双闪LED灯 – 无稳态多谐振荡器

1 工作描述

该电路在电源接通后,两个发光二极管(LED)以固定频率交替闪亮。

(@TODO: 电路板工作视频)

2 电路简介

古老而经典的“无稳态多谐振荡器“(Astable Multivibrator, Free Running Multivibrator)电路,它的电子管版本最早出现于第一次世界大战期间。

3 电路图

@TODO: 上传电路图2张

4 工作原理

为了方便分析,做如下设定:

A. 晶体管Q1、Q2的发射结工作电压为0.7V,集电极-发射极饱和压降为0.3V;

B. R2、R3的阻值使晶体管Q1、Q2工作在开关状态,即C1、C2开路时,Q1、Q2将通过这两个电阻的偏置维持饱和(导通)状态;

C. R1、R4的阻值较小(相对R2、R3),其作用是对晶体管Q1、Q2和发光二极管D1、D2限流,因此C1、C2进行A-B方向充电的时间常数远小于进行B-A方向充电的时间常数;

D. R2 = R3;R1 = R4;C1 = C2;Q1、Q2为相同型号;

启动阶段:

(1)电源接通的起始时刻

A. Q1、Q2从初始的截至状态向导通(饱和)状态过渡;

B. C1、C2开始进行A-B方向充电;

@TODO: 上传Q1和Q2部分分离图2张

(2)启动状态的建立

A. 相对C1、C2充电回路的时间常数而言,Q1、Q2将在很短的时间内完成从截至到导通的过渡,此过程中由于元件参数的(细微)差异,两个晶体管中总有一个会率先达到导通状态。

B. 这里假设Q1比Q2率先导通,因此D1点亮;

C. 因Q1导通前C1的充电方向为A-B,B端电位必然低于A端,且电容两端电压不能突变,所以Q1导通的瞬间,Q2的基极电位(C1的B端)必然低于0.3V(C1的A端,即Q1的集电极),所以Q2截止。

D. C2的充电回路无变化,继续按A-B方向充电;C1因Q2截止转为由VCC通过R3、Q1进行B-A方向充电。

@TODO: 上传图片1张 – D1点亮、D2熄灭的状态

正常工作阶段:

(3)从D1点亮切换为D2点亮

A. C1在B-A方向充电过程中,它的B端即Q2的基极电位逐渐升高,当其达到0.7V时,Q2导通,D2点亮。

B. 因Q2导通前C2的充电方向为A-B,且时间常数较B-A方向充电时小得多,因此Q2导通的瞬间,C2的B端即Q1的基极电位低于其A端电位0.3V(即Q2的集电极电位),所以Q1截止,D1熄灭。

C. 随着Q1、Q2的导通/截止状态的切换,两个电容器的充电方向也立即切换为:C1按A-B方向充电;C2按B-A方向充电。

@TODO: 上传图片1张 – D2点亮、D1熄灭的状态

(4)从D2点亮切换为D1点亮

A. C2在B-A方向充电过程中,它的B端即Q1的基极电位逐渐升高,当其达到0.7V时,Q1导通,D1点亮。

B. 因Q1导通前C1的充电方向为A-B,且时间常数较B-A方向充电时小得多,因此Q1导通的瞬间,C1的B端即Q2的基极电位低于其A端电位0.3V(即Q1的集电极电位),所以Q2截止,D2熄灭。

C. 随着Q1、Q2的导通/截止状态的切换,两个电容器的充电方向也立即切换为:C2按A-B方向充电;C1按B-A方向充电。

@TODO: 上传图片1张 – D1点亮、D2熄灭的状态

(5)第(3)、(4)过程无限且稳定地交替重复下去……

从上面的工作分析可见,电路状态切换的关键(控制)点就是进行B-A方向充电的电容的B端(图中红圈标记的点),它只要达到晶体管发射结开启电压(0.7V),就会使Q1、Q2的状态同时翻转。

下面是电容C1、C2的电压时序图,图中:

A. U_C1A、U_C2A分别是C1、C2的A端电位,其最大值是Vcc,最小值是0.3V;(如果作为信号放生电路,则这两个就是输出的方波信号)

B. U_C1B、U_C2B分别是C1、C2的B端电位,其最大值是0.7V,最小值是-Vcc + 1.0V;

C. U_C1AB、U_C2AB分别是C1、C2的AB两端电压,其最大值是Vcc – 0.7V,最小值是0.4V;

@TODO: 上传图片1张:正常工作时的时序图

5 频率计算

由上面的工作原理分析可知,该电路的工作频率(D1、D2状态切换的频率,或者C1A、C2A输出方波的频率)决定于C1、C2按B-A方向充电的时间,此B-A方向的充电过程可以描述如下:

A. 初始电压V0:-(Vcc – 0.7)

B. 充电最终稳态电压Vu:Vcc – 0.3

C. 需要得到的电压Vt:0.4

在实际电路中,Vcc的取值一般足够大,使得晶体管的发射结工作电压、集电极-发射极饱和压降对Vcc来说可以忽略,此时上述描述简化为:

A. 初始电压V0:-Vcc

B. 充电最终稳态电压Vu:Vcc

C. 需要得到的电压Vt:0

电容的充电方程是:

Vt = V0 + (Vu – V0) * (1 – e^(-t/RC))

式中RC是充电回路的时间常数,t是完成B-A充电过程需要的时间

把上面简化描述中的各电压值代入方程,可解得:

t = -ln0.5 * RC = 0.693 * RC

因此,本电路中的C1、C2,各自对应的充电时间T1、T2分别为:

T1 = 0.693 * C1 * R3

T2 = 0.693 * C2 * R2

则电路输出(晶体管集电极输出方波)周期为:

T = T1 + T2

电路输出(晶体管集电极输出方波)频率为:

f = 1 / T

6 占空比

从上面频率计算的分析中可以看到,输出(方波)的ON / OFF状态分别由T1、T2决定,而这两个时间分别由C1、R3和C2、R2决定,就是说,通过调整这4个元件的取值,理论上可以随意确定T1、T2的值,从而随意确定方波的频率和占空比。(之前的原理分析中,为了简化分析,假定R2 = R3, C1 = C2,这时输出的是占空比为50%的方波)

注:占空比 = (T_ON / (T_ON + T_OFF)) * 100%,电容器充电时间T1、T2中一个是T_ON(高电平),则另一个是T_OFF(低电平)。

7 波形改善措施

如果电路的目的不是驱动LED发光,而是要取出晶体管集电极输出的方波信号,那么,我们会发现方波上升沿有圆角,不够陡峭,见下图中黄颜色圈起的部分:

@TODO: 上传图片1张:上升沿圆角示意图

产生此问题的原因是:进行A-B方向充电时,C1、C2的充电电流分别流过Q2、Q1的集电极负载,从而使晶体管集电极电位不能快速升高。改进措施如下:

@TODO: 上传图片1张:增加改善措施的电路图

改进后的电路比原电路新增了4个元件:D3、D4、R5、R6,工作原理如下:

A. 利用二极管D3、D4的单向导电性,阻断A-B方向通过晶体管集电极负载的充电电流,同时维持B-A方向充电的原有回路;

B. 对应的电阻R5、R6替代晶体管的集电极负载,提供了一个新的A-B方向充电的回路;

(@TODO: 实际电路、实测波形展示)

8 PNP晶体管版本

用PNP晶体管同样可以组成这个电路:

@TODO: 上传图片1张:PNP版本电路图

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