مولتی ویبراتور‌های مونو استابل و اصول کاری آن- بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، مولتی ویبراتور مونو استابل (Monostable Multivibrator) جزو مدارات ترتیبی باز تولید‌کننده (Regenerative) محسوب می‌شود که دو نوع سنکرون و غیرسنکرون دارد. این مدار معمولا به صورت گسترده در کاربرد‌های زمان‌بندی الکترونیکی (Electronic Timing) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مطلب قصد داریم به بررسی مولتی ویبراتور‌های مونو استابل بپردازیم و با اصول کاری آن‌ها آشنا شویم.

مولتی ویبراتور‌ها یک شکل موج را در خروجی تولید می‌کنند که معمولا این شکل موج، به صورت مربعی متقارن (Symmetrical) یا غیرمتقارن (Asymmetrical) است؛ زیرا شکل موج مربعی متداول‌ترین شکل موج تولیدی مورد استفاده در مدارات الکترونیکی است. این مولتی ویبراتور‌های متعلق به یک خانواده از نوسان‌گر‌ها (Oscillators) هستند که معمولا نوسان‌گر‌های آرام (Relaxation Oscillators) نامیده می‌شوند.

در حالت کلی، مولتی ویبراتور‌های گسسته از دو ترانزیستور که به صورت متقاطع به یکدیگر کوپل شده‌اند، به عنوان مدار کلیدزنی، تشکیل شده است. این مدار کلید زنی به نحوی طراحی شده است که یک یا تعداد بیشتری از خروجی‌های خود را به عنوان ورودی و از طریق شبکه مقاومت و خازن (RC) به ترانزیستور‌های دیگر باز گرداند تا یک حلقه فیدبک ایجاد شود.

مولتی ویبراتور مونو استابل

ویژگی مولتی ویبراتور‌ها این است که این مدارات دارای دو حالت الکتریکی مختلف هستند. یک حالت خروجی HIGH و دیگری حالت خروجی LOW است. این حالت‌های خروجی بسته به نوع مولتی ویبراتور، به مدار وضعیتی پایدار (Stable) و یا شبه پایدار (Quasi Stable) می‌دهند. یک نوع از چنین پیکربندی‌های مولد پالس دو حالته، مولتی ویبراتور مونو استابل نام دارد. نمای یک مدار مولتی ویبراتور مونو استابل در شکل زیر نشان داده شده است.

یک مدار مولتی ویبراتور مونو استابل

مولتی ویبراتور مونو استابل فقط یک حالت پایدار دارد و دقیقا به همین دلیل است که نام مونو استابل بر آن نهاده شده است. این نوع از مدارات زمانی که توسط یک پالس خارجی تریگر شوند، پالس خروجی تکی را تولید می‌کنند. مولتی ویبراتور مونو استابل فقط زمانی به حالت پایدار اولیه خود (که آن حالت را حالت پایدار مونو استابل می‌نامند.) باز می‌گردد که یک بازه زمانی خاص را سپری کند. این بازه زمانی توسط ثابت زمانی مدار شبکه RC کوپل شده تعیین می‌شود.

مدار ماسفت (MOSFET) در شکل بالا را در نظر بگیرید. مقاومت R و خازن C متعلق به شبکه زمان‌بندی هستند. ماسفت کانال N افزایشی (N-channel Enhancement Mode MOSFET) بر حسب ولتاژ در دو سر خازن به وضعیت روشن می‌رود و LED متصل به درین (Drain) نیز روشن می‌شود.

زمانی که کلید بسته باشد، خازن اتصال کوتاه شده و بنابراین در مد تخلیه قرار می‌گیرد. در همین حال گیت (Gate) ترانزیستور ماسفت به زمین متصل می‌شود و ترانزیستور و در نتیجه LED نیز خاموش می‌شوند. پس می‌توان گفت در زمانی که کلید بسته باشد، مدار همیشه در حالت خاموش است و در وضعیت ناپایدار خود قرار دارد.

اما زمانی که کلید در مدار باز شود، خازن C که در مرحله قبل به صورت کامل دشارژ شده بود، این بار از طریق مقاومت R شروع به شارژ شدن می‌کند. سرعت این شارژ شدن را مدار زمان‌بندی تعیین می‌کند که همان شبکه خازنی مقاومتی RC است. زمانی که ولتاژ شارژ خازن به پایین‌ترین سطح ولتاژ آستانه گیت ماسفت برسد، ترانزیستور ماسفت روشن می‌شود و همزمان با آن LED نیز روشن می‌شود. در این حالت مدار در وضعیت پایدار خود قرار می‌گیرد؛ بنابراین کاربرد کلید در مدار باعث می‌شود که وضعیت آن از حالت پایدار به ناپایدار تغییر کند و هنگامی که ثابت زمانی مدار RC به پایان برسد، دوباره به حالت پایدار خود باز می‌گردد. پس مدار فقط در یک بازه زمانی از پیش تعیین شده در حالت ناپایدار قرار می‌گیرد و به همین دلیل به این مدار یک مدار ماسفت مولتی ویبراتور مونو استابل و یا تک ضربه (One-Shot) می‌گویند.

مولتی ویبراتور مونو استابل یا مولتی ویبراتور تک ضربه‌ای برای تولید یک پالس خروجی تکی مورد استفاده قرار می‌گیرد که این پالس با وارد شدن یک پالس تریگر خارجی به مدار تولید می‌شود و در هر حالت HIGH و LOW دارای پهنای پالس (Pulse Width) مخصوص است. این پالس تریگر یک چرخه زمان‌بندی (Timing Cycle) را شروع می‌کند که در نهایت منجر به این می‌شود که خروجی مولتی ویبراتور مونو استابل حالت خود را در شروع چرخه زمان‌بندی تغییر دهد و در این حالت دوم باقی بماند.

چرخه زمان‌بندی مولتی ویبراتور مونو استابل، توسط ثابت زمانی خازن زمان‌بندی CTو مقاومت RTتعیین می‌شود و از این طریق به حالت پایدار اصلی خود باز می‌گردد و یا اصطلاحا ریست می‌شود. مولتی ویبراتور مونو استابل تا زمانی نامحدود در این حالت پایدار و اصلی خود باقی می‌ماند و فقط هنگامی از آن خارج می‌شود که یک پالس ورودی یا پالس تریگر دیگر دریافت کند. پس مولتی ویبراتور مونو استابل فقط یک حالت پایدار دارد و در پاسخ به یک پالس تکی ورودی تریگر، چرخه کاملی را طی می‌کند.

مدار مولتی ویبراتور مونو استابل

در مدار شکل زیر یک پیکربندی از مولتی ویبراتور مونو استابل ساده با ترانزیستور‌های کلکتور کوپل شده (Collector-Coupled) به همراه شکل موج خروجی متناظر نشان داده شده است.

یک پیکربندی از مولتی ویبراتور مونو استابل ساده با ترانزیستور‌های کلکتور کوپل شده

زمانی که ابتدا ولتاژ را اعمال می‌کنیم، بیس ترانزیستور TR۲ از طریق مقاومت بایاس RTبه ولتاژ تغذیه VCC متصل می‌شود، بنابراین ترانزیستور به صورت کامل روشن می‌شود و به ناحیه اشباع می‌رود. در همین حال، ترانزیستور TR۱ خاموش می‌شود. این حالت منجر به این می‌شود که مدار در وضعیت پایدار خود باشد و خروجی آن برابر با صفر باشد؛ بنابراین جریان در ترمینال بیس اشباع شده ترانزیستور TR۲ برابر با Ib= (VCC–۰.۷) RTخواهد بود.

اگر یک پالس تریگر منفی به ورودی اعمال شود، لبه گذرای سریع پالس، مستقیما از خازن C۱و از طریق دیود مسدود کننده به بیس ترانزیستور TR۱ عبور می‌کند تا آن را خاموش کند. کلکتور ترانزیستور TR۱ که قبلا دارای ولتاژ VCC بود، اکنون سریعا به زیر صفر افت می‌کند و ولتاژ معکوس موثر به اندازه ۰.۷- در طول خازن ایجاد می‌کند. این عمل منجر به این می‌شود که ترانزیستور TR۲ اکنون دارای ولتاژ بیس منفی در نقطه X باشد و در نتیجه ترانزیستور کاملا خاموش شود. در نهایت این وضعیت منجر به این می‌شود که مدار به حالت دوم خود برود که همان حالت ناپایدار محسوب می‌شود. مقدار خروجی مدار در حالت ناپایدار برابر با VCCخواهد بود.

خازن زمان‌بندی CTشروع به تخلیه کردن ولتاژ ۰.۷- خود از طریق مقاومت زمان‌بندی RT می‌کند تا به مقدار ولتاژ منبع تغذیه VCC شارژ شود. این ولتاژ منفی در بیس ترانزیستور TR۲ به تدریج شروع به کاهش می‌کند. نرخ این کاهش ولتاژ توسط ثابت زمانی شبکه زمان‌بندی RTCT تعیین می‌شود. از آن‌جا که ولتاژ بیس ترانزیستور TR۲ تا بازگشت مجدد به VCCشروع به افزایش می‌کند، ترانزیستور وارد مد هدایت می‌شود و ترانزیستور TR۱ را مجددا خاموش می‌کند. این حالت باعث می‌شود که مولتی ویبراتور مونو استابل دوباره به حالت پایدار خود باز گردد و منتظر پالس تریگر منفی دیگری بماند تا فرآیند را بار دیگر شروع کند.

مولتی ویبراتور مونو استابل می‌تواند هم یک پالس بسیار کوتاه و هم یک شکل موج مستطیلی بزرگتر را ایجاد کند. لبه بالا رونده در این پالس زمانی به وجود می‌آید که یک پالس تریگر خارجی به مدار اعمال شود. اما لبه پایین رونده پالس، بستگی به ثابت زمانی شبکه RC دارد. این ثابت زمانی ممکن است با زمان تغییر کند و یک دنباله از پالس‌ها را تولید کند که دارای تاخیر زمانی ثابت و کنترل‌شده در تناسب با پالس تریگر اصلی هستند. نمایی از دو نوع شکل موج خروجی مولتی ویبراتور مونو استابل در تصویر زیر نمایش داده شده است.

شکل موج‌های مولتی ویبراتور مونو استابل

ثابت زمانی مولتی ویبراتور مونو استابل می‌تواند با تغییر مقادیر مقاومت RTو خازن زمان‌بندی CT و یا هر دو با هم، افزایش یا کاهش یابد. مولتی ویبراتور‌های مونو استابل معمولا برای افزایش پهنای پالس و یا ایجاد تاخیر زمانی در یک مدار مورد استفاده قرار می‌گیرند. چون فرکانس سیگنال خروجی همیشه با فرکانس پالس تریگر ورودی یکسان است، در نتیجه فقط در پهنای پالس با یکدیگر متفاوت هستند.