Астабільний мультивібратор на біполярних транзисторах (світлодіодний маячок)

Опис запуску є можливим сценарієм, а не гарантією для будь-яких компонентів, наростання живлення чи температури. У наведених далі ступінчастих прикладах усі VBE, VCE(sat), VF та початкові напруги є припущеннями; паспортний VF за заданого випробувального струму не є виміряним спадом у цій схемі. Експоненційний закон застосовано лише за сталої напруги протилежного виводу конденсатора та нехтовно малого струму бази.

Під час подачі напруги живлення (VCC = 5.0 V номінально), часзадавальні конденсатори C1 та C2 спочатку не заряджені. Базові підтягувальні резистори R2 та R3 постачають зарядний струм від VCC до баз транзисторів Q1 та Q2. В ідеальній математичній моделі з абсолютно ідентичними компонентами та за повної відсутності шуму обидва транзистори відкривалися б однаково у напрямку симетричної рівноваги. У реальних фізичних колах мікроскопічний розкид порогової напруги база-емітер (VBE), коефіцієнта підсилення за струмом (hFE) і опору резисторів разом із кінцевим часом наростання напруги живлення та тепловим шумом можуть порушити симетрію, тому один із транзисторів (наприклад, Q1) відкривається трохи швидше за інший. Регенеративний зворотний зв'язок миттєво прискорює цей дисбаланс: відкривання Q1 веде до спаду напруги на його колекторі, що через C1 передає негативний потенціал на базу Q2, що може закрити Q2 і започаткувати періодичний цикл коливань.

Нижче наведено навчальну ступінчасту модель усталених коливань, а не виміряний сигнал. Припускаємо сталу напругу колектора відкритого транзистора, сталі ілюстративні VBE та VCE(sat), нехтовно мале навантаження бази та задану напругу колектора закритого транзистора. Остання насправді залежить від струму світлодіода й відновлення заряду конденсатора. Загальний миттєвий зв’язок: VB(after) = VB(before) + VC(after) − VC(before).

Після встановлення автоколивального режиму кожне перемикання відбувається з чітко визначеного початкового стану. Безпосередньо перед відкриванням Q1 транзистор Q2 проводить струм у насиченні з VB2(0-) ≈ VBE(on) ≈ 0.7 V, а Q1 перебуває у відсіканні з колекторною напругою близько (VCC - VF(D1)). Коли Q1 швидко переходить у насичення, напруга на його колекторі різко падає до VCE(sat) ≈ 0.15 V - 0.2 V. Оскільки заряд на конденсаторі C1 не може змінитися стрибком, неперервність заряду визначає потенціал бази Q2:

За ілюстративного спрощеного ступінчастого розрахунку з припущеними параметрами (VCC = 5.0 V, червоний світлодіод VF(D1) ≈ 1.9 V, VCE(sat) ≈ 0.2 V, VBE(on) ≈ 0.7 V), перепад колекторної напруги становить ΔVC ≈ 2.9 V, що зміщує VB2(0+) у негативну область приблизно до -2.2 V. Цей потенціал зворотно зміщує перехід база-емітер Q2, переводячи його в стан глибокого відсікання та гасячи синій світлодіод D2, тоді як відкритий Q1 запалює червоний світлодіод D1.

Поки Q2 закритий, його колекторний вузол підтягується до VCC через R4 і D2, відновлюючи заряд на колекторній обкладці C2. Струм підтримки насичення для бази Q1 постачається безпосередньо від VCC через підтягувальний резистор R2 (IB1 ≈ (VCC - VBE(on)) / R2). Одночасно часзадавальний конденсатор C1 (негативна обкладка якого з'єднана з базою Q2) розряджає свій негативний потенціал і перезаряджається в бік +VCC через резистор R3 (47 kΩ). Миттєва напруга на базі Q2 змінюється за експоненційним законом:

Транзистор Q2 залишається закритим протягом усього інтервалу, поки VB2(t) не досягне порога прямого відкривання VBE(on) ≈ 0.65 V - 0.70 V. Розв'язок VB2(T1) = VBE(on) визначає тривалість закритого стану:

Коли VB2(t) досягає рівня VBE(on), транзистор Q2 починає проводити базовий струм. Регенеративний зв'язок швидко переводить Q2 у насичення. Спад напруги на колекторі Q2 від (VCC - VF(D2)) до VCE(sat) ≈ 0.2 V передається через конденсатор C2 на базу Q1:

Для синього світлодіода D2 (ілюстративно VF(D2) ≈ 3.3 V), перепад колекторної напруги ΔVC ≈ (5.0 - 3.3) - 0.2 = 1.5 V зміщує VB1(0+) до рівня приблизно 0.7 V - 1.5 V = -0.8 V, відсікаючи Q1 та гасячи червоний світлодіод D1, тоді як Q2 відкривається та запалює синій світлодіод D2.

Транзистор Q1 утримується у відсіканні, поки C2 перезаряджається в бік +VCC через резистор R2 (47 kΩ). Струм бази для відкритого Q2 постачається від VCC через R3. Напруга бази VB1(t) експоненційно зростає до рівня VBE(on), знову відкриваючи Q1 та повторюючи цикл.

У класичному ідеалізованому підручниковому аналізі прямими спадами на діодах і напругою насичення транзисторів нехтують (VB(0+) ≈ -VCC, VBE(on) ≈ 0). За таких спрощених припущень формули для напівперіодів спрощуються до:

Для симетричних компонентів (R2 = R3 = 47 kΩ, C1 = C2 = 10µF), цей ідеальний підручниковий орієнтир дає T ≈ 1.386 · R · C ≈ 0.651 s (f ≈ 1.535 Hz) з коефіцієнтом заповнення 50%. У реальних фізичних колах неоднаковий прямий спад світлодіодів (VF(D1) ≠ VF(D2)), кінцевий час заряду колектора через RC та допуски компонентів змінюють межі заряду. Точний прогноз часових інтервалів реальних сигналів потребує чисельного моделювання перехідних процесів або лабораторних вимірювань осцилографом.