مولتی ویبراتور مونو استابل — راهنمای جامع (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)
مولتی ویبراتور مونو استابل (Monostable Multivibrator) جزو مدارات ترتیبی باز تولیدکننده (Regenerative) محسوب میشود که دو نوع سنکرون و غیرسنکرون دارد. این مدار معمولا به صورت گسترده در کاربردهای زمانبندی الکترونیکی (Electronic Timing) مورد استفاده قرار میگیرد. در این مطلب قصد داریم به بررسی مولتی ویبراتورهای مونو استابل بپردازیم و با اصول کاری آنها آشنا شویم.
مولتی ویبراتورها یک شکل موج را در خروجی تولید میکنند که معمولا این شکل موج، به صورت مربعی متقارن (Symmetrical) یا غیرمتقارن (Asymmetrical) است؛ زیرا شکل موج مربعی متداولترین شکل موج تولیدی مورد استفاده در مدارات الکترونیکی است. این مولتی ویبراتورهای متعلق به یک خانواده از نوسانگرها (Oscillators) هستند که معمولا نوسانگرهای آرام (Relaxation Oscillators) نامیده میشوند.
در حالت کلی، مولتی ویبراتورهای گسسته از دو ترانزیستور که به صورت متقاطع به یکدیگر کوپل شدهاند، به عنوان مدار کلیدزنی، تشکیل شده است. این مدار کلید زنی به نحوی طراحی شده است که یک یا تعداد بیشتری از خروجیهای خود را به عنوان ورودی و از طریق شبکه مقاومت و خازن (RC) به ترانزیستورهای دیگر باز گرداند تا یک حلقه فیدبک ایجاد شود.
مولتی ویبراتور مونو استابل
ویژگی مولتی ویبراتورها این است که این مدارات دارای دو حالت الکتریکی مختلف هستند. یک حالت خروجی HIGH و دیگری حالت خروجی LOW است. این حالتهای خروجی بسته به نوع مولتی ویبراتور، به مدار وضعیتی پایدار (Stable) و یا شبه پایدار (Quasi Stable) میدهند. یک نوع از چنین پیکربندیهای مولد پالس دو حالته، مولتی ویبراتور مونو استابل نام دارد.
نمای یک مدار مولتی ویبراتور مونو استابل در شکل زیر نشان داده شده است.
مولتی ویبراتور مونو استابل فقط یک حالت پایدار دارد و دقیقا به همین دلیل است که نام مونو استابل بر آن نهاده شده است. این نوع از مدارات زمانی که توسط یک پالس خارجی تریگر شوند، پالس خروجی تکی را تولید میکنند. مولتی ویبراتور مونو استابل فقط زمانی به حالت پایدار اولیه خود (که آن حالت را حالت پایدار مونو استابل مینامند.) باز میگردد که یک بازه زمانی خاص را سپری کند. این بازه زمانی توسط ثابت زمانی مدار شبکه RC کوپل شده تعیین میشود.
مدار ماسفت (MOSFET) در شکل بالا را در نظر بگیرید. مقاومت R و خازن C متعلق به شبکه زمانبندی هستند. ماسفت کانال N افزایشی (N-channel Enhancement Mode MOSFET) بر حسب ولتاژ در دو سر خازن به وضعیت روشن میرود و LED متصل به درین (Drain) نیز روشن میشود.
زمانی که کلید بسته باشد، خازن اتصال کوتاه شده و بنابراین در مد تخلیه قرار میگیرد. در همین حال گیت (Gate) ترانزیستور ماسفت به زمین متصل میشود و ترانزیستور و در نتیجه LED نیز خاموش میشوند. پس میتوان گفت در زمانی که کلید بسته باشد، مدار همیشه در حالت خاموش است و در وضعیت ناپایدار خود قرار دارد.
اما زمانی که کلید در مدار باز شود، خازن C که در مرحله قبل به صورت کامل دشارژ شده بود، این بار از طریق مقاومت R شروع به شارژ شدن میکند. سرعت این شارژ شدن را مدار زمانبندی تعیین میکند که همان شبکه خازنی مقاومتی RC است. زمانی که ولتاژ شارژ خازن به پایینترین سطح ولتاژ آستانه گیت ماسفت برسد، ترانزیستور ماسفت روشن میشود و همزمان با آن LED نیز روشن میشود. در این حالت مدار در وضعیت پایدار خود قرار میگیرد.
بنابراین کاربرد کلید در مدار باعث میشود که وضعیت آن از حالت پایدار به ناپایدار تغییر کند و هنگامی که ثابت زمانی مدار RC به پایان برسد، دوباره به حالت پایدار خود باز میگردد. پس مدار فقط در یک بازه زمانی از پیش تعیین شده در حالت ناپایدار قرار میگیرد و به همین دلیل به این مدار یک مدار ماسفت مولتی ویبراتور مونو استابل و یا تک ضربه (One-Shot) میگویند.
مولتی ویبراتور مونو استابل یا مولتی ویبراتور تک ضربهای برای تولید یک پالس خروجی تکی مورد استفاده قرار میگیرد که این پالس با وارد شدن یک پالس تریگر خارجی به مدار تولید میشود و در هر حالت HIGH و LOW دارای پهنای پالس (Pulse Width) مخصوص است. این پالس تریگر یک چرخه زمانبندی (Timing Cycle) را شروع میکند که در نهایت منجر به این میشود که خروجی مولتی ویبراتور مونو استابل حالت خود را در شروع چرخه زمانبندی تغییر دهد و در این حالت دوم باقی بماند.
چرخه زمانبندی مولتی ویبراتور مونو استابل، توسط ثابت زمانی خازن زمانبندی $$ C_T $$ و مقاومت $$ R_T $$ تعیین میشود و از این طریق به حالت پایدار اصلی خود باز میگردد و یا اصطلاحا ریست میشود. مولتی ویبراتور مونو استابل تا زمانی نامحدود در این حالت پایدار و اصلی خود باقی میماند و فقط هنگامی از آن خارج میشود که یک پالس ورودی یا پالس تریگر دیگر دریافت کند. پس مولتی ویبراتور مونو استابل فقط یک حالت پایدار دارد و در پاسخ به یک پالس تکی ورودی تریگر، چرخه کاملی را طی میکند.
مدار مولتی ویبراتور مونو استابل
در مدار شکل زیر یک پیکربندی از مولتی ویبراتور مونو استابل ساده با ترانزیستورهای کلکتور کوپل شده (Collector-Coupled) به همراه شکل موج خروجی متناظر نشان داده شده است.
زمانی که ابتدا ولتاژ را اعمال میکنیم، بیس ترانزیستور TR2 از طریق مقاومت بایاس $$R_T $$ به ولتاژ تغذیه $$V_{CC}$$ متصل میشود، بنابراین ترانزیستور به صورت کامل روشن میشود و به ناحیه اشباع میرود. در همین حال، ترانزیستور TR1 خاموش میشود. این حالت منجر به این میشود که مدار در وضعیت پایدار خود باشد و خروجی آن برابر با صفر باشد. بنابراین جریان در ترمینال بیس اشباع شده ترانزیستور TR2 برابر با $$ I_b=\frac{(V_{CC} - 0.7)} {R_T} $$ خواهد بود.
مدار R4C1 در حقیقت یک مشتقگیر است و اگر یک پالس منفی به ورودی تریگر اعمال شود، در خروجی آن دو ضربه مثبت و منفی ایجاد خواهد شد. ضربه مثبت باعث روشنشدن دیود خواهد شد و در نتیجه ولتاژ بیس TR1 مثبت شده و فورا روشن خواهد شد. کلکتور ترانزیستور TR1 که قبلا دارای ولتاژ $$V_{CC}$$ بود، اکنون سریعا به زیر صفر افت میکند و ولتاژ معکوس موثر به اندازه 0.7- در طول خازن ایجاد میکند. این عمل منجر به این میشود که ترانزیستور TR2 اکنون دارای ولتاژ بیس منفی در نقطه X باشد و در نتیجه ترانزیستور کاملا خاموش شود. در نهایت این وضعیت منجر به این میشود که مدار به حالت دوم خود برود که همان حالت ناپایدار محسوب میشود. مقدار خروجی مدار در حالت ناپایدار برابر با $$V_{CC} $$ خواهد بود.
خازن زمانبندی $$ C_T $$ شروع به تخلیه کردن ولتاژ 0.7- خود از طریق مقاومت زمانبندی $$R_T $$ میکند تا به مقدار ولتاژ منبع تغذیه $$V_{CC}$$ شارژ شود. این ولتاژ منفی در بیس ترانزیستور TR2 به تدریج شروع به کاهش میکند. نرخ این کاهش ولتاژ توسط ثابت زمانی شبکه زمانبندی $$R_T C_T$$ تعیین میشود. از آنجا که ولتاژ بیس ترانزیستور TR2 تا بازگشت مجدد به $$V_{CC} $$ شروع به افزایش میکند، ترانزیستور وارد مد هدایت میشود و ترانزیستور TR1 را مجددا خاموش میکند. این حالت باعث میشود که مولتی ویبراتور مونو استابل دوباره به حالت پایدار خود باز گردد و منتظر پالس تریگر منفی دیگری بماند تا فرآیند را بار دیگر شروع کند.
مولتی ویبراتور مونو استابل میتواند هم یک پالس بسیار کوتاه و هم یک شکل موج مستطیلی بزرگتر را ایجاد کند. لبه بالا رونده در این پالس زمانی به وجود میآید که یک پالس تریگر خارجی به مدار اعمال شود. اما لبه پایین رونده پالس، بستگی به ثابت زمانی شبکه RC دارد. این ثابت زمانی ممکن است با زمان تغییر کند و یک دنباله از پالسها را تولید کند که دارای تاخیر زمانی ثابت و کنترلشده در تناسب با پالس تریگر اصلی هستند. نمایی از دو نوع شکل موج خروجی مولتی ویبراتور مونو استابل در تصویر زیر نمایش داده شده است.
ثابت زمانی مولتی ویبراتور مونو استابل میتواند با تغییر مقادیر مقاومت $$R_T$$ و خازن زمانبندی $$C_T $$ و یا هر دو با هم، افزایش یا کاهش یابد. مولتی ویبراتورهای مونو استابل معمولا برای افزایش پهنای پالس و یا ایجاد تاخیر زمانی در یک مدار مورد استفاده قرار میگیرند. چون فرکانس سیگنال خروجی همیشه با فرکانس پالس تریگر ورودی یکسان است، در نتیجه فقط در پهنای پالس با یکدیگر متفاوت هستند.
مولتی ویبراتورهای مونو استابل TTL/CMOS
مولتی ویبراتورهای مونو استابل را میتوان با قطعات گسسته تکی مانند ترانزیستور ایجاد کرد. همچنین میتوان برای ساخت این نوع مولتی ویبراتورها از مدارات مجتمع متداول هم استفاده کرد.
مدار زیر نحوه ساخت یک مولتی ویبراتور مونو استابل با استفاده از فقط دو گیت NOR منطقی را نشان میدهد.
فرض کنید که ابتدا ورودی تریگر در سطح صفر منطقی و یا سطح LOW باشد. بنابراین خروجی گیت NOR اول یعنی U1 دارای سطح یک منطقی خواهد بود. مقاومت $$ R_T $$ به منبع ولتاژ متصل شده است، بنابراین دارای سطح یک منطقی خواهد بود که به این معنی است که خازن $$C_T$$ نیز دارای همین مقدار ولتاژ در دو سر خود است. گره $$ V_1 $$ نیز همین ولتاژ را کسب میکند. بنابراین، ولتاژ خروجی از گیت NOR دوم دارای سطح منطقی صفر یا LOW خواهد بود. در این حالت خروجی برابر با صفر ولت است و مدار در حالت پایدار خود قرار دارد.
زمانی که یک پالس تریگر مثبت در زمان $$ t_0 $$ به ورودی اعمال میشود، خروجی گیت NOR اول در حالت LOW یا صفر منطقی قرار میگیرد و خازن $$C_T $$ که به این گیت منطقی متصل است، دشارژ میشود. حال خازن $$C_T $$ به صورت کامل تخلیه شده و در ولتاژ صفر ولت قرار گرفته است. این خازن مقدار ولتاژ ورودی گیت NOR دوم را نیز تعیین میکند. پس ورودی این گیت صفر منطقی است و در نتیجه خروجی آن سطح یک منطقی خواهد داشت. این شرایط منجر به بروز حالت دوم مدار میشود. در حالت دوم، مدار در وضعیت ناپایدار قرار گرفته و ولتاژ خروجی آن برابر با $$+V_{CC} $$ است.
گیت NOR دوم این حالت ناپایدار را حفظ میکند و فقط زمانی از آن خارج میشود که خازن زمانبندی از طریق مقاومت $$ R_T $$ شارژ شود و به ولتاژ آستانه کمینه ورودی (که حدودا ۲ ولت است.) برسد. در این شرایط، حالت گیت تغییر پیدار میکند؛ زیرا سطح ولتاژ یک منطقی در ورودی آن ظاهر میشود. این تغییر منجر به این میشود که خروجی به مقدار صفر منطقی ریست شود. این مقدار به یکی از ورودیهای U2 از طریق حلقه فیدبک باز گردانده میشود. این عمل، به صورت اتوماتیک مونو استابل را به حالت پایدار اولیه باز میگرداند و متظر پالس تریگر دوم میماند تا پروسه زمانبندی را بار دیگر شروع کند. شکل موجهای ولتاژ مونو استابل گیت NOR در شکل زیر نشان داده شده است.
با توجه به آنچه در بالا گفته شد، معادله ثابت زمانی در این مدار به صورت زیر است:
$$\tau = 0.7 RC $$
در این معادله R در واحد اهم و C در واحد فاراد بیان میشوند.
همچنین میتوان مولد پالس مونو استابل را با استفاده از آیسیهای خاص ایجاد کنیم. در حال حاضر مدارات مجتمع استاندارد خاصی مانند 74LS121 به صورت مطلق به این کار اختصاص داده شدهاند. 74LS121 یک مولتی ویبراتور مونو استابل تک ضربهای محسوب میشود. همچنین آیسیهای 74LS123 یا 4538B مولتی ویبراتورهای مونو استابل با قابلیت تریگر مجدد هستند که میتوانند پالسهایی را در خروجی تولید کنند که دارای پهنای پالس به ظرافت 40 نانو ثانیه تا پهنای پالس بزرگتر در حد 28 ثانیه باشند. این مدارات فقط از دو المان زمانبندی RC خارجی استفاده میکنند و پهنای پالس با عبارت $$T= 0.69 RC $$ محاسبه میشود. نمایی از مدار یک مولد مونو استابل با آیسی 74LS121 در شکل زیر نشان داده شده است.
این آیسیهای مولد پالس مونو استابل میتوانند برای تولید یک پالس خروجی یا در لبه بالا رونده پالس تریگر و یا در لبه پایین رونده پالس تریگر پیکربندی شوند. آیسی 74LS121 میتواند پهنای پالس را از حدود 10 نانو ثانیه تا 10 میلی ثانیه با بیشینه مقاومت زمانبندی 40 کیلو اهم و بیشینه خازن زمانبندی ۱۰۰۰ میکرو فاراد تولید کند.
خلاصه
مولتی ویبراتور مونو استابل دارای فقط یک حالت پایدار است و به همین دلیل یک مولد پالس تک ضربهای نیز نامیده میشود. این مدار توسط یک پالس تحریک خارجی مثبت و یا منفی تریگر میشود. زمانی که مولتی ویبراتور مونو استابل تریگر شود، تغییر حالت پیدا میکند و برای یک مدت زمان خاص در این حالت دوم باقی میماند. این بازه زمانی توسط ثابت زمانی مدار فیدبک RC تعیین میشود. بعد از این که مدار این تناوب زمانی را پشت سر گذاشت، مونو استابل به صورت خودکار به حالت پایدار اولیه باز میگردد و منتظر دریافت پالس تریگر خارجی میماند.
بنابراین مولتی ویبراتور مونو استابل میتواند به عنوان مولد پالس تریگر در نظر گرفته شود که عموما برای تولید تاخیر زمانی در یک مدار مورد استفاده قرار گیرد. از آنجا که فرکانس پالس خروجی با فرکانس پالس تریگر ورودی یکسان است، در نتیجه فقط در پهنای پالس با یکدیگر تفاوت خواهند داشت.
یکی از عیوب اصلی مدار مولتی ویبراتور مونو استابل این است که زمان بین اعمال پالس تریگر بعدی باید بزرگتر از ثابت زمانی مدار زمانبندی RC باشد، تا به خازن زمانبندی اجازه داده شود شارژ و یا دشارژ شود.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزشهای زیر نیز به شما پیشنهاد میشوند:
- مجموعه آموزشهای مهندسی الکترونیک
- آموزش تکنیک پالس
- مجموعه آموزشهای مهندسی برق
- آموزش الکترونیک ۳
- تایمر ۵۵۵ — راهنمای جامع
- اشمیت تریگر با اپ امپ — از صفر تا صد
- کلید ترانزیستوری — از صفر تا صد
^^
باعرض سلام ووقت بخیر
می خواستم بدونم فیلم آموزشی مولتی ویبراتور مونو استابل با ترانزیستور BJT
مربوط به کدام دوره آموزش آقای امید زندی می باشد
باتشکر
با سلام؛
فیلمهای آموزشی که در این مطلب مشاهده کردید، آموزشهای رایگانی هستند که در قالب «آموزک» و رایگان در مطالب مجله فرادرس قرار گرفتهاند. اما برای مشاهده آموزشهای آقای زندی میتوانید به این لینک مراجعه کنید.
با تشکر
سلام وقت بخیر…میخواستم بدونم که چطور میشه با استفاده از 2تا مونوآستابل یک آستابل ساخت…توسط آیسی74121
عالی بود واقعاً خانوم مهندس.