بررسی مدارات مولتی ویبراتور آستابل - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، مولتی ویبراتور آستابل (Astable Multivibrator) را می‌توان جزو نوسان‌ساز‌های آزاد گرد (Free Running) محسوب کرد که به صورت مداوم بین دو حالت در نوسان هستند و یک موج خروجی به شکل دو مربع ایجاد می‌کنند. در این مطلب قصد داریم به بررسی مدارات مولتی ویبراتور آستابل بپردازیم و با اصول کاری این مدارات آشنا شویم.

مدارات سوئیچینگ تکرارکننده (Regenerative Switching Circuits) مانند مولتی ویبراتور‌های آستابل پرکاربردترین و متداول‌ترین نوع نوسان‌ساز‌های آرام (Relaxation Oscillator) هستند؛ زیرا این مدارات نه تنها بسیار ساختاری ساده و قابل اعتماد دارند، بلکه در خروجی یک شکل موج مربعی ثابت تولید می‌کنند که در اکثر مدارات، بسیار مورد نیاز است. بر خلاف مولتی ویبراتور‌های مونو استابل و یا مولتی ویبراتور‌های بای استابل که به یک پالس تریگر خارجی برای عملکرد خود نیاز دارند، مولتی ویبراتور‌های آستابل دارای پالس تریگر داخلی اتوماتیک هستند که به صورت مداوم مولتی ویبراتور آستابل را بین دو حالت ناپایدار خود کلیدزنی می‌کند.

مولتی ویبراتور آستابل نیز نوعی دیگر از مدارات کلیدزنی ترانزیستوری با کوپل متقاطع است که هیچ حالت پایدار خروجی ندارد. به همین دلیل است که این نوع مولتی ویبراتور همیشه بین دو حالت خروجی نوسان می‌کند. مدار مولتی ویبراتور آستابل از دو ترانزیستور کلیدزنی، یک شبکه فیدبک کوپل متقاطع و دو خازن تاخیر زمانی تشکیل شده است که به مدار اجازه می‌دهند تا بدون نیاز به اعمال پالس تریگر خارجی بین دو حالت نوسان کند و حالت‌ها هر بار تغییر یابند.

در علم الکترونیک، مولتی ویبراتور‌های آستابل را با نام مولتی ویبراتور‌های آزاد گرد نیز می‌شناسند؛ زیرا این مدارات به هیچ ورودی اضافه و یا پالس تریگر خارجی برای نوسان نیاز ندارند. نوسان‌ساز‌های آستابل یک شکل موج مربعی پیوسته را در خروجی خود تولید می‌کنند که می‌تواند برای خاموش و روشن کردن یک لامپ و یا تولید صدا در یک بلندگو مورد استفاده قرار گیرد.

مدار ترانزیستوری پایه برای ساخت مولتی ویبراتور آستابل قادر است که شکل موج خروجی مربعی را با استفاده از یک زوج ترانزیستور امیتر زمین‌شده کوپل متقاطع ایجاد کند. هر دو نوع ترانزیستور هم NPN و PNP، در یک مولتی ویبراتور برای عملکرد خطی بایاس می‌شوند و به عنوان تقویت‌کننده امیتر مشترک با فیدبک مثبت کامل عمل می‌کنند.

پیکربندی این مدار زمانی در شرایط نوسان‌گر صدق می‌کند که βA=۱∠۰∘باشد. وجود چنین شرایطی منجر به این می‌شود که یک طبقه در حالت هدایت کامل یا اشباع (Saturation) قرار بگیرد، در حالی که طبقه دیگر در حالت قطع کامل (Cut-Off) قرار دارد. در این حالت، یک تقویت‌کنندگی دو طرفه بین دو ترانزیستور ایجاد می‌شود. حالت هدایت از یک طبقه به طبقه دیگر منتقل می‌شود. این انتقال حالت هدایت، در واقع توسط عمل تخلیه خازن‌ها از مسیر مقاومت‌ها انجام می‌پذیرد.

اصول کاری مولتی ویبراتور آستابل

نمایی از یک مدار مولتی ویبراتور آستابل در شکل زیر نشان داده شده است.

مدار مولتی ویبراتور آستابل

فرض کنید که ترانزیستور TR۱ به تازگی خاموش شده باشد. ولتاژ کلکتور این ترانزیستور برابر با ولتاژ VCCخواهد بود. ترانزیستور TR۲ به تازگی روشن شده است. صفحه A خازن C۱ تا ولتاژ ۶+ ولت منبع تغذیه که به کلکتور ترانزیستور TR۱ متصل است، بالا می‌رود. توجه کنید که ترانزیستور TR۱ خاموش است، پس هیچ جریانی را هدایت نمی‌کند و هیچ افت ولتاژی در مقاومت بار R۱وجود ندارد.

سمت دیگر خازن C۱، یعنی صفحه B، به پایه بیس ترانزیستور TR۲ متصل شده است و دارای ولتاژ ۰ ٫ ۶ ولت است؛ زیرا ترانزیستور TR۲ در ناحیه هدایت قرار دارد؛ بنابراین خازن C۱ دارای اختلاف پتانسیل ۴ ٫۵ ولت در طول صفحات خود از نقطه A تا نقطه B خواهد بود. پس ترانزیستور TR۲ روشن می‌ماند و خازن C۲ از طریق مقاومت R۲ شروع به شارژ شدن تا ولتاژ VCC می‌کند. زمانی که ولتاژ در طول خازن C۲به بالاتر از ۰٫۶ ولت برسد، ترانزیستور TR۱ را برای هدایت بایاس می‌کند و در ناحیه اشباع قرار می‌گیرد.

لحظه‌ای که ترانزیستور TR۱ روشن می‌شود، صفحه A از خازن که در حالت طبیعی در پتانسیل VCCقرار دارد، فورا به ولتاژ ۰ ٫۶ ولت افت می‌کند. این افت ولتاژ سریع در صفحه A باعث افت ولتاژ با همین سرعت و مقدار در صفحه B خازن می‌شود. در نهایت ولتاژ در صفحه B خازن C۱به مقدار ۵ ٫۴ – افت می‌کند. این ولتاژ منفی به به بیس ترانزیستور TR۲ اعمال می‌شود و آن را خاموش می‌کند. در این حالت یکی از خروجی‌های ناپایدار مدار به وجود می‌آید.

ترانزیستور TR۲ به ناحیه قطع وارد شده است، بنابراین خازن C۱از طریق مقاومت R۳ که آن هم به ولتاژ ۶+ ولت منبع تغذیه متصل شده است، در جهت معکوس شروع به شارژ شدن می‌کند؛ بنابراین بیس ترانزیستور TR۲ در جهت مثبت افزایش می‌یابد تا به VCC برسد. ثابت زمانی این کار برابر با C۱×R۳ خواهد بود. اما مقدار ولتاژ بیس ترانزیستور TR۲ هیچگاه به مقدار VCC نخواهد رسید، زیرا به محض اینکه به ولتاژ ۰٫۶ ولت برسد، ترانزیستور TR۲ روشن می‌شود و به ناحیه اشباع می‌رود. در نتیجه تمام این فرایند بار دیگر تکرار می‌شود. اما این بار خازن C۲ بیس ترانزیستور TR۱ را هنگام شارژ شدن از طریق مقاومت R۲، به ولتاژ ۵ ٫۴ – می‌برد و وارد حالت ناپایدار دوم می‌شود؛ بنابراین می‌توانیم ببینیم که مدار به صورت مدام بین دو حالت ناپایدار نوسان می‌کند. در حالت ناپایدار اولی ترانزیستور TR۱ خاموش و ترانزیستور TR۲ روشن است، اما در حالت ناپایدار دوم ترانزیستور TR۱ روشن و ترانزیستور TR۲ خاموش می‌شود. سرعت این تغییرات توسط مقادیر R و C تعیین می‌شود. این فرایند تا زمانی که منبع ولتاژ در مدار حضور داشته باشد، بار‌ها و بار‌ها تکرار می‌شود. دامنه شکل موج خروجی تقریبا برابر با دامنه منبع تغذیه ولتاژ VCCاست. اما تناوب زمانی هر حالت در خروجی، توسط ثابت زمانی شبکه RC متصل به ترمینال بیس ترانزیستور تعیین می‌شود. چون ترانزیستور‌ها به صورت متناوب خاموش و روشن می‌شوند، خروجی دریافت شده از کلکتور ترانزیستور‌ها یک شکل موج مربعی خواهد بود که گوشه‌های آن اندکی خمیده هستند؛ دلیل این اتفاق جریان شارژ خازن است.

تناوب و شکل موج ولتاژ خروجی

اگر دو ثابت زمانی R۱×C۱و R۲×C۲ در مدار بیس یکسان باشند، نسبت نشانه به فاصله (t۱t۲) برابر با یک به یک می‌شود و در نتیجه شکل موج خروجی به شکل متقارن خواهد بود. از طریق تغییر مقادیر مقاومت‌های R۲ و R۳ و خازن‌های C۱ و C۲نسبت نشانه به فاصله (Mark-to-Space Ratio) و در نتیجه فرکانس خروجی مدار قابل تغییر خواهد بود.

می دانیم که  مدار RC ، که مقدار زمانی که طول می‌کشد تا ولتاژ در یک خازن به مقدار نصف منبع تغذیه یعنی ۰.۵VCCکاهش یابد، تقریبا برابر با ۰ ٫۶۹ حاصل ضرب مقدار مقاومت در مقدار خازن است؛ بنابراین با در نظر گرفتن یک طرف از مولتی ویبراتور آستابل، زمان خاموش بودن ترانزیستور TR۲ برابر با ۰٫۶۹ حاصل ضرب مقدار مقاومت R۳ در مقدار خازن C۱ محاسبه می‌شود. به طریق مشابه، مقدار زمانی که طول می‌کشد تا ترانزیستور TR۱ خاموش بماند برابر با ۰ ٫۶۹ حاصل ضرب مقدار مقاومت R۲ در مقدار خازن C۲است. نحوه تعیین این ثابت زمانی‌ها در فرمول‌های زیر نشان داده شده است.



در این فرمول‌ها، مقاومت R بر حسب اهم و خازن C بر حسب فاراد است. اگر ثابت زمانی فقط یک شبکه RC را تغییر دهیم، نسبت نشانه به فاصله و فرکانس شکل موج خروجی می‌توانند تغییر کنند. اما معمولا از طریق تغییر هر دو ثابت زمانی RC با یکدیگر، فرکانس شکل موج خروجی تغییر خواهد کرد، در حالی که نسبت نشانه به فاصله در تناسب ۱ به ۱ ثابت حفظ خواهد شد.

اگر مقدار خازن C۱با مقدار خازن C۲ برابر باشد و همچنین مقدار مقاومت متصل به بیس R۲ با مقدار مقاومت متصل به بیس R۳برابر باشد، آن‌گاه دوره تناوب و فرکانس کلی مولتی ویبراتور آستابل برای یک شکل موج خروجی متقارن در شکل زیر آورده شده است.



در این فرمول نیز R بر حسب اهم و C بر حسب فاراد است و همچنین واحد T بر حسب ثانیه و f بر حسب هرتز در نظر گرفته می‌شود.

این رابطه تحت عنوان فرکانس تکرار پالس شناخته می‌شود؛ بنابراین مولتی ویبراتور‌های آستابل می‌توانند با استفاده از دو ترانزیستور، دو شکل موج خروجی پالس مربعی بسیار کوتاه و یا دو پالس مستطیل شکل بسیار طولانی‌تر و از نوع متقارن و یا نامتقارن تولید کنند. در واقع شکل موج خروجی به ثابت زمانی شبکه RC بستگی دارد. دو شکل موج متفاوت خروجی از مولتی ویبراتور آستابل در شکل زیر نشان داده شده است.

دو شکل موج خروجی متفاوت از مولتی ویبراتور آستابل