Tranzystorowy przerzutnik astabilny z diodami LED

Opisany rozruch jest możliwym scenariuszem, nie gwarancją dla dowolnych elementów, narastania zasilania czy temperatury. W poniższych przykładach skokowych VBE, VCE(sat), VF i napięcia początkowe są założeniami; katalogowe VF przy prądzie testowym nie jest zmierzonym spadkiem w tym układzie. Zależność wykładnicza zakłada stały potencjał przeciwnej końcówki kondensatora i pomijalny prąd bazy.

Podczas podłączania zasilania DC (VCC = 5.0 V nominalnie), kondensatory czasowe C1 i C2 są początkowo rozładowane. Rezystory polaryzujące bazy R2 i R3 doprowadzają prąd ładowania z szyny VCC do baz tranzystorów Q1 i Q2. W idealnym modelu matematycznym o perfekcyjnie identycznych elementach i bez szumów oba tranzystory włączałyby się jednakowo w stronę symetrycznej równowagi. W fizycznym układzie mikroskopijny rozrzut napięcia progowego baza-emiter (VBE), współczynnika wzmocnienia prądowego (hFE) oraz tolerancji rezystorów, w połączeniu ze skończonym czasem narastania napięcia zasilania i szumem termicznym, mogą naruszyć symetrię. W rezultacie jeden z tranzystorów (np. Q1) zaczyna przewodzić nieco szybciej od drugiego. Sprzężenie regeneracyjne gwałtownie pogłębia tę asymetrię: przewodzenie Q1 obniża potencjał jego kolektora, co przez kondensator C1 przenosi ujemny potencjał na bazę Q2, skutecznie zatykając Q2 i rozpoczynając cykliczne oscylacje.

Poniżej przedstawiono dydaktyczny model skokowy ustalonych oscylacji, a nie zmierzony przebieg. Zakłada on stałe napięcie przewodzącego kolektora, stałe poglądowe VBE i VCE(sat), pomijalne obciążenie bazy oraz podane napięcie kolektora zatkanego tranzystora. To ostatnie faktycznie zależy od prądu LED i odtwarzania ładunku kondensatora. Ogólna zależność chwilowa: VB(after) = VB(before) + VC(after) − VC(before).

Po ustaleniu cyklu pracy każde przełączenie następuje ze ściśle określonego stanu ustalonego. Bezpośrednio przed załączeniem Q1 tranzystor Q2 przewodzi w nasyceniu z VB2(0-) ≈ VBE(on) ≈ 0.7 V, a tranzystor Q1 jest zatkany z napięciem kolektora bliskim (VCC - VF(D1)). Gdy Q1 gwałtownie wchodzi w stan nasycenia, potencjał jego kolektora spada do poziomu VCE(sat) ≈ 0.15 V - 0.2 V. Ponieważ ładunek na kondensatorze C1 nie może zmienić się skokowo, zasada ciągłości ładunku wyznacza potencjał bazy Q2:

W poglądowym obliczeniu skokowym przy założonych parametrach (VCC = 5.0 V, czerwona dioda LED VF(D1) ≈ 1.9 V, VCE(sat) ≈ 0.2 V, VBE(on) ≈ 0.7 V), spadek napięcia na kolektorze wynosi ΔVC ≈ 2.9 V, co przenosi się przez C1 i obniża potencjał VB2(0+) do wartości ujemnej około -2.2 V. Powoduje to polaryzację zaporową złącza baza-emiter Q2, wprowadzając go w głęboki stan zatkania i gasząc niebieską diodę LED D2, podczas gdy przewodzący Q1 zapala czerwoną diodę LED D1.

Podczas gdy Q2 pozostaje zatkany, węzeł jego kolektora jest podciągany do szyny VCC przez R4 i D2, co odnawia ładunek na okładzinie kolektorowej C2. Stały prąd bazy podtrzymujący nasycenie Q1 płynie bezpośrednio z VCC przez rezystor R2 (IB1 ≈ (VCC - VBE(on)) / R2). Równocześnie kondensator czasowy C1 (którego ujemna okładzina łączy się z bazą Q2) rozładowuje swój ujemny potencjał i przeładowuje się w stronę +VCC przez rezystor bazy R3 (47 kΩ). Chwilowe napięcie na bazie Q2 opisuje zależność wykładnicza:

Tranzystor Q2 pozostaje zatkany przez cały ten przedział, dopóki napięcie VB2(t) nie wzrośnie do progu przewodzenia w kierunku przewodzenia VBE(on) ≈ 0.65 V - 0.70 V. Rozwiązanie równania VB2(T1) = VBE(on) określa czas trwania stanu zatkania:

Gdy napięcie VB2(t) osiągnie próg VBE(on), tranzystor Q2 zaczyna przewodzić prąd bazy. Sprzężenie regeneracyjne szybko wprowadza Q2 w stan nasycenia. Gdy kolektor Q2 opada z poziomu (VCC - VF(D2)) do wartości VCE(sat) ≈ 0.2 V, ten ujemny skok napięcia zostaje sprzężony przez kondensator C2 z bazą Q1:

W przypadku niebieskiej diody LED D2 (poglądowo VF(D2) ≈ 3.3 V) skok napięcia kolektora ΔVC ≈ (5.0 - 3.3) - 0.2 = 1.5 V obniża VB1(0+) do około 0.7 V - 1.5 V = -0.8 V, zatykając Q1 i gasząc czerwoną diodę LED D1, podczas gdy Q2 przewodzi i zapala niebieską diodę LED D2.

Tranzystor Q1 jest utrzymywany w stanie zatkania, podczas gdy kondensator C2 przeładowuje się w stronę +VCC przez rezystor bazy R2 (47 kΩ). Stały prąd bazy dla Q2 płynie z VCC przez R3. Napięcie bazy VB1(t) narasta wykładniczo, aż osiągnie poziom VBE(on), ponownie załączając Q1 i rozpoczynając kolejny cykl.

W klasycznej wyidealizowanej analizie podręcznikowej pomija się spadki napięcia na diodach oraz napięcia nasycenia tranzystorów (VB(0+) ≈ -VCC, VBE(on) ≈ 0). W takich idealnych warunkach odniesienia wzory na półokresy upraszczają się do postaci:

Dla symetrycznych elementów (R2 = R3 = 47 kΩ, C1 = C2 = 10µF) ten podręcznikowy punkt odniesienia daje T ≈ 1.386 · R · C ≈ 0.651 s (f ≈ 1.535 Hz) przy 50% współczynniku wypełnienia. W rzeczywistych układach nierówne spadki na diodach LED (VF(D1) ≠ VF(D2)), skończony czas ładowania kolektora przez RC oraz tolerancje elementów zmieniają progi przełączania. Dokładne wyznaczenie rzeczywistych przebiegów czasowych wymaga symulacji stanów nieustalonych lub pomiarów oscyloskopowych w laboratorium.