Генераторы импульсов (мультивибраторы) — это устройства, преобразующие электрическую энергию постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний различной формы. Генераторы широко применяются в схемах автоматики, различных электронных схемах, системах телеизмерения и телеуправления.
В настоящее время для анализа электромагнитных процессов в электронных схемах широко применяется система автоматизированного проектирования Orcad 9.х–16.х [1, с. 20]. Система используется как разработчиками устройств электронной техники, так и в процессе обучения студентов. Однако многие схемы, работающие в реальных условиях, оказываются не работоспособными в процессе их моделирования в системе Orcad. К таким схемам относятся симметричные мультивибраторы. На рисунке 1 показана принципиальная схема симметричного мультивибратора, реализованная в системе Orcad.
Рис. 1. Принципиальная схема модели симметричного мультивибратора
Схема выполнена на основе транзисторов Q1 и Q2. Резисторы R1, R4 являются нагрузкой транзисторных ключей, ограничивают коллекторные токи. Элементы R2, R3, C1, C2 образуют времязадающую цепь, их номиналы влияют на временные параметры генерируемых импульсов. Питание мультивибратора осуществляется от источника постоянного напряжения V1. Работа схемы подробно описана в литературе [2, с. 304].
Частота импульсов мультивибратора может быть приблизительно вычислена по формуле:
(1)
Здесь: R=R2=R3, C=C1=C2.
В результате моделирования схемы были получены временные диаграммы (рис. 2).
а)
б)
Рис. 2. Временные диаграммы напряжений и токов
На рисунке 2а показана временная диаграмма напряжений UQ1, UQ2 на коллекторах транзисторов Q1, Q2. На рисунке 2б приведена диаграмма токов IQ1, IQ2, протекающих в коллекторных цепях транзисторов. Из временных диаграмм видно, что транзисторы находятся в открытом состоянии (режим насыщения), так как в установившемся режиме напряжение на транзисторах близко к нулю, а протекающий через транзисторы ток ограничен на уровне 9 mA только сопротивлением резисторов R1, R4. Модель мультивибратора не работает, генерация импульсов отсутствует. Причина этого состоит в идентичности параметров моделей транзисторов и в отсутствии разброса между величинами сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов, что не характерно для реальной схемы мультивибратора. Решить эту проблему можно одним из трех способов:
- использовать модели транзисторов разного типа;
- использовать модели транзисторов одного типа, но при этом изменить емкости их переходов подключением конденсатора небольшой величины;
- внести не симметрию во времязадающую цепь, то есть принять R2≠R3 и (или) С1≠С2.
Применение первого способа не целесообразно с точки зрения практической реализации схемы, требующей использования в схемах унифицированных элементов одного типа. Поэтому интерес представляет второй и третий способ построения модели мультивибратора.
На рисунке 3 показана модель схемы мультивибратора, в которой реализован второй способ построения модели.
Рис. 3. Принципиальная схема мультивибратора (реализован второй способ построения модели)
Конденсатор С3, включенный параллельно переходу база-эмиттер транзистора, увеличивает его емкость, внося асимметрию в схему модели мультивибратора. Полученная в ходе моделирования временная диаграмма изменения напряжения на коллекторе транзистора Q1, приведена на рисунке 4. Диаграмма подтверждает работоспособность схемы.
Рис. 4. Временная диаграмма изменения напряжения UQ1 на коллекторе транзистора Q1
Частота импульсов мультивибратора равна 0.7 кГц, что соответствует расчетному значению, полученному с помощью формулы (1). Моделирование проводилось при изменении величины конденсатора С3 в диапазоне от 0.01пф до 1пф, при этом не было выявлено изменение частоты генерируемых импульсов. Скважность импульсов показанных на рисунке 4 составляет 2 (длительность импульса равна паузе).
Третий способ построения модели симметричного мультивибратора показан на рисунке 5. В схеме используются конденсаторы С1 и С2 не равные по величине. Номиналы элементов схемы заданы, с учетом десяти процентного допуска, характерного для подавляющего большинства резисторов и конденсаторов.
Рис. 5. Принципиальная схема мультивибратора (реализован третий способ построения модели: С1≠С2)
На рисунке 6 показана временная диаграмма изменения напряжения на транзисторе Q2. Частота импульсов не изменилась, однако не равенство емкостей конденсаторов С1 и С2, привело к изменению скважности (длительность импульса не равна длительности паузы), что характерно для реальных схем так как имеет место отклонение параметров элементов от номинальной величины.
Рис. 6. Временная диаграмма напряжения UQ2 на коллекторе транзистора Q2 при условии С1≠С2
Таким образом, проведенный анализ показал, что при моделировании схем данной категории необходимо применять рассмотренные способы построения модели, так как это позволяет приблизить процесс моделирования к макетированию и получать более достоверные результаты.
Литература:
1. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE: пер. с нем. — М.: ДМК Пресс, 2008.-336с.: ил.
2. Бриндли Кейт. Карманный справочник инженера электронной техники: пер.с англ. /К.Бриндли,Д.Карр. -М.: Додэка XXI,.-2005. — 479 с.
