Мультивибратор: как работает

Это главный герой курса. Мультивибратор мы нарисуем в Altium в модуле 7, разведём на плате и подготовим к производству. Но сначала разберёмся, почему он вообще колеблется: если понимаешь схему, проектировать её в САПР в разы проще. Кроме того, это отличная тренировка: в мультивибраторе работают почти все темы модулей 1–3.

Что такое мультивибратор

Мультивибратор — генератор прямоугольных импульсов на двух ключах, охваченных положительной обратной связью. Бывают три вида:

• автоколебательный (астабильный, astable) — сам по себе бесконечно переключается туда-сюда. Это наш случай;
• ждущий (моностабильный) — по внешнему импульсу выдаёт один импульс заданной длительности;
• триггер (бистабильный) — помнит одно из двух состояний, пока его не переключат.

Аналогия — качели-балансир на детской площадке. Два ребёнка по очереди отталкиваются: как только один конец опустился до земли, его отталкивают, и он идёт вверх, а другой — вниз. Землю каждый раз касается ровно один конец.

Схема и роль элементов

Мы используем ровно те элементы и обозначения, что в официальном руководстве Altium — так шаги модуля 7 совпадут с документацией.

Рис. 3.6. Мультивибратор из руководства Altium: Q1, Q2 — BC547; R1, R2 — 100 кОм; R3, R4 — 1 кОм; C1, C2 — 22 нФ; питание 12 В через разъём P1. Схема симметрична: левая половина — Q1, R1, R3, правая — Q2, R2, R4.

Элемент	Роль
Q1, Q2 (BC547)	ключи (урок 3.5): в каждый момент один открыт, другой закрыт
R3, R4 (1 кОм)	нагрузка коллекторов: «подтягивают» коллектор закрытого транзистора к +12 В
R1, R2 (100 кОм)	ток базы: открывают свой транзистор и перезаряжают конденсатор — задают время
C1, C2 (22 нФ)	перекрёстная связь: передают «толчок» с коллектора одного транзистора на базу другого
P1	разъём: подвод 12 В и земли

Ключевая идея: напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно (урок 3.4). Если одну обкладку резко опустить на 12 В, вторая в тот же момент тоже опустится на 12 В.

Один период по шагам

Шаг 0: включение питания

При подаче питания оба транзистора начинают открываться через R1 и R2. Но абсолютной симметрии не бывает: разброс β, номиналов, ёмкостей. Чуть быстрее открывшийся транзистор (пусть Q1) роняет свой коллектор, через C2 подталкивает базу Q2 вниз — и Q2 закрывается. Положительная обратная связь мгновенно «доводит» эту разницу до конца, и схема оказывается в одной из двух фаз.

Фаза 1: Q1 открыт, Q2 закрыт

Рис. 3.7. Фаза 1. Q1 открыт и насыщен: коллектор ≈ 0,1 В, база ≈ 0,65 В. Q2 закрыт: его база в момент переключения скачком ушла примерно в −11 В и теперь заряжается через R2 к +12 В. Коллектор Q2 быстро поднимается к 12 В через R4 и заряжает C1 (стрелки — токи заряда).

1. Скачок. До переключения коллектор Q1 был около +12 В, а база Q2 — около +0,65 В. На C2 было ≈ 11,35 В. Q1 открылся, его коллектор упал до 0,1 В. Напряжение на C2 сохранилось, значит база Q2 оказалась на 0,1 − 11,35 ≈ −11,25 В. Q2 надёжно заперт.
2. Медленный заряд. Через R2 = 100 кОм ток течёт в C2 и тянет базу Q2 вверх, к +12 В, по экспоненте с τ = R2·C2 = 100 кОм · 22 нФ = 2,2 мс.
3. Быстрый заряд. Пока Q2 закрыт, его коллектор поднимается к 12 В через R4 = 1 кОм. Заодно он заряжает C1 (вторая обкладка C1 сидит на базе Q1 при 0,65 В). Постоянная времени R4·C1 = 22 мкс — в 100 раз быстрее, поэтому C1 успевает полностью зарядиться задолго до конца фазы.
4. Q1 держится открытым током через R1.

Переключение

Когда база Q2, поднимаясь из минуса, доходит до ≈ 0,6–0,7 В, Q2 начинает открываться. Его коллектор идёт вниз и через C1 толкает базу Q1 вниз, Q1 начинает закрываться, его коллектор растёт и через C2 ещё сильнее открывает Q2… Это лавинообразный процесс положительной обратной связи, и он занимает доли микросекунды.

Фаза 2: Q2 открыт, Q1 закрыт

Рис. 3.8. Фаза 2 — зеркальная. Теперь база Q1 скачком ушла примерно в −11 В (через заряженный C1) и медленно заряжается через R1, а коллектор Q1 поднимается через R3 и заряжает C2.

Всё повторяется зеркально: база Q1 ползёт из минуса вверх через R1 с той же τ = 2,2 мс. Дойдя до 0,65 В, она открывает Q1, и схема возвращается в фазу 1. И так бесконечно.

Итог: на коллекторах — прямоугольные импульсы от ≈ 0 до ≈ 12 В в противофазе, на базах — «пила» из экспоненциальных подъёмов. Длительность фаз и частоту мы посчитаем в уроке 3.9.

📖Из учебникагл. 1, §1.13; гл. 2, §2.02; гл. 5, §5.13, с. 301–302

В первом томе Хоровица транзисторного мультивибратора нет, но все его «запчасти» есть. Это заряд конденсатора через резистор по экспоненте (§1.13) и транзисторный ключ в насыщении и отсечке (§2.02). Главное — идея релаксационного генератора из §5.13 (рис. 5.29): конденсатор заряжается через резистор до порога, схема переключается, конденсатор перезаряжается в обратную сторону, и цикл повторяется. У Хоровица порог задаёт ОУ-триггер Шмитта, у нас — переход база-эмиттер транзистора, открывающийся около 0,6 В.

Почему база уходит в минус — и чем это опасно

Мы выяснили: база закрытого транзистора в момент переключения оказывается около −11 В. То есть к переходу эмиттер-база приложено обратное напряжение ≈ 11 В.

Открываем даташит BC547: VEBO (максимальное напряжение эмиттер-база) = 6 В. Схема из руководства Altium превышает этот предел почти вдвое.

Что происходит в реальности: переход эмиттер-база ведёт себя как стабилитрон и уходит в обратный пробой, ограничивая отрицательный выброс. Схема продолжает колебаться, но:

• частота получается выше расчётной, ведь конденсатор стартует не с −11 В, а с напряжения пробоя (разберём в уроке 3.9);
• режим вне паспорта. Многократный пробой эмиттерного перехода известен тем, что постепенно ухудшает усиление транзистора.

Как сделать правильно, если это реальное изделие, а не учебный проект:

• снизить питание так, чтобы размах был меньше VEBO с запасом. Например, 5 В: база уйдёт примерно в −4,3 В;
• поставить диод последовательно с базой каждого транзистора (например, 1N4148): обратное напряжение возьмёт на себя диод с большим допустимым обратным напряжением;
• выбрать транзистор с большим VEBO.

🛠Особенность Altium

В модуле 7 мы рисуем схему точно как в руководстве Altium — с питанием 12 В, иначе шаги и проверки не будут совпадать с документацией. Это нормально: учебная цель модуля 7 — научиться САПР. А вот в своих проектах (модуль 11) такую схему стоит исправить одним из способов выше. И ещё: в руководстве указано, что BC547CG уже в статусе Obsolete (снят с производства), и предлагается замена BC547CTFR. Отслеживание жизненного цикла компонентов — тема урока 8.6.

🧯 Типичные ошибки

Схема не колеблется: оба транзистора открыты

Почему Перепутаны соединения конденсаторов: C подключён к базе и коллектору одного транзистора, а не перекрёстно.

Как исправить Каждый конденсатор соединяет коллектор одного транзистора с базой другого. Сверь со схемой рис. 3.6.

Схема не колеблется: оба закрыты

Почему Нет тока базы: обрыв R1 или R2 или перепутана распиновка транзисторов.

Как исправить Проверь, что базовые резисторы идут к +12 В, а не к земле, и распиновку BC547 (коллектор–база–эмиттер).

В медленной версии схемы (урок 3.10) электролит поставлен наоборот

Почему База большую часть времени отрицательнее коллектора соседнего транзистора.

Как исправить Плюс электролитического конденсатора — к коллектору, минус — к базе.

Проверь себя

1. 1. Какие элементы задают длительность фазы, когда Q2 закрыт?

   R4 и C1R2 и C2R3 и R4
2. 2. Почему база закрывающегося транзистора скачком уходит в минус?

   Так подключено питаниеНапряжение на конденсаторе не меняется мгновенно: коллектор соседа упал на ~12 В, и вторая обкладка упала на столько жеТранзистор генерирует отрицательное напряжение
3. 3. Зачем в схеме R3 и R4?

   Задают частоту колебанийНагрузка коллекторов: подтягивают коллектор закрытого транзистора к +12 ВОграничивают ток базы
4. 4. В схеме из руководства Altium обратное напряжение на переходе эмиттер-база ≈ 11 В. Что говорит даташит BC547?

   Всё в норме, VEBO = 45 ВПревышен предел VEBO = 6 ВДаташит этот параметр не нормирует

🎯Практическое задание~30 мин

Нарисуй от руки две фазы работы мультивибратора (как на рис. 3.7 и 3.8). На каждой отметь: какой транзистор открыт, какое напряжение на каждом коллекторе и каждой базе в начале фазы, стрелками — какой конденсатор через какой резистор заряжается. Затем коротко, в 3–5 предложениях, объясни своими словами, почему схема не может «застрять» в одной фазе.