Multivibrador astável com transistores bipolares (pisca-pisca LED)

A partida descrita é um cenário possível, não uma garantia para quaisquer componentes, rampas de alimentação ou temperaturas. Nos exemplos em degrau seguintes, VBE, VCE(sat), VF e tensões iniciais são hipóteses; VF do datasheet na corrente de teste não é uma queda medida neste circuito. A exponencial supõe tensão fixa no terminal oposto do capacitor e corrente de base desprezível.

Ao aplicar a alimentação CC (VCC = 5.0 V nominal), os capacitores de temporização C1 e C2 estão inicialmente descarregados. Os resistores de polarização de base R2 e R3 fornecem corrente de carga a partir de VCC para as bases de Q1 e Q2. Em um circuito matemático ideal com componentes perfeitamente idênticos e sem ruído, ambos os transistores entrariam em condução igualmente em direção a um equilíbrio simétrico. Nos circuitos físicos reais, variações microscópicas na tensão de limiar base-emissor (VBE), no ganho de corrente (hFE) e nas tolerâncias dos resistores, somadas ao tempo de subida da fonte de alimentação e ao ruído térmico, podem quebrar a simetria de modo que um transistor (por exemplo, Q1) começa a conduzir ligeiramente mais rápido que o outro. A realimentação regenerativa acelera imediatamente esse desequilíbrio: ao conduzir, a tensão de coletor de Q1 cai, acoplando um potencial negativo através de C1 à base de Q2, cortando firmemente Q2 e iniciando a oscilação periódica.

A seguir há um modelo didático em degrau da oscilação estabelecida, não uma forma de onda medida. Supõe tensão fixa no coletor condutor, VBE e VCE(sat) ilustrativos constantes, carga de base desprezível e a tensão indicada do coletor em corte. Esta depende realmente da corrente LED e da recuperação do capacitor. Relação instantânea geral: VB(after) = VB(before) + VC(after) − VC(before).

Uma vez estabelecida a oscilação cíclica, cada transição de estado ocorre a partir de um estado inicial definido de regime estacionário. Imediatamente antes de Q1 ligar, Q2 está conduzindo em saturação com VB2(0-) ≈ VBE(on) ≈ 0.7 V, e Q1 está em corte com seu coletor próximo de (VCC - VF(D1)). Quando Q1 entra rapidamente em saturação, sua tensão de coletor cai abruptamente para VCE(sat) ≈ 0.15 V - 0.2 V. Como a carga no capacitor de temporização C1 não pode mudar instantaneamente, a continuidade de carga dita a tensão resultante na base de Q2:

Em um cálculo em degrau ilustrativo com parâmetros assumidos (VCC = 5.0 V, LED vermelho VF(D1) ≈ 1.9 V, VCE(sat) ≈ 0.2 V, VBE(on) ≈ 0.7 V), o salto de tensão de coletor é ΔVC ≈ 2.9 V, que se acopla através de C1 levando VB2(0+) para um valor negativo de aproximadamente -2.2 V. Isso polariza reversamente a junção base-emissor de Q2, levando-o firmemente ao corte e apagando o LED azul D2, enquanto Q1 conduz e ilumina o LED vermelho D1.

Enquanto Q2 permanece em corte, seu nó de coletor é puxado em direção a VCC através de R4 e D2, restaurando a carga na placa de coletor de C2. A corrente de base sustentada para manter Q1 saturado é fornecida diretamente de VCC através do resistor R2 (IB1 ≈ (VCC - VBE(on)) / R2). Simultaneamente, o capacitor de temporização C1 (cuja placa negativa está ligada à base de Q2) descarrega seu potencial negativo e se recarrega em direção a +VCC através do resistor de base R3 (47 kΩ). A tensão instantânea na base de Q2 segue a trajetória exponencial:

O transistor Q2 permanece em corte durante todo o intervalo até que VB2(t) atinja o limiar de condução direta VBE(on) ≈ 0.65 V - 0.70 V. A solução para VB2(T1) = VBE(on) determina a duração do corte:

Quando VB2(t) alcança VBE(on), o transistor Q2 começa a conduzir corrente de base. O acoplamento regenerativo leva rapidamente Q2 à saturação. À medida que o coletor de Q2 cai de (VCC - VF(D2)) para VCE(sat) ≈ 0.2 V, esse degrau negativo é acoplado através do capacitor C2 à base de Q1:

Para o LED azul D2 (ilustrativo VF(D2) ≈ 3.3 V), o salto de tensão de coletor ΔVC ≈ (5.0 - 3.3) - 0.2 = 1.5 V leva VB1(0+) para aproximadamente 0.7 V - 1.5 V = -0.8 V, levando Q1 ao corte e apagando o LED vermelho D1, enquanto Q2 conduz e ilumina o LED azul D2.

O transistor Q1 é mantido em corte enquanto C2 se recarrega em direção a +VCC através do resistor de base R2 (47 kΩ). A corrente de base sustentada para Q2 é fornecida a partir de VCC através de R3. A tensão de base VB1(t) sobe exponencialmente até atingir VBE(on), fazendo Q1 conduzir novamente e reiniciando o ciclo.

Na análise clássica idealizada de livros didáticos, as quedas de tensão direta dos diodos e as tensões de saturação dos transistores são desprezadas (VB(0+) ≈ -VCC, VBE(on) ≈ 0). Sob essas hipóteses ideais de referência, as equações dos semiperíodos simplificam-se para:

Para componentes simétricos (R2 = R3 = 47 kΩ, C1 = C2 = 10µF), essa referência ideal fornece T ≈ 1.386 · R · C ≈ 0.651 s (f ≈ 1.535 Hz) com ciclo de trabalho de 50%. Em circuitos físicos, as quedas diretas desiguais dos LEDs (VF(D1) ≠ VF(D2)), a recuperação finita do coletor através de RC e as tolerâncias dos componentes alteram os limiares de comutação. A previsão exata dos tempos de onda reais requer simulação transiente completa ou medições de bancada com osciloscópio.