راهنمای جامع مولتی ویبراتور آستابل 

مولتی ویبراتور آستابل نوسان سازهایی هستند که بین دو حالت پیوسته نوسان می‌کنند و دو شکل موج خروجی موج مربعی تولید می‌کنند.

مولتی ویبراتور آستابل

مدارهای سوئیچینگ احیا کننده مانند مولتی ویبراتورهای آستابل رایج‌ترین نوع اسیلاتور آرامش هستند زیرا نه تنها ساده، قابل اعتماد و ساخت‌ساز ساده دارند بلکه یک شکل موج خروجی موج مربع ثابت را نیز ایجاد می‌کنند. بر خلاف مولتی ویبراتور مونواستابل که در آموزش‌های قبلی به بررسی آنها پرداختیم که به پالس تریگر “بیرونی” احتیاج دارند، مولتی ویبراتور آستابل دارای تحریک خودکار است که آن را به طور مداوم بین دو حالت ناپایدار خود تنظیم وریست می‌کند.

مولتی ویبراتور آستابل نوع دیگری از مدارهای سوئیچینگ ترانزیستور پیوندی متقاطع است که هیچ حالت خروجی پایدار ندارد زیرا تمام مدت از یک حالت به حالت دیگر تغییر می‌کند. مدار آستابل از دو ترانزیستور سوئیچینگ، یک شبکه فیدبک متصل بصورت متقاطع و دو خازن تأخیر زمانی تشکیل شده است که اجازه می‌دهد تا نوسان بین دو حالت بدون ایجاد محرک خارجی باعث ایجاد تغییر در حالت شود.

در مدارهای الکترونیکی، مولتی مترهای پایدار نیز به عنوان مولتی ویبراتور اجرا آزاد شناخته می‌شوند زیرا برای نوسان نیاز به ورودی یا کمک خارجی ندارند. نوسان سازهای پایدار موج مربعی پیوسته را از خروجی یا خروجی‌های خود تولید می‌کنند (دو خروجی بدون ورودی) که می‌توان از آنها برای خاموش کردن چراغ‌ها یا تولید صدا در بلندگو استفاده کرد.

مدار ترانزیستور اساسی برای یک مولتی ویبراتور پایدار، یک خروجی موج مربعی را از یک جفت ترانزیستور متصل متقاطع با امیتر زمین شده تولید می‌کند. هر دو ترانزیستور NPN یا PNP، در مولتی ویبراتور برای عملکرد خطی بایاس شده‌اند و به عنوان تقویت کننده های امیتر مشترک با فیدبک مثبت  100٪ عمل می‌کنند.

این پیکربندی شرط نوسان را هنگامی که: (βA = 1∠ 0⁰) است را برآورده می‌کند. این در یک مرحله حاصل می‌شود که “کاملاً روشن” (اشباع) را زمانی که دیگری “کاملاً خاموش” (قطع شده) تبدیل می‌شود هدایت می‌کند که سطح بسیار بالایی از تقویت متقابل بین دو ترانزیستور را ارائه می‌دهد. با انجام تخلیه یک خازن از طریق یک مقاومت مطابق شکل زیر، انتقال از یک مرحله به مرحله دیگر منتقل می‌شود.

مدار مولتی ویبراتور آستابل ناپایدار پایه

فرض کنید یک ولتاژ 6 ولت داشته باشید و ترانزیستور TR1 به خاموش (قطع) تغییر یافته و ولتاژ کلکتور آن به سمت Vcc در حال افزایش است، در همین حال ترانزیستور TR2 “روشن” شده است. صفحه “A” از خازن C1 همچنین به سمت اتصال 6 ولت مثبت ولتاژ Vcc با اتصال به کلکتور ترانزیستور TR1 که اکنون قطع شده است، در حال افزایش است. از آنجا که TR1 در حال قطع است، هیچ جریانی را هدایت نمی‌کند، بنابراین هیچ افت ولتی در دو سر مقاومت بار R1 وجود ندارد.

طرف دیگر خازن، صفحه C1، صفحه “B”، به ترمینال بیس ترانزیستور TR2 وصل است و در 0/6 ولت است زیرا ترانزیستور TR2 در حال انجام هدایت (اشباع) است. بنابراین، خازن C1 دارای اختلاف پتانسیل مثبت 5/4  ولت در دو سر صفحه های خود ، (0/6 تا 6 ولت) از نقطه A تا نقطه B  است.

از آنجا که TR2 کاملاً روشن است، خازن C2 از طریق مقاومت R2 به سمت Vcc شارژ می شود. هنگامی که ولتاژ دو سر خازن C2 به بیش از 0/6 ولت افزایش می‌یابد، ترانزیستور TR1 را به هدایت و اشباع بایاس می‌کند.

لحظه‌ای که ترانزیستور، TR1 به روشن تغییر می‌یابد، صفحه “A” از خازن که در ابتدا در پتانسیل Vcc بود، فوراً به 0/6 ولت می‌رسد. این سقوط سریع ولتاژ در صفحه “A” باعث افت یکسان و فوری ولتاژ در صفحه “B” می‌شود بنابراین صفحه “B” از خازن C1 به 5.4v- کشیده می‌شود (شارژ معکوس) و این نوسان ولتاژ منفی به بیس TR2 اعمال می‌شود و آن را به “خاموش” تغییر می‌دهد. یک حالت ناپایدار.

ترانزیستور TR2 به قطع راه‌اندازی می‌شود، بنابراین خازن C1 اکنون از طریق مقاومت R3 که به ریل تغذیه مثبت 6 ولت  وصل است، در جهت مخالف شارژ می شود. بنابراین بیس ترانزیستور TR2 در حال حاضر به سمت بالا در جهت مثبت به سمت Vcc با ثابت زمانی برابر با ترکیب C1 x R3 حرکت می‌کند.

اگرچه، هرگز به مقدار Vcc نمی‌رسد زیرا به محض رسیدن به 0/6 ولت مثبت، ترانزیستور TR2 به کاملاً “روشن” به اشباع تبدیل می‌شود. این عمل مجدداً کل فرآیند را شروع می‌کند اما اکنون خازن C2 بیس ترانزیستور TR1 را تا 4/5 ولت می‌برد در حالی که از طریق مقاومت R2 شارژ می‌شود و وارد حالت ناپایدار دوم می‌شود.

سپس می‌توان دید که مدار بین یک حالت ناپایدار جایی که ترانزیستور TR1 “خاموش” و ترانزیستور TR2 “روشن” است، و یک ناپایداری دوم جایی که TR1 ” روشن” و TR2 “خاموش” است در یک نرخ تعیین شده توسط مقادیر RC نوسان می‌کند. این فرایند خود را دوباره و دوباره تا زمانی که ولتاژ تغذیه وجود دارد، تکرار می‌کند.

دامنه شکل موج خروجی تقریباً برابر با ولتاژ تغذیه، Vcc با مدت زمان هر حالت تعویض که با ثابت زمانی شبکه‌های RC متصل به پایانه‌های بیس ترانزیستورها تعیین می‌شود، است. از آنجا که ترانزیستورها به “روشن” و “خاموش” تغییر می‌یابند، خروجی در هر یک از کلکتورها به دلیل جریانی که خازن‌ها را شارژ می‌کند، موج مربعی با گوشه‌های کمی گرد خواهد بود. این امر می‌تواند با استفاده از مؤلفه‌های بیشتری اصلاح شود، که بعداً در مورد آنها بحث خواهیم کرد.

اگر دو ثابت زمان تولید شده توسط C2 x R2 و C1 x R3 در مدارهای بیس یکسان باشند، نسبت علامت به فضا (t1 / t2) برابر با یک به یک خواهد بود که شکل موج خروجی را به شکل متقارن تبدیل می کند. با تغییر خازن‌های، C1 ،C2 یا مقاومت‌های، R2 ،R3 نسبت علامت به فضا و در نتیجه فرکانس می‌تواند تغییر کند.

ما در آموزش تخلیه RC دیدیم که مدت زمان لازم برای  افت ولتاژ دو سر خازن تا نیمی از ولتاژ منبع تغذیه، 0/5 Vcc برابر با 0/69 ثابت زمان ترکیب خازن و مقاومت است. سپس با در نظر گرفتن یک طرف مولتی ویبراتور آستابل، مدت زمانی که ترانزیستور TR2 “خاموش” خواهد بود برابر 0.69 T بیا 0.69 بار ثابت زمان C1 x R3 است. به همین ترتیب، مدت زمانی که ترانزیستور TR1 “خاموش” است برابر 0.69T  یا 0.69 برابر زمان ثابت C2 x R2 است و این بصورت زیر تعریف شده است:

زمان پریودیک مولتی ویبراتور آستابل

بطوریکه R در واحد اهم و C در واحد فاراد  است. با تغییر ثابت زمانی تنها یک شبکه RC، می‌توان نسبت علامت به فضا و فرکانس شکل موج خروجی را تغییر داد اما به طور معمول با تغییر هر دو ثابت زمانی RC به طور هم زمان، فرکانس خروجی با نگه داشتن نسبت‌های علامت به فضا  همان در یک به یک تغییر می‌کند.

اگر مقدار خازن C1 برابر با مقدار خازن C2 ،C1 = C2  باشد و همچنین مقدار مقاومت پایه R2 برابر با مقدار مقاومت بیس R3 ،R2 = R3 باشد سپس طول کل زمان سیکل  مولتی ویبراتورها برای شکل موج خروجی متقارن در زیر آورده شده است.

فرکانس نوسان مولتی ویبراتور آستابل

بطوریکه R در واحد اهم و C در واحد فاراد و Tدر ثانیه و فرکانس در هرتز است و این به “فرکانس تکرار پالس” معروف است. بنابراین مولتی ویبراتورهای ناپایدار می‌توانند دو شکل موج خروجی موج کوتاه مربعی بسیار کوتاه برای هر ترانزیستور یا خروجی مستطیل شکل بسیار طولانی‌تر صورت متقارن یا غیر متقارن بسته به ثابت زمانی شبکه RC مطابق شکل زیر تولید کنند.

شکل موج های مولتی ویبراتور آستابل

مثال شماره 1 مولتی ویبراتور آستابل

یک مولتی ویبراتور آستابل نیازمند تولید یک سری از پالس‌ها در یک فرکانس 500 هرتز با نسبت مارک به فضا 1:5 است. اگر R2=R3=100kΩ باشد، مقادیر خازن‌های C1 و C2مورد نیاز را محاسبه کنید.

و با مرتب کردن دوباره فرمول بالا برای زمان متناوب، مقادیر خازن های مورد نیاز برای ارائه نسبت مارک به فضا 1:5  بصورت زیر است:

مقادیر 4.83nF و 24.1nF به ترتیب محاسبه می‌شوند، بنابراین ما نیاز به انتخاب نزدیک‌ترین مقادیر ترجیحی برای C1 و C2 برای در نظر گفتن تلرانس خازن‌ها هستیم. در حقیقت با توجه به طیف گسترده‌ای از تلرانس‌های مرتبط با خازن humble، فرکانس خروجی واقعی ممکن است تا (مثبت و منفی20٪)، (در مثال ساده ما 400 تا 600 هرتز) از فرکانس واقعی مورد نیاز متفاوت باشد.

اگر ما برای استفاده در مدارهای نوع گیت دار یا زمانی غیره نیاز به شکل موج پایدار خروجی غیر متقارن داشته باشیم، می توانیم به صورت دستی مقادیر R و C را برای اجزای جداگانه مورد نیاز مانند آنچه در مثال بالا انجام دادیم محاسبه کنیم. با این حال، هنگامی که دو R و C با هم برابر هستند، می‌توانیم با استفاده از جداول، زندگی خود را کمی ساده‌تر کنیم و فرکانس‌های محاسبه شده مولتی ویبراتورهای آستابل را برای ترکیبات مختلف یا مقادیر R و C نشان دهیم. برای مثال:

جدول فرکانسی

جداول فرکانس از پیش محاسبه شده می‌تواند در تعیین مقادیر مورد نیاز R و C برای فرکانس خروجی متقارن خاص و بدون نیاز به محاسبه مجدد آنها، هر بار که فرکانس متفاوتی لازم باشد، بسیار مفید باشد. با تغییر دو مقاومت ثابت، R2 و R3 برای پتانسیومتر دوگانه و حفظ مقادیر خازن در همان مقدار، فرکانس حاصل از خروجی مولتی ویبراتورهای آستابل می‌تواند به آسانی “تنظیم” شود تا یک مقدار فرکانس خاص یا جبرانی برای تلرانس مولفه‌های استفاده شده بدهد.

به عنوان مثال، انتخاب یک خازن 10nF از جدول بالا و با استفاده از پتانسیلومتر 100kΩ برای مقاومت ما، ما یک فرکانس خروجی برمی‌داریم که می‌تواند از کمی بالاتر از kHz71.4 به 714 هرتز ، حدود 3 دهه از محدوده فرکانس تنظیم شود. به همین ترتیب، مقدار خازن 47 نانومتر باعث می‌شود که دامنه فرکانس از 152 هرتز تا بالاتر از 15 کیلوهرتز باشد.

مثال شماره 2 مولتی ویبراتور آستابل

مدار مولتی ویبراتور آستابل با استفاده از دو خازن زمانی با مقدار مساوی 3.3uF و دو مقاومت بیس با مقدار 10kΩ ساخته می‌شود. حداقل و حداکثر فرکانس‌های نوسان را محاسبه کنید اگر یک پتانسیومتر دو باند 100kΩ به صورت سری با دو مقاومت وصل شود. با پتانسیومتر در 0٪، مقدار مقاومت بیس برابر با kΩ 10است.

با پتانسیومتر در 100٪، مقدار مقاومت بیس برابر است با 10kΩ + 100kΩ = 110kΩ.

سپس فرکانس خروجی نوسانات برای مولتی ویبراتور آستابل  می‌تواند از 2.0 تا 22 هرتز  تغییر کند.

در هنگام انتخاب هر دو مقدار مقاومت و خازن برای عملکرد قابل اعتماد، مقاومت‌های بیس باید مقداری داشته باشند که به ترانزیستور اجازه دهد تا هنگامی که ترانزیستور دیگر خاموش است به طور کامل روشن شود. به عنوان مثال، مدار بالا را در نظر بگیرید. هنگامی که ترانزیستور TR2 کاملاً “روشن” باشد، (اشباع) تقریباً همان ولتاژ در دو سر مقاومت R3 و مقاومت R4 کاهش می‌یابد.

اگر ترانزیستور مورد استفاده دارای بهره جریان، β = 100 و مقاومت بار کلکتور، R4 برابر با 1kΩ باشد بنابراین حداکثر مقدار مقاومت بیس 100kΩ خواهد بود. هرچه بالاتر باشد ترانزیستور ممکن است به طور کامل روشن نباشد و در نتیجه مولتی ویبراتور نتایج نامنظم را ارائه می‌دهد یا اصلاً نوسان نمی‌کند. به همین ترتیب، اگر مقدار مقاومت بیس خیلی کم باشد، ترانزیستور ممکن است “خاموش” نشود و مولتی ویبراتور مجدداً نوسان نخواهد کرد.

سیگنال خروجی را می‌توان از پایانه کلکتور هر ترانزیستور در مدار مولتی ویبراتور آستابل بدست آورد که هر شکل موج خروجی یک تصویر آینه از خود است. ما در بالا دیدیم که لبه اصلی شکل موج خروجی به دلیل ویژگی شارژ خازن در مدار متصل بصورت بصورت متقاطع کمی گرد بوده و مربع نیست.

اما ما می‌توانیم ترانزیستور دیگری را به داخل مدار معرفی کنیم که یک پالس خروجی تقریباً کاملاً مربع تولید کند و از آن می‌توان برای جابجایی بارهای جریان بالاتر یا بارهای کم مقاومت مانند LED یا بلندگوها و غیره نیز استفاده کرد بدون اینکه در عملکرد مولتی ویبراتور واقعی آستابل باشد. با این حال، عیب این مسئله این است که شکل موج خروجی کاملاً متقارن نیست زیرا ترانزیستور اضافی تأخیر بسیار کمی ایجاد می‌کند. دو مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار راه‌انداز مولتی ویبراتورهای آستابل

اکنون یک خروجی با یک لبه مربع پیشرو از ترانزیستور سوم، TR3 متصل به امیتر ترانزیستور TR2 تولید می‌شود. این ترانزیستور سوم به “روشن” و “خاموش” به صورت همسان با ترانزیستور TR تغییر می‌یابد. ما می توانیم از این ترانزیستور اضافی برای تغییر سوئیچینگ دیودها، رله‌ها یا برای تولید صدایی از مبدل صدا مانند بلندگو یا صدا پیزو مانند تصویر بالا استفاده کنیم.

مقاومت بار، Rx باید به درستی انتخاب شود تا افت ولتاژ در نظر گرفته شود و حداکثر جریان را در حدود 20 میلی‌آمپر برای مدار LED محدود شود و یا یک مقاومت کلی در حدود 100Ω برای مدار بلندگو ارائه شود. بلندگو می‌تواند هرگونه امپدانس کمتر از 100Ω داشته باشد.

با اتصال ترانزیستور اضافی، TR4 به مدار امیتر ترانزیستور دیگر، TR1 با روشی مشابه می‌توانیم یک مدار مولتی ویبراتور آستابل تولید کنیم که دو مجموعه چراغ یا چراغ LED را از یکی به دیگر با سرعت تعیین شده توسط ثابت زمانی شبکه زمانی RC روشن خواهد کرد.

در آموزش بعدی درباره شکل موج‌ها و سیگنال‌ها، بر انواع مختلفی از مولتی ویبراتورهای آستابل که برای تولید یک شکل موج خروجی مداوم استفاده می‌شود خواهیم پرداخت. این مدارها که به عنوان نوسان‌ساز آرامش شناخته می‌شوند، موج‌هایی مربع یا مستطیل شکل را در خروجی‌های خود ایجاد می‌کنند تا در مدارهای پی در پی به عنوان پالس ساعت یا سیگنال زمان‌بندی استفاده شوند. به این نوع مدارها ژنراتورهای شکل موج گفته می‌شود.