Устройство и принцип работы одновибратора

Одновибратором называется электронное устройство, которое при воздействии на его вход короткого запускающего импульса вырабатывает на выходе импульс прямоугольной формы заданной длительности. Другими словами, запускающий импульс «включает» одновибратор, который затем, по истечении определенного времени, автоматически «выключается» сам. В связи с этим одновибраторы часто называют еще электронными реле выдержки времени.

В исходном установившемся состоянии (рис. 61) ток через конденсатор С1 не протекает, поэтому транзистор VT2 базовым током 1_б2 будет полностью открыт, a VT1 заперт. На диаграмме это состояние соответствует интервалу времени 0 — t₁. Малое остаточное падение напряжения между эмиттером и коллектором открытого (насыщенного) транзистора VT2 обозначено через U⁰. Это напряжение называется напряжением логического нуля; оно подается на выход­ной зажим схемы и одновременно через резистор R4 на базу транзи­стора VT1, запирая его.

Конденсатор С1 в исходном состоянии заряжен до напряжения, близкого по значению к напряжению питания U_п, которое называют напряжением логической единицы и обозначают через U¹.

Предположим, что в момент t₁ на входные зажимы схемы и на базу транзистора VT1 кратковременно поступает импульс напряже­ния с амплитудой U¹(см. диаграмму на рис. 61). Транзистор VT1 от­пирается и соединяет левую обкладку конденсатора С1 с эмиттером VT2. Потенциал база — эмиттер транзистора VT2 скачком изменя­ется до отрицательного напряжения логической единицы. Транзис­тор VT2 запирается и через резисторы R5 и R4 поддерживает тран­зистор VT1 в открытом состоянии, даже если входное напряжение станет равным нулю, т. е. в момент времени t₁ напряжение на выходе схемы скачком изменяется до напряжения логической единицы U¹ и за счет положительной обратной связи поддерживается на этом уровне.

Рис. 61. Электрическая схема и временная диаграмма работы одновибратора

С момента времени t₁ конденсатор C1, подключенный через ре­зистор R3 к зажиму +U_п начинает перезаряжаться. Потенциал базы транзистора VT2 также будет линейно изменяться во времени. Транзистор VT2 будет заперт до тех пор, пока потенциал базы VT2 не достигнет напряжения, приблизительно равного U⁰. По истече­нии этого периода транзистор VT2 откроется и схема опрокинется в исходное состояние. Длительность выходного импульса, равная времени перезарядки конденсатора C1, t_и 0,7 C1R3.

Отметим одну существенную особенность работы транзисторов VT1 и VT2 в схеме одновибратора. Транзисторы при работе устрой­ства или полностью открыты, или полностью закрыты. Переход из одного состояния в другое происходит скачком. Такой режим рабо­ты транзистора называется ключевым; схемы, в которых транзистор используется в режиме ключа, положены в основу всех современных цифровых вычислительных устройств и управляющих машин.

Схема транзисторного ключа очень проста. Здесь всего 1 транзистор и 2 резистора – базовый R1 и коллекторный R2. При отсутствии сигнала Ивх UK=U¹ _П, ток базы I_б = 0, ток коллектора I_к 0. Режим отсечки реализуется при отрицательных и близких к нулю потенциалах на базе транзистора. Другое состояние определяется точкой С и называется режимом насыщения. Он реализуется при положительных потенциалах на базе. При этом базовый переход смещен в прямом направлении, его сопротивление мало и ток базы I_б U_вх/R1. Коллекторный переход транзистора характеризуется малым остаточным напряжением U_K=U⁰ , а ток коллектора максимален: Iк U_П/R2. Мощность, рассеиваемая в транзисторе, при его работе в режиме ключа невелика, так как в режиме отсечки близок к нулю ток коллектора, а в режиме насыщения – напряжение. В обоих случаях P_k, равная U_kI_k оказывается близкой к нулю.

Схемы с транзисторными ключами стараются составлять таким образом, чтобы переход транзистора из одного состояния в другое проходил за минимально возможное время. Иначе говоря, длительность фронта t_Ф и длительность среза t_c импульса переключения транзистора (см. рис. 60) должны быть как можно меньше. Это обеспечивает дополнительную экономию и уменьшение потерь энергиив самом транзисторном ключе. (Примерно так же поступают при конструировании обычных бытовых выключателей. С одной стороны, сопротивление контактов стараются делать по возможности малым, чтобы исключить нагрев самого выключателя при включенном состоянии прибора – электроплитки, утюга, лампочки и т.д. С другой стороны, за счет специальной конструкции и наличия пружин процесс включения и выключения электроприбора осуществляется «щелчком»; что уменьшает время переключения.)

Такой ключ называют инвертором (рис. 63). Повышению входного напряжения (потенциала базы) соответствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора) и наоборот.