Автоколебательный мультивибратор на таймере 555 с дросселем, резистором и диодом

В классической конфигурации и большинстве вариантов схемы автоколебательного мультивибратора на основе таймера 555 временные характеристики определяются зарядом и разрядом конденсатора. Однако можно утверждать, что, поскольку экспоненциальное напряжение конденсатора качественно аналогично току дросселя, последний можно сделать альтернативным времязадающим элементом для 555. Это было показано в [1]. На Рисунке 1 представлен другой подход к созданию автоколебательного мультивибратора на таймере 555 на основе дросселя.

Рисунок 1.	Схема автоколебательного мультивибратора на таймере 555 на основе дросселя, диода и резистора.

При включении питания напряжение на дросселе (V_L) резко возрастает и превышает напряжение срабатывания 555, равное 2V_CC/3. Уровень выходного напряжения V_O на выводе 3 становится низким, и разрядный транзистор на выводе 7 включается, обеспечивая низкоомный путь к земле. Ток дросселя I_L начинает расти по мере экспоненциального спада напряжения V_L и напряжения на выводах 2 (V₂) и 6 (V₆).

Когда напряжение V₆ становится ниже порогового уровня таймера, равного V_CC/3, на выходе V_O устанавливается высокий уровень, и разрядный транзистор выключается. Из-за прерывания тока I_L напряжение на дросселе меняется на противоположное, в результате чего ограничительный диод D смещается в прямом направлении. Напряжение на выводе 7 ограничивается на уровне, превышающем V_CC на прямое напряжение диода. Как I_L, так и V_L начинают спадать к нулю, в то время как напряжение V₂ поднимается к уровню V_CC.

Когда напряжение V₂ вновь пересекает уровень 2V_CC/3, выходное напряжение V_O становится низким, разрядный транзистор включается, и на выходе устанавливается регулярная последовательность импульсов. Ожидаемые формы сигналов показаны на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Временные диаграммы, смоделированные в Tinkercad (шкала времени 15 мкс/дел).

Для каждого состояния V_O мы вывели дифференциальное уравнение первого порядка для эквивалентной схемы. Это привело нас к формуле (1) для расчета длительности импульсов:

(1)

Символы этой формулы определены в Таблице 1, где в столбцах для значений длительности импульса T_H и паузы T_L перечислены конкретные значения, которые эти символы принимают. Мы также учитывали сопротивление дросселя постоянному току R_S, сопротивление разрядного транзистора на выводе 7 R_ON = 59.135/V_CC^0.8101 [2] и прямое напряжение диода V_D = 0.6 В.

Таблица 1.	Формулы для прогнозирования временных характеристик
Символ Определение TH TL R Эквивалентное сопротивление R1 + RS R1 + RS + RON II Начальный ток 2VCC/(3R1) VCC/(3R1) IF Конечный ток VCC/(3R1) 2VCC/(3R1) τ Постоянная времени L/(R1 + RS) L/(R1 + RS + RON) VS Напряжение на R-L –VD VCC

Чтобы проверить эти идеи, мы подготовили калькулятор в электронной таблице. который рассчитывает значения T_H, T_L и другие выходные характеристики. Затем мы выбрали компоненты, перечисленные в Таблице 2, использовали цифровой тестер LCR для измерения их фактических значений и подставили полученные числа в калькулятор. Прогнозируемые атрибуты V_O перечислены в Таблице 3.

Таблица 2.	Компоненты для экспериментальной схемы
Компонент Номинальное значение Измеренное значение R1 (Ом) 390 387 L (мГн) 18 17.48 RS (Ом) — 123

Таблица 3.	Сравнение расчетных и измеренных значений (VCC = 5.00 В)
Выходные характеристики Расчетные Измеренные % отличия TH (мкс) 19.868 20.354 2.42 TL (мкс) 58.588 63.800 8.52 Период (мкс) 78.456 84.154 7.01 Частота (кГц) 12.746 11.883 7.01 К-т заполнения (%) 25.323 24.187 4.59

Рисунок 3.	Экспериментальная установка с прибором Digilent Analog Discovery 3, подключенным к шине +5 В экспериментальной схемы.

Наконец, мы подключили к нашему ноутбуку контрольно-измерительное устройство с питанием от USB – Digilent Analog Discovery 3 (AD3) – для подачи напряжения +5 В на экспериментальную схему (Рисунок 3) и наблюдения осциллограмм на выводах 2, 6 и 3 микросхемы (Рисунок 4). Мы протестировали 8 микросхем из набора различных таймеров 555 и заметили, что, хотя время T_H было стабильным, значениям T_L раздражающе не хватало точности. Тем не менее, когда мы сравнили полученные с помощью AD3 результаты измерений с прогнозируемыми значениями в Таблице 3, мы увидели, что формула (1) достаточно точно моделирует выходные сигналы нового мультивибратора.

Рисунок 4.	Осциллограммы сигналов V2, V6 и VO, а также измерения VO.

Ссылки

1. Arthur Edang. Мультивибратор на таймере 555 с индуктивным компонентом
2. Phil Rogers. Использование таймера 555 в схемах с низкими коэффициентами заполнения

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LM555CN/NOPB