성 요소에 대한 R 및 C 값을 수동으로 계산할 수 있습니다.

그러나 두 개의 타이밍 저항과 커패시터의 값이 모두 같을 때 타이밍 테이블을 사용하면 생활을 조금 더 쉽게 만들 수 있습니다. 타이밍 테이블은 우리 회로와 관련된 R 및 C 의 다양한 조합 또는 값에 대해 불안정한 멀티바이브레이터가 계산한 주파수를 보여줍니다 . 예를 들어:

불안정한 멀티바이브레이터 주파수 테이블

결의안.	커패시터 값
	1nF	2.2nF	4.7nF	10nF	22nF	47nF	100nF	220nF	470nF
1.0kΩ	714.3kHz	324.6kHz	151.9kHz	71.4kHz	32.5kHz	15.2kHz	7.1kHz	3.2kHz	1.5kHz
2.2kΩ	324.7kHz	147.6kHz	69.1kHz	32.5kHz	14.7kHz	6.9kHz	3.2kHz	1.5kHz	691Hz
4.7kΩ	151.9kHz	69.1kHz	32.3kHz	15.2kHz	6.9kHz	3.2kHz	1.5kHz	691Hz	323Hz
10kΩ	71.4kHz	32.5kHz	15.2kHz	7.1kHz	3.2kHz	1.5kHz	714Hz	325Hz	152Hz
22kΩ	32.5kHz	14.7kHz	6.9kHz	3.2kHz	1.5kHz	691Hz	325Hz	147Hz	69.1Hz
47kΩ	15.2kHz	6.9kHz	3.2kHz	1.5kHz	691Hz	323Hz	152Hz	69.1Hz	32.5Hz
100kΩ	7.1kHz	3.2kHz	1.5kHz	714Hz	325Hz	152Hz	71.4Hz	32.5Hz	15.2Hz
220kΩ	3.2kHz	1.5kHz	691Hz	325Hz	147Hz	69.1Hz	32.5Hz	15.2Hz	6.9Hz
470kΩ	1.5kHz	691Hz	323Hz	152Hz	69.1Hz	32.5Hz	15.2Hz	6.6Hz	3.2Hz
1MΩ	714Hz	325Hz	152Hz	71.4Hz	32.5Hz	15.2Hz	6.9Hz	3.2Hz	1.5Hz

 

미리 계산된 주파수 테이블은 다른 주파수가 필요할 때마다 계속해서 다시 계산할 필요 없이 특정 대칭 출력 주파수에 대해 필요한 R 및 C 값을 결정하는 데 매우 유용할 수 있습니다.

듀얼 갱 전위차계의 두 고정 저항 R 2 및 R 3 을 변경하고 커패시터 값을 동일하게 유지함으로써 불안정한 멀티바이브레이터 출력 의 주파수를 보다 쉽게 ​​"조정"하여 특정 주파수 값을 제공하거나 사용된 부품의 공차를 보상합니다.

예를 들어, 위 표에서 커패시터 값 10nF 를 선택합니다. 저항에 100kΩ 전위차계를 사용하면 71.4kHz 약간 위에서 714Hz까지 완전히 조정될 수 있는 출력 주파수를 얻을 수 있으며, 이는 약 30년의 주파수 범위입니다. 마찬가지로 47nF 의 커패시터 값은 152Hz에서 15kHz를 훨씬 넘는 주파수 범위를 제공합니다.

불안정한 멀티바이브레이터 예제 No2

불안정한 멀티바이브레이터 회로는 동일한 값이 3.3uF인 두 개의 타이밍 커패시터와 값이 10kΩ인 두 개의 기본 저항을 사용하여 구성됩니다. 100kΩ 듀얼 갱 전위차계가 두 개의 저항기와 직렬로 연결된 경우 진동의 최소 및 최대 주파수를 계산합니다.

전위차계가 0%인 경우 기본 저항 값은 10kΩ과 같습니다.

 

전위차계를 100%로 사용하면 기본 저항 값은 10kΩ + 100kΩ = 110kΩ과 같습니다.

 

그런 다음 불안정한 멀티바이브레이터의 진동 출력 주파수는 2.0에서 22Hz 사이에서 다양할 수 있습니다.

안정적인 작동을 위해 저항과 커패시턴스 값을 모두 선택할 때 기본 저항은 다른 트랜지스터가 "OFF"가 될 때 트랜지스터가 완전히 "ON"이 되도록 하는 값을 가져야 합니다. 예를 들어 위의 회로를 생각해 보세요. 트랜지스터 TR 2 가 완전히 "ON"되면(포화) 거의 동일한 전압이 저항 R3 과 저항 R4 에서 강하됩니다 .

사용되는 트랜지스터의 전류 이득 β 가 100이고 콜렉터 부하 저항 R4가 1kΩ인 경우 최대 기본 저항 값은 100kΩ이 됩니다. 더 높으면 트랜지스터가 완전히 "ON"으로 전환되지 않아 멀티바이브레이터가 잘못된 결과를 나타내거나 전혀 진동하지 않을 수 있습니다. 마찬가지로, 베이스 저항의 값이 너무 낮으면 트랜지스터가 "OFF"로 전환되지 않고 멀티바이브레이터가 다시 진동하지 않을 수 있습니다.

출력 신호는 각 출력 파형이 그 자체의 거울 이미지인 Astable Multivibrators 회로의 트랜지스터 중 하나의 콜렉터 단자에서 얻을 수 있습니다. 위에서 우리는 교차 결합 회로에 있는 커패시터의 충전 특성으로 인해 출력 파형의 앞쪽 가장자리가 사각형이 아닌 약간 둥글다는 것을 확인했습니다.

그러나 거의 완벽하게 정사각형 출력 펄스를 생성하고 실제 불안정한 멀티바이브레이터의 작동에 영향을 주지 않고 LED나 확성기 등과 같은 더 높은 전류 부하나 낮은 임피던스 부하를 전환하는 데 사용할 수 있는 또 다른 트랜지스터를 회로에 도입할 수 있습니다.

그러나 단점은 추가 트랜지스터가 매우 작은 지연을 생성하기 때문에 출력 파형이 완벽하게 대칭이 아니라는 것입니다. 아래 두 회로를 고려하십시오.

불안정한 멀티바이브레이터 구동 회로

 

이제 정사각형 리딩 에지를 갖는 출력이 트랜지스터 의 이미터 TR 2 에 연결된 제3 트랜지스터 TR 3 에서 생성됩니다 . 이 제3 트랜지스터는 트랜지스터 TR2 와 ​​함께 "ON" 및 "OFF"를 전환한다 . 이 추가 트랜지스터를 사용하여 발광 다이오드, 릴레이를 전환하거나 위에 표시된 것처럼 스피커 또는 피에조 음향기와 같은 사운드 변환기에서 사운드를 생성할 수 있습니다.

부하 저항 Rx는 순방향 전압 강하를 고려하고 LED 회로의 경우 최대 전류를 약 20mA로 제한하거나 스피커 회로의 경우 총 부하 임피던스를 약 100Ω으로 제공하도록 적절하게 선택해야 합니다. 스피커는 100Ω 미만의 임피던스를 가질 수 있습니다.

유사한 방식 으로 추가 트랜지스터 TR 4 를 다른 트랜지스터 TR 1 의 이미터 회로에 연결 함으로써 다음과 같은 속도로 두 세트의 조명 또는 LED를 한 세트에서 다른 세트로 깜박이는 불안정한 멀티바이브레이터 회로를 생성할 수 있습니다. RC 타이밍 네트워크 의 시간 상수 .

파형 및 신호 에 대한 다음 튜토리얼에서는 연속 출력 파형을 생성하는 데 사용되는 다양한 유형의 불안정 멀티바이브레이터를 살펴보겠습니다 . 이완 발진기(relaxation oscillator)로 알려진 이러한 회로는 순차 회로에서 클록 펄스 또는 타이밍 신호로 사용하기 위해 출력에서 ​​사각파 또는 직사각형파를 생성합니다. 이러한 유형의 회로를 파형 발생기라고 합니다.