مولتی ویبراتور آستابل

مولتی ویبراتورهای آستابل، نوسان­‌سازهای آزادگرد (free running) هستند که به طور مداوم بین دو حالت نوسان کرده و دو شکل موج خروجی مربعی تولید می­‌کنند.

مدارهای سوییچینگ احیا­کننده (Regenerative) مانند مولتی ویبراتورهای آستابل یل ناپایدار متداول‌­ترین نوع نوسان­‌سازهای وقفه‌­ای (ریلاکسیون) هستند از آنجایی که نه تنها ساده، قابل اعتماد و دارای ساخت آسان بوده، بلکه شکل موج خروجی موج مربعی ثابتی نیز تولید می‌کنند.

برخلاف مولتی ویبراتور مونو استابل یا مولتی ویبراتور بای استابل که در مقاله‌های قبلی به آن­ها پرداختیم و برای عملکرد خود به یک پالس فرمان “خارجی” نیاز دارند، مولتی ویبراتور آستابل دارای فرمان خودکار داخلی است که آن را به طور مداوم بین دو حالت ناپایدار خود سوئیچ می­‌کند.

مولتی ویبراتور ناپایدار نوع دیگری از مدار سوییچینگ ترانزیستورهای تزویج متقابل (cross-coupled) است که هیچ حالت خروجی پایداری ندارد زیرا دائماً از یک حالت به حالت دیگر تغییر می­‌کند. مدار ناپایدار شامل دو ترانزیستور سوئیچینگ، یک شبکه فیدبک تزویج متقابل و دو خازن تاخیر زمانی است که اجازه می­‌دهد تا نوسان بین دو حالت بدون تحریک خارجی، ایجاد شود.

در مدارهای الکترونیکی، مولتی ویبراتورهای آستابل به عنوان مولتی ویبراتورهای آزادگرد نیز شناخته می‌­شوند، زیرا برای نوسان نیازی به ورودی اضافی یا کمک خارجی ندارند. نوسانگرهای ناپایدار، یک موج مربعی پیوسته از خروجی یا خروجی‌های خود تولید می‌کنند (دو خروجی بدون ورودی) که می‌توان از آن برای چشمک زدن چراغ‌ها یا تولید صدا در بلندگو استفاده کرد.

مدار ترانزیستوری مولتی ویبراتور آستابل، یک موج مربعی خروجی از یک جفت ترانزیستور تزویج شده امیتر زمین تولید می­‌کند. هر دو ترانزیستور NPN یا PNP، در مولتی ویبراتور برای عملکرد خطی بایاس شده‌­اند و به عنوان تقویت کننده امیتر مشترک با فیدبک ۱۰۰٪ مثبت کار می­‌کنند.

این پیکربندی شرایط نوسان را برای (βA = 1∠ 0o ) برآورده می­‌کند. این باعث می­‌شود که یک مرحله “کاملا روشن” (اشباع) را هدایت کند، در حالی که مرحله دیگر “کاملا خاموش” (قطع) است و سطح بسیار بالایی از تقویت متقابل بین دو ترانزیستور را فراهم می­‌کند. رسانایی از یک مرحله به مرحله دیگر با عمل تخلیه یک خازن از طریق مقاومت، مطابق شکل زیر، منتقل می­‌شود.

مدار پایه مولتی ویبراتور آستابل

۱. مدار پایه مولتی ویبراتور آستابل

منبع تغذیه 6 ولت و ترانزیستور TR1 که به تازگی “خاموش” (قطع) شده است و ولتاژ کلکتور آن به سمت Vcc در حال افزایش بوده در حالی که ترانزیستور TR2 به تازگی “روشن” شده است را در نظر بگیرید. صفحه “A” خازن C1 نیز به سمت تغذیه مثبت 6 ولت Vcc افزایش می‌­یابد چون به کلکتور TR1 متصل است که اکنون قطع شده است. از آنجایی که TR1 در حالت قطع است، جریانی را هدایت نمی­‌کند بنابراین افت ولتاژی در مقاومت بار R1 وجود ندارد.

طرف دیگر خازن C1، صفحه “B”، به ترمینال بیس ترانزیستور TR2 و با ولتاژ 0.6 ولت متصل است زیرا ترانزیستور TR2  در حال هدایت (اشباع) است. بنابراین، خازن C1 دارای اختلاف پتانسیل مثبت 5.4 ولت (0.6 –6) در بین صفحات خود از نقطه A تا نقطه B است.

از آنجایی که TR2 کاملا روشن است، خازن C2 شروع به شارژ شدن از طریق مقاومت R2 به سمت Vcc می­‌کند. هنگامی که ولتاژ دو طرف خازن C2 به بیش از 0.6 ولت افزایش می‌­یابد، ترانزیستور TR1 را به سمت هدایت و اشباع سوق می­‌دهد.

لحظه‌­ای که ترانزیستور TR1 “روشن” می­‌شود صفحه “A” خازن که در ابتدا در پتانسیل Vcc بود، بلافاصله به 0.6 ولت می­‌رسد. این افت سریع ولتاژ در صفحه “A” باعث سقوط یکسان و آنی ولتاژ در صفحه “B” می‌شود، بنابراین صفحه “B” خازن C1، به 5.4- ولت (شارژ معکوس) می‌­افتد و این نوسان ولتاژ منفی به بیس ترانزیستور TR2 اعمال شده و آن را “خاموش” می­‌کند (یک حالت ناپایدار).

ترانزیستور TR2 به حالت قطع هدایت شده بنابراین خازن C1 از طریق مقاومت R3 که به خط تغذیه 6+ ولت Vcc نیز متصل است در جهت مخالف شروع به شارژ می­‌کند. بنابراین، بیس ترانزیستور TR2 اکنون در جهت مثبت به سمت Vcc با ثابت زمانی برابر با C1 × R3 افزایش می­‌یابد. با این حال، هرگز به مقدار Vcc نمی­‌رسد زیرا به محض اینکه به 0.6 ولت مثبت می­‌رسد ترانزیستور TR2 کاملاً “روشن” و اشباع می­‌شود. این عمل کل فرآیند را دوباره شروع کرده اما این بار با خازن C2 که بیس ترانزیستور TR1 را به 5.4- ولت می­‌رساند در حالی که از طریق مقاومت R2 شارژ شده و وارد حالت ناپایدار دوم می‌­شود.

بنابراین، می‌توانیم ببینیم که مدار بین یک حالت ناپایدار که در آن ترانزیستور TR1 “خاموش” و ترانزیستور TR2 “روشن” و  حالت ناپایدار دوم که در آن TR1 “روشن” و TR2 “خاموش” است، با نرخی که توسط مقادیر RC  تعیین می‌­شود، نوسان می­‌کند. این فرآیند بارها و بارها، تا زمانی که ولتاژ تغذیه وجود داشته باشد،  تکرار می‌­شود.

دامنه شکل موج خروجی تقریباً مشابه ولتاژ تغذیه Vcc است با دوره زمانی هر حالت سوئیچینگ که توسط ثابت زمانی شبکه‌های RC متصل به پایانه‌های بیس ترانزیستورها تعیین می‌شود. از آنجایی که ترانزیستورها هم «روشن» و هم «خاموش» می‌شوند، خروجی در هر یک از کلکتورها به دلیل جریانی که خازن‌ها را شارژ می‌کند، یک موج مربعی با گوشه‌های کمی گرد خواهد بود. این شکل موج را می­‌توان با استفاده از مؤلفه‌های بیشتر اصلاح کرد که بعداً بحث خواهیم کرد.

اگر دو ثابت زمانی تولید شده توسط C2 × R2 و C1 × R3 در مدارهای بیس یکسان باشند، نسبت علامت به فاصله (mark-to-space ratio) (t1/t2) برابر با یک به یک خواهد بود و شکل موج خروجی را متقارن می­‌کند. با تغییر خازن­های C1 و C2 یا مقاومت های R2 و R3، نسبت علامت به فاصله و بنابراین فرکانس را می‌­توان تغییر داد.

در مقاله تخلیه RC دیدیم که زمان صرف شده برای کاهش ولتاژ در خازن به نصف ولتاژ تغذیه ( Vcc0.5)، برابر با 0.69 ثابت زمانی ترکیب خازن و مقاومت است. بنابراین با در نظر گرفتن یک طرف مولتی ویبراتور ناپایدار، مدت زمانی که ترانزیستور TR2 در حالت خاموش است برابر با 0.69T یا 0.69 برابر ثابت زمانی C1 × R3 خواهد بود. به همین ترتیب، مدت زمانی که ترانزیستور TR1 “خاموش” است برابر با 0.69T یا 0.69 برابر ثابت زمانی C2 × R2 خواهد بود.

زمان تناوب مولتی ویبراتورهای آستابل

که در آن، R به اهم و C به فاراد است.

با تغییر ثابت زمانی فقط یک شبکه RC، نسبت علامت به فاصله و فرکانس شکل موج خروجی را می­‌توان تغییر داد، اما معمولاً با تغییر هر دو ثابت زمانی RC با هم در یک زمان، فرکانس خروجی با حفظ نسبت علامت به فاصله به مقدار یک به یک، تغییر می‌­کند.

اگر مقدار خازن C1 برابر با مقدار خازن C2 باشد (C1 = C2) و همچنین مقدار مقاومت R2 برابر با مقدار مقاومت R3 (R2 = R3) باشد، بنابراین طول دوره زمانی چرخه مولتی ویبراتورها برای شکل موج خروجی متقارن به صورت زیر خواهد بود.

فرکانس نوسان

در این رابطه، R بر حسب اهم، C بر حسب فاراد، T بر حسب ثانیه و ƒ بر حسب هرتز است.

و این به “فرکانس تکرار پالس” معروف است. بنابراین، مولتی ویبراتورهای آستابل می­‌توانند دو شکل موج مربعی بسیار کوتاه خروجی از هر ترانزیستور یا یک خروجی مستطیلی شکل بسیار بلندتر، متقارن یا غیر متقارن، بسته به ثابت زمانی شبکه RC، همانطور که در زیر نشان داده شده است، تولید کنند.

شکل موج‌های مولتی ویبراتور آستابل

۲. شکل موج‌های مولتی ویبراتور ناپایدار

ولتی ویبراتور ناپایدار - مثال ۱

یک مدار مولتی ویبراتور ناپایدار برای تولید یک سری پالس در فرکانس 500 هرتز با نسبت علامت به فاصله 1:5 مورد نیاز است. اگر R2 = R3 = 100kΩ، مقادیر خازن­های C1 و C2 مورد نیاز را محاسبه کنید.

با تنظیم مجدد فرمول بالا برای زمان تناوب، مقادیر خازن‌­های مورد نیاز برای ایجاد نسبت علامت به فاصله ۱:۵ به صورت زیر بدست می‌­آید:

مقادیر 4.83 (nF) و24.1 (nF) به ترتیب مقادیر محاسبه شده هستند، بنابراین ما باید نزدیک‌ترین مقادیر ترجیحی را برای C1 و C2 انتخاب کنیم که تحمل خازن‌­ها را مجاز می­‌کند. در واقع به دلیل طیف وسیعی از تلورانس­‌های مرتبط با خازن ساده، فرکانس خروجی واقعی ممکن است تا 20% ± (400 تا 600 هرتز در این مثال ساده)، با فرکانس واقعی مورد نیاز متفاوت باشد.

اگر به شکل موج خروجی ناپایدار غیر­متقارن برای استفاده در مدارهای زمان­‌بندی یا دریچه­ای نیاز داشته باشیم، می‌­توانیم به صورت دستی مقادیر R و C را برای اجزای جداگانه مورد نیاز محاسبه کنیم، همانطور که در مثال بالا انجام شد.

با این حال، زمانی که مقاومت و خازن زمان­بندی هر دو دارای مقدار یکسانی هستند، می‌­توان با استفاده از جداول زمان­بندی محاسبات را آسان­‌تر کرد. جداول زمان‌بندی، فرکانس‌های محاسبه‌شده مولتی ویبراتورهای آستابل را برای ترکیب‌ها یا مقادیر مختلف R و C مربوط به مدار نشان می‌دهند. برای مثال داریم:

جدول فرکانس مولتی ویبراتور ناپایدار

مقادیر خازن

جداول فرکانس از پیش محاسبه شده می‌­توانند در تعیین مقادیر مورد نیاز R و C برای فرکانس خروجی متقارن مورد نظر بدون نیاز به محاسبه مجدد آن­ها برای فرکانس متفاوت، مفید باشند.

با تغییر دو مقاومت ثابت R2 و R3 به یک پتانسیومتر (مقاومت متغییر) دو باندی و ثابت نگه داشتن مقادیر خازن­ها، فرکانس خروجی مولتی ویبراتورهای آستابل را می‌­توان به راحتی تنظیم کرد تا فرکانس خاصی را بدهد یا تلرانس ناشی از اجزای مورد استفاده را جبران کند.

به عنوان مثال، مقدار خازن را از جدول بالا (nF)10 انتخاب می­‌کنیم. با استفاده از یک پتانسیومتر 100کیلواهم برای مقاومت، فرکانس خروجی بدست می­‌آوریم که می­‌تواند به طور کامل از کمی بالاتر از 71.4 کیلوهرتز تا 714 هرتز، یعنی حدود 3 دهه (Decade) محدوده فرکانس، را تنظیم کند. به همین ترتیب، مقدار خازن (nF)47 محدوده فرکانسی از 152 هرتز تا بیش از 15 کیلوهرتز می­‌دهد.

مولتی ویبراتور ناپایدار - مثال ۲

یک مدار مولتی ویبراتور ناپایدار با استفاده از دو خازن زمان‌بندی با مقدار برابر 3.3 (uF) و دو مقاومت بیس با مقدار 10 کیلواهم ساخته شده است. اگر یک پتانسیومتر دو باندی 100 کیلو اهم به صورت سری به دو مقاومت متصل شود، حداقل و حداکثر فرکانس نوسان را محاسبه کنید.

با پتانسیومتر در ۰٪، مقدار مقاومت بیس برابر با ۱۰کیلواهم است.

با پتانسیومتر در 100٪، مقدار مقاومت بیس برابر با kΩ + 100kΩ = 110kΩ10 است.

بنابراین فرکانس نوسان خروجی برای مولتی ویبراتور ناپایدار می­‌تواند از ۲.۰ تا ۲۲ هرتز متغیر باشد.

هنگام انتخاب هر دو مقدار مقاومت و ظرفیت خازنی برای عملکرد قابل اعتماد، مقاومت­‌های بیس باید دارای مقداری باشند که به ترانزیستور اجازه دهد تا زمانی که ترانزیستور دیگر خاموش می شود، کاملاً روشن شود. برای مثال مدار بالا را در نظر بگیرید. هنگامی که ترانزیستور TR2 کاملاً روشن (اشباع) است، ولتاژ هم در مقاومت­‌های R3 و مقاومت R4 کاهش می­‌یابد.

اگر ترانزیستور مورد استفاده دارای بهره جریان (β) 100 و مقاومت بار کلکتور R4 برابر با 1 کیلواهم باشد، بنابراین حداکثر مقدار مقاومت بیس 100 کیلواهم خواهد بود. بیشتر از این مقدار، ترانزیستور ممکن است کاملاً روشن نشود و در نتیجه مولتی ویبراتور نتایج نامنظمی داده یا اصلاً نوسان نداشته باشد. به همین ترتیب، اگر مقدار مقاومت بیس خیلی کم باشد، ترانزیستور ممکن است خاموش نشده و مولتی ویبراتور دوباره نوسان نکند.

یک سیگنال خروجی را می­‌توان از ترمینال کلکتور هر یک از ترانزیستورها در مدار مولتی ویبراتورهای ناپایدار به دست آورد که هر شکل موج خروجی یک تصویر آین‎ه­ای از خودش است. در بالا دیدیم که لبه جلویی شکل موج خروجی به دلیل ویژگی‎­های شارژ خازن در مدار کوپل شده متقابل، کمی گرد است و مربعی نیست.

می‌توانیم ترانزیستور دیگری را به مدار معرفی کنیم که یک پالس خروجی تقریباً مربعی تولید می‌کند و همچنین می‌تواند برای سوئیچ کردن بارهای جریان بالاتر یا بارهای امپدانس کم مانند LED یا بلندگوها بدون تأثیر بر عملکرد مولتی ویبراتور واقعی استفاده شود. با این حال، جنبه منفی این است که شکل موج خروجی کاملاً متقارن نیست زیرا ترانزیستور اضافی تاخیر بسیار کمی ایجاد می­‌کند. دو مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار محرکه (Driving) مولتی ویبراتورهای آستابل

3. مدار محرکه (Driving) مولتی ویبراتورهای آستابل

اکنون یک خروجی با لبه اصلی مربعی از ترانزیستور سوم TR3 متصل به امیتر ترانزیستور TR2 تولید می‌شود. سومین ترانزیستور، “روشن” و “خاموش” را همزمان با ترانزیستور TR2 سوئیچ می­‌کند. می‌توانیم از این ترانزیستور اضافی برای تعویض دیودهای ساطع نور، رله‌ها یا تولید صدا از یک مبدل صدا مانند بلندگو یا صدای پیزو همانطور که در بالا نشان داده شده است استفاده کنیم.

مقاومت بار Rx باید به طور مناسب انتخاب شود تا افت ولتاژ رو به جلو را در نظر گرفته و حداکثر جریان را به حدود 20 میلی آمپر برای مدار LED محدود کند یا امپدانس بار کلی در حدود 100 اهم برای مدار بلندگو ایجاد کند. بلندگو می­‌تواند هر مقدار امپدانس کمتر از 100 اهم داشته باشد.

با اتصال ترانزیستور اضافی TR4 به مدار امیتر ترانزیستورTR1 به روشی مشابه، می‌توانیم یک مدار مولتی ویبراتور آستابل تولید کنیم که با کمک آن دو مجموعه چراغ یا LED با سرعت تعیین شده توسط ثابت زمانی شبکه RC چشمک می‌زنند.

در آموزش بعدی در مورد شکل موج­‌ها و سیگنال­‌ها، به انواع مختلف مولتی ویبراتورهای ناپایدار که برای تولید شکل موج خروجی پیوسته استفاده می‌­شوند، خواهیم پرداخت. این مدارها که به عنوان نوسانگرهای وقفه‌­ای (ریلاکسیون) شناخته شده و یک موج مربعی یا مستطیلی را در خروجی خود برای استفاده در مدارهای ترتیبی به عنوان یک پالس ساعت (کلاک) یا سیگنال زمان­بندی تولید می­‌کنند. به این نوع مدارها، مولدهای شکل موج می­‌گویند.