Мультивибратор на компараторе
Предыстория
Однажды мне потребовалось повозиться с силовой электроникой и понадобился генератор прямоугольных импульсов с выходным напряжением порядка 24В и частотой колебаний 50…100 кГц. С оборудованием было сложно и пришлось, как всегда, обходиться подручными средствами.
Самое простое решение — 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.
Итак, на базу транзистора попадает -24В, а напряжение пробоя перехода -5…-10В. Естественно, 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 такого мультивибратора можно найти в любом учебнике электроники, например, в [1] или [2].
Рис. 1. Теория.
Как она устроена? Смотрим на рисунок. В схеме есть заряд-разрядная цепочка RC и управляемый делитель напряжения R1, R2, R3. Напряжение на делителе управляется напряжением на выходе компаратора. Если на выходе компаратора будет логическая единица, то оно равно V1, а если логический ноль, то V0.
Как работает схема? Подадим питание. В начальный момент времени конденсатор С еще не зарядился, и напряжение на нем и на инвертирующем (минусовом) входе компаратора равно нулю. На не инвертирующем (плюсовом) входе напряжение больше нуля. Поэтому на выходе компаратора будет логическая единица, т. е. напряжение, почти равное напряжению питания Vs (если Rн намного меньше R3).
Напряжение на «плюсовом» входе V1 задает делитель, верхнее плечо которого образуют резисторы R1 и R3, подключенные параллельно к источнику Vs, а в нижнем плече стоит резистор R2.
Конденсатор C постепенно заряжается выходным напряжением компаратора. Как только напряжение на конденсаторе достигает напряжения V1, компаратор перебросится и на его выходе появляется логический ноль.
Напряжение на управляемом делителе уменьшится до величины V0 (сейчас 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:
Преобразуем эту формулу через проводимости:
V1 = Vs / (1 + R1||R3 / R2) = Vs / (1 + y2 / (y1 + y3)) = Vs (y1 + y3) / (y1 + y2 + y3)
Если все сопротивления равны, то V1 = (2 / 3) Vs
Затем находим напряжение V0 оно равно:
Преобразуем эту формулу через проводимости:
V0 = Vs / (1 + R1 / R2||R3) = Vs / (1 + (y2 + y3) / y1) = Vs y1 / (y1 + y2 + y3)
Если все сопротивления равны, то V0 = Vs / 3
При переключении компаратора конденсатор С разряжается по экспоненте. Время разряда равно времени заряда и равно половине периода. Тогда:
Отсюда T = 2 RC ln (V1 / V0) = 2 RC ln[ (y1 + y3) / y1 ]
Окончательно период мультивибратора равен:
В частном случае, если R1 = R3 период T= 1,386 RC
Если же R3 = 2 R1 период T= 0,811 RC
Практика
После этих глубоких изысканий пора приступить к делу
