ГлавнаяСтатьиЭлектроника → Мультивибратор на компараторе

Мультивибратор на компараторе

28 февраля 2013 года
Ключевые слова: схемотехника

Предыстория

Захотелось мне повозиться с силовой электроникой и понадобился генератор прямоугольных импульсов с выходным напряжением 24В и частотой колебаний в диапазоне 50..100 кГц. Начал выбирать варианты.

Самый простой — сделать мультивибратор на 2-х транзисторах. Но этот вариант плохой, во-первых транзисторный мультивибратор не дает импульсов с крутыми фронтами, а это значит, что если он управляет силовыми ключами преобразователя, то в них возникнут большие потери на переключение. Во-вторых, частота колебаний мультивибратора сильно зависит от питающего напряжения. Происходит это потому, что при переключении мультивибратора к переходу база-эмиттер закрытого транзистора прикладывается запирающее напряжение практически равное напряжению питания. Что же произойдет — на базу транзистора попадает -24В, а напряжение пробоя перехода -5..-10В. Естественно, что при переключении происходит лавинный пробой перехода. Мультивибратор, конечно, будет работать, но надежность его работы невысока, а частота колебаний сильно зависит от напряжения питания

Решение задачи

Что же делать? Напряжение 24В выдержит любой операционный усилитель, поэтому можно сделать мультивибратор на ОУ, а еще лучше на компараторе. Компаратор специально спроектирован так, чтобы получить максимальную скорость переключения. Схему мультивибратора можно найти в любом учебнике электроники, например [1] или [2].

Как она устроена? Смотрим на рисунок. В схеме есть заряд-разрядная цепочка RC и управляемый делитель напряжения R1,R2,R3. Напряжение на делителе зависит от напряжения на выходе компараторе.
Если на выходе компаратора логическая единица то оно равно V1 а если логический ноль то V0

Рисунок 1



Как работает схема? Подадим питание. В начальный момент времени конденсатор С еще не зарядился и напряжение на нем и на инвертирующем входе компаратора равно нулю. На неинвертирующем входе напряжение положительно. Следовательно на выходе компаратора будет логическая единица, т.е. напряжение почти равное напряжению питания Vs если Rн намного меньше R3.

Напряжение на неинвертирующем плече V1 задано делителем, верхнее плечо которого образуют резисторы R1 и R3 подключенные параллельно к источнику Vs, а в нижнем плече стоит резистор R2.

Конденсатор C заряжается выходным напряжением компаратора. Как только напряжение на нем достигло напряжения V1 компаратор перебросится и на выходе его появится логический ноль. Напряжение на управляемом делителе V0 станет меньше (в верхнем плече стоит резистор R1 а в нижнем параллельно соединенные R2 и R3). Конденсатор С2 станет разряжаться. Как только напряжение на нем достигнет напряжения V0 компаратор снова перебросится и далее цикл колебаний повторится.

Расчет периода

Теперь можно рассчитать период колебаний мультивибратора. По закону Ома напряжение V1 равно :

$$ V_1= {{R_2} \over {R_2+R_1||R_3} } V_s $$

Преобразуем эту формулу:

$$ V_1= { {V_s} \over {1+(R_1||R_3)/R_2} } ={{V_s} \over {1+y_2/(y_1+y_3)}}={ {y_1+y_3} \over {y_1+y_2+y_3} } V_s $$

Если все сопротивления равны то $$V_1={\frac{2}{3 }}V_s $$


Теперь найдем напряжение V0:

$$ V_0= {{ (R_2||R_3)} \over {R_1+R_2||R_3} } V_s $$

Преобразуем эту формулу:

$$ V_0= { {V_s} \over {1+R_1/(R_2||R_3)} } ={{V_s} \over {1+(y_2+y_3)/y_1}}={ {y_1} \over {y_1+y_2+y_3} } V_s $$

Если все сопротивления равны то $$V_0={\frac{1}{3 }}V_s $$

При переключении компаратора конденсатор С разряжается по экспоненте. Время разряда равно времени заряда и равно половине периода. Тогда:
$$ V_0=V_1 \cdot exp \left ( -{ {T} \over {2RC} } \right ) $$

Откуда: $$ T=2RC \cdot \ln (V_1/V_0)=2RC \cdot \ln \left ( {{y_1+y_3} \over{y_1}} \right)$$

Окончательно период мультивибратора равен:

$$ T= 2RC \cdot \ln \left ( 1+R_1/R_3 \right)$$

В частном случае если $$ R_3=R_1 $$ получим:

$$ T=1,386 \cdot RC $$

Если $$ R_3=2R_1 $$ то

$$ T=0,811 \cdot RC $$

Практика

После этих глубоких изысканий пора приступить к делу :) Берем самый распространенный компаратор LM311. Предельное напряжение его питания 36 В. Это подходит. Предельный выходной ток 50 мА. Сопротивление нагрузки выбираем 2 кОм, при этом ток через него 12 мА, а выделяемая мощность 144 мВт, что вполне приемлемо. Сопротивления R1..R3 должны составлять десятки килоом, причем R3 по крайне мере на порядок больше чем Rн. Выбираем их значения равными 20 кОм. Емкость конденсатора C=2200пФ.
Чтобы не тратить время на разводку печатной платы я воспользовался многоразовой макеткой. Получившаяся экспериментальная установка показана на рисунке.

Видно, что верхушка импульсов из-за тока зарядки конденсатора слегка "скошена". Частота колебаний получилась 14,12 кГц, а расчетная 16,4 кГц, расхождение почти 14% , что явно больше 5% допуска элементов. Почему так происходит? Чтобы разобраться возьмем несколько попавшихся под руку конденсаторов и измерим как меняется частота от емкости.

Емкость конденсатора, пФ

Тип, вид диэлектрика

Частота колебаний, кГц

Собственная емкость монтажа

---

1350

47

К10-17б имп, NP0

486

680

К10-17б имп, NP0

48,26

1000

К73-17, NP0

35,06

2200

К10-17б имп, X7R

14,12

Максимально возможная частота колебаний определяется собственной емкостью компаратора и монтажа См и равна 1350 кГц. Отсюда нетрудно вычислить, что См=27 пФ. Фронты импульсов показаны на рисунке слева, их форма сильно завалена. Достаточно крутые фронты можно получить на частоте ниже 500 кГц.

Сравним теорию с практикой с учетом емкости монтажа.

Емкость, пФ

Частота теоретическая, кГц

Частота практическая, кГц

Погрешность, %

27

1350

1350

0

47+27

487,5

486

-0,3

680+27

51,025

48,26

-5

1000+27

35,13

35,06

-0,1

2200+27

16,2

14,12

-12,8

Теперь ясно, что все дело в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость керамики X7R, а особенно Y5V сильно зависит от напряжения и температуры. Поэтому конденсаторы с таким диэлектриком не стоит применять в частотозадающих и интегрирующих цепях.

ЗЫ: Конечно, вместо LM311 можно применить и аналогичные отечественные компараторы 521СА3 или 554СА3, в этой схеме они работают ничуть не хуже [3].

ЗЫ2: Стало интересно, а как поведет себя схема при изменениях температуры?
Чтобы это узнать я сделал другой макет. Резисторы брались высокоточные, типа С2-29В 0,1% R1-R3=30,1 кОм, R=37,5 кОм, а конденсатор С марки К73-17 величиной 0,1 мкФ.

Температура, ℃ Частота,Гц Отклонение, %
+85 191,4 -1,2
+25 193,7 0
-40 200,9 3,7

Максимальное отклонение частоты в индустриальном диапазоне температур составило почти 4%. Но его можно уменьшить, применив высокостабильный конденсатор К71-7, а также микросхемы с низкими входными токами и температурным дрейфом напряжения смещения.

Литература.

  1. П. Хоровиц. У. Хилл. Искуство схемотехники: Пер. с англ. — Изд. 7-е. — М.: Мир, БИНОМ, 2011. — 704c. ил./ Cтр.321.

  2. Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд, испр. — М.: Додека, 2007. — 528c. ил./ Cтр.197.

  3. Б. Успенский. Интегральные компараторы напряжения //В помощь радиолюбителю: Сборник.Вып.97/ Сост Б.Г.Успенский — М.:ДОСААФ, 1987. - 78.с ил./ Стр.49.

Комментарии

#1. 13 марта 2013 года, 08:46. Pashgan пишет:
Отличная статья!
#2. 13 марта 2013 года, 13:39. Андрей пишет:
Спасибо :)

Оставьте свой комментарий

Ваше имя:

Комментарий:

Формулы на латехе: $$f(x) = x^2-\sqrt{x}$$ превратится в $$f(x) = x^2-\sqrt{x}$$.
Для выделения используйте следующий код: [i]курсив[/i], [b]жирный[/b].
Цитату оформляйте так: [q = имя автора]цитата[/q] или [q]еще цитата[/q].
Ссылку начните с http://. Других команд или HTML-тегов здесь нет.

Сколько будет 87+7?