Перейти к содержанию

Мультивибратор на двух транзисторах

Два транзистора, перекрёстно связанные через конденсаторы, по очереди открывают и закрывают друг друга — получается генератор прямоугольных импульсов без единой микросхемы. Разбираем мигалку на двух светодиодах от 5 В: откуда берётся формула 0,693·R·C, когда она ошибается на 10 %, как выбрать резисторы, чтобы транзисторы насыщались, и почему от 9 В схема работает хуже.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Симметричный мультивибратор — два транзистора с общим эмиттером, у каждого коллектор связан конденсатором с базой другого. Когда один транзистор открывается, перепад на его коллекторе через конденсатор закрывает второй; тот остаётся закрытым, пока его базовый резистор не перезарядит конденсатор, а потом открывается и закрывает первый. Получается генератор прямоугольных импульсов: в схеме ниже два светодиода загораются по очереди примерно раз в 1,6 с.

Коротко

Период
T ≈ 0,693·(RB1·C2 + RB2·C1)
Точнее
t = R·C·ln((2U − UБЭ − UКЭнас) / (U − UБЭ))
Насыщение
RB ≤ hFE·RC, запас 2–3 раза
Восстановление
RC ≪ RB
Предел питания
≈ 6,8 В для BC547 и 2N3904
Пример
5 В, 47 кОм, 22 мкФ — 0,64 Гц

Схема

Мультивибратор на двух транзисторах BC547B: два светодиода мигают по очередиДва транзистора VT1 и VT2 BC547B включены с общим эмиттером, эмиттеры на общем проводе. Коллекторы подключены к плюсу 5 В через резисторы RC1 и RC2 по 2,2 кОм, параллельно им — светодиоды HL1 и HL2 с резисторами R5 и R6 по 470 Ом. Базы подключены к плюсу через резисторы RB1 и RB2 по 47 кОм. Конденсатор C1 22 мкФ соединяет коллектор VT1 с базой VT2, конденсатор C2 22 мкФ — коллектор VT2 с базой VT1, плюсом к коллекторам. Светодиоды загораются по очереди примерно раз в 1,6 с.+5 ВR5470 ОмHL1R6470 ОмHL2RC12,2 кОмRC22,2 кОмRB147 кОмRB247 кОмC122 мкФ+C222 мкФ+VT1BC547BVT2BC547BT ≈ 0,693 · (RB1 · C2 + RB2 · C1) = 1,43 с; с учётом UБЭ и UКЭнас — 1,57 с

Транзисторы VT1 и VT2 — BC547B, коллекторные резисторы RC1 и RC2 по 2,2 кОм, базовые RB1 и RB2 по 47 кОм, конденсаторы C1 и C2 по 22 мкФ. Светодиоды HL1 и HL2 с резисторами 470 Ом включены параллельно коллекторным резисторам: открытый транзистор зажигает свой светодиод. Электролитические конденсаторы ставят плюсом к коллекторам: большую часть времени на коллекторе напряжение выше, чем на базе. В конце каждого полупериода — примерно последние 17 % по той же модели заряда — база поднимается выше коллектора открытого транзистора, и обратное напряжение на конденсаторе доходит до 0,6 В (0,7 − 0,1 В). Для электролита это допустимо.

Откуда формула

Готовой формулы с выводом в даташитах производителей транзисторов нет, поэтому выведем её из уравнения заряда конденсатора через резистор.

Пусть открывается VT1. Его коллектор падает почти от напряжения питания U до UКЭнас. Конденсатор C1 мгновенно не перезаряжается, поэтому база VT2, которая была на уровне UБЭ, прыгает на ту же величину вниз — до U0 = UБЭ − (U − UКЭнас), ниже нуля. VT2 закрыт. Теперь база VT2 заряжается через RB2 к напряжению питания по экспоненте, и VT2 откроется, когда она снова дойдёт до UБЭ:

t=RBCln⁡U−U0U−UБЭ,t = R_B C \ln\frac{U - U_0}{U - U_{БЭ}},

а с подстановкой U0

t=RBCln⁡2U−UБЭ−UКЭнасU−UБЭ.t = R_B C \ln\frac{2U - U_{БЭ} - U_{КЭнас}}{U - U_{БЭ}} .

Если пренебречь UБЭ и UКЭнас по сравнению с U, дробь равна двум, и t=RBCln⁡2≈0,693 RBCt = R_B C \ln 2 \approx 0{,}693\,R_B C — та самая формула для полупериода, а период

T≈0,693 (RB1C2+RB2C1).T \approx 0{,}693\,(R_{B1} C_2 + R_{B2} C_1).

Для примера: при U = 5 В, UБЭ ≈ 0,7 В (BC547: 0,55–0,7 В при 2 мА, onsemi BC546/D) и UКЭнас ≈ 0,1–0,2 В (даташит даёт 0,09 В типично при IB = IC/20; здесь ток базы относительно меньше, и насыщение мельче) логарифм при 0,1 В равен ln⁡(9,2/4,3)=0,76\ln(9{,}2 / 4{,}3) = 0{,}76 вместо 0,693 (при 0,2 В — 0,75, разница около 1 %). Полупериод 47 кОм · 22 мкФ · 0,76 = 0,79 с, период 1,57 с, частота 0,64 Гц. Приближённая формула даёт 1,43 с — примерно на 9 % меньше; с ростом питания разница уменьшается.

Вывод предполагает, что к моменту переключения коллектор закрытого транзистора успел вернуться к напряжению питания: конденсатор подзаряжается через коллекторный резистор с постоянной времени RCC = 2,2 кОм · 22 мкФ = 48 мс — в 16 раз меньше полупериода. Если RC сравним с RB, коллектор не успевает подняться, и период становится меньше расчётного.

Расчёт

  1. Ток коллектора. Открытый транзистор проводит ток своего резистора и своего светодиода: (5 − 0,1)/2,2 кОм + (5 − 1,9 − 0,1)/470 = 2,2 + 6,4 = 8,6 мА. Прямое напряжение WP7113ID — 1,9 В типично при 10 мА, с максимальными 2,3 В ток светодиода 5,5 мА. Предел BC547 — 100 мА, светодиода — 30 мА.
  2. Насыщение. Ток базы (5 − 0,7)/47 кОм = 91 мкА. Чтобы транзистор насыщался, нужно hFE ≥ 8,6 мА/91 мкА = 94. У BC547B коэффициент не меньше 200 (при 2 мА), запас двукратный. У BC547A минимум — 110: работает впритык, его не берите.
  3. Период. По формуле выше — 1,57 с. Он пропорционален ёмкости, поэтому допуск конденсаторов из их даташита переходит в период один к одному.
  4. Напряжение эмиттер–база. В момент переключения база закрытого транзистора уходит ниже эмиттера на U − UКЭнас − UБЭ = 5 − 0,1 − 0,7 = 4,2 В. Для BC547 предел — 6 В (VEBO, BC546/D), запас есть.

Предел питания

Если поднять питание, обратное напряжение на базе растёт вместе с ним: при 9 В это уже 8,2 В — больше 6 В, допустимых для BC547 и 2N3904. Переход эмиттер–база пробивается как стабилитрон, и база не уходит ниже напряжения пробоя — по даташиту не меньше 6 В, у реальных экземпляров обычно несколько больше: конденсатор перезаряжается от меньшей глубины, и период становится короче расчётного. К тому же это работа за пределом VEBO из таблицы предельных режимов, которую даташит не допускает. Граница — около 6 + 0,7 + 0,1 = 6,8 В. Выше неё ставят диод последовательно с базой каждого транзистора или питают мультивибратор через стабилизатор.

Детали

ПозицияДетальПримечание
VT1, VT2BC547B (или 2N3904)у 2N3904 другая цоколёвка
RB1, RB247 кОмзадают время вместе с C1, C2
RC1, RC22,2 кОмв 20 раз меньше RB
C1, C222 мкФ, 10 Вплюсом к коллекторам
R5, R6470 Омток светодиода 5,5–6,4 мА
HL1, HL2WP7113ID или другой красный 5 ммдо 30 мА

Варианты

  • Несимметричный мультивибратор — разные RB или C: светодиоды горят разное время, t1 = 0,693 RB1C2, t2 = 0,693 RB2C1 — каждое задаёт базовый резистор и конденсатор, подключённый к той же базе.
  • На NE555 частота стабильнее и не зависит от транзисторов, а ток выхода больше: схемы на NE555.
  • С нагрузкой через ключ — если нужен ток больше десятков миллиампер, мультивибратор управляет транзисторным ключом, а не нагрузкой напрямую.

Почему не работает

  • Оба светодиода горят постоянно. Оба транзистора насыщены — базовые резисторы слишком малы относительно коллекторных; проверьте RC ≪ RB.
  • Оба светодиода не горят. Транзисторы перепутаны по выводам (у BC547 и 2N3904 цоколёвка разная) или конденсаторы впаяны в обратной полярности.
  • Мигает быстрее расчётного. Питание выше 6,8 В и пробой эмиттер–база, или электролиты с большой утечкой.
  • Светодиоды едва светятся. Транзисторы не насыщаются: коэффициент усиления меньше нужного — возьмите BC547B или BC547C, или уменьшите RB вместе с увеличением C.
  • Длительности сильно различаются. Разброс ёмкости электролитических конденсаторов; если нужна симметрия, подберите пару или возьмите NE555.

Частые вопросы

Как рассчитать частоту мультивибратора на транзисторах?

Каждый полупериод длится примерно 0,693·R·C, где R — базовый резистор, C — конденсатор, подключённый к той же базе. Период T ≈ 0,693·(RB1·C2 + RB2·C1), в симметричной схеме 1,386·R·C. Формула получается из уравнения заряда RC, если пренебречь напряжениями база–эмиттер и коллектор–эмиттер насыщения; при питании 5 В точный расчёт даёт период примерно на 10 % больше.

Почему мультивибратор не запускается?

Чаще всего оба транзистора одновременно насыщены: базовые резисторы слишком малы по сравнению с коллекторными, и конденсаторы не успевают закрыть транзистор. Проверьте условие RC ≪ RB ≤ hFE·RC: коллекторный резистор должен быть в десятки раз меньше базового, а базовый — не больше коллекторного, умноженного на минимальный коэффициент усиления.

Можно ли питать мультивибратор на BC547 от 9 или 12 В?

Схема заработает, но база закрытого транзистора уходит ниже эмиттера почти на напряжение питания. У BC547 и 2N3904 напряжение эмиттер–база допускается только до 6 В, и при питании выше примерно 6,8 В переход пробивается: период становится меньше расчётного, а транзистор работает за пределом допустимого режима. Ставят диод последовательно с базой или эмиттером либо снижают питание.

Можно ли заменить BC547 на 2N3904?

Да, по параметрам они близки: оба NPN, 6 В эмиттер–база, у 2N3904 ток коллектора до 200 мА против 100 мА у BC547. Но цоколёвка разная: у BC547 в TO-92 первый вывод — коллектор, у 2N3904 — эмиттер. Ставить с той же разводкой платы нельзя.

Источники

  1. onsemi. BC546B, BC547A, B, C, BC548B, C: Amplifier Transistors NPN Silicon (BC546/D, Rev. 8, August 2021) — Maximum Ratings — VCEO 45 В у BC547, VEBO 6,0 В, IC 100 мА, 625 мВт; Electrical Characteristics — V(BR)EBO не меньше 6,0 В, hFE BC547B 200–290–450 при 2 мА, VCE(sat) 0,09 и до 0,25 В при 10 мА и IB = 0,5 мА, VBE(sat) 0,7 В, VBE(on) 0,55–0,7 В при 2 мА; цоколёвка TO-92: 1 — коллектор, 2 — база, 3 — эмиттер
  2. onsemi. 2N3904: NPN General-Purpose Amplifier (2N3904/D, Rev. 3, October 2024) — Maximum Ratings — VCEO 40 В, VEBO 6,0 В, IC 200 мА; hFE 100–300 при 10 мА, VCE(sat) до 0,2 В при 10 мА и IB = 1 мА; цоколёвка: 1 — эмиттер, 2 — база, 3 — коллектор
  3. Kingbright. WP7113ID: T-1 3/4 (5 mm) Solid State Lamp (DSAF0012, Rev V.14A, 01/08/2026) — прямое напряжение 1,9 и до 2,3 В при 10 мА, постоянный ток до 30 мА, обратное напряжение до 5 В

Нашли ошибку?

Смотрите также