مولتی ویبراتورهای آستابل، نوسان‌سازهای آزادگرد (free running) هستند که به طور مداوم بین دو حالت نوسان کرده و دو شکل موج خروجی مربعی تولید می‌کنند.
مدارهای سوییچینگ احیاکننده (Regenerative) مانند مولتی ویبراتورهای آستابل یل ناپایدار متداول‌ترین نوع نوسان‌سازهای وقفه‌ای (ریلاکسیون) هستند از آنجایی که نه تنها ساده، قابل اعتماد و دارای ساخت آسان بوده، بلکه شکل موج خروجی موج مربعی ثابتی نیز تولید می‌کنند.
برخلاف مولتی ویبراتور مونو استابل یا مولتی ویبراتور بای استابل که در مقاله‌های قبلی به آنها پرداختیم و برای عملکرد خود به یک پالس فرمان “خارجی” نیاز دارند، مولتی ویبراتور آستابل دارای فرمان خودکار داخلی است که آن را به طور مداوم بین دو حالت ناپایدار خود سوئیچ می‌کند.
مولتی ویبراتور ناپایدار نوع دیگری از مدار سوییچینگ ترانزیستورهای تزویج متقابل (cross-coupled) است که هیچ حالت خروجی پایداری ندارد زیرا دائماً از یک حالت به حالت دیگر تغییر می‌کند. مدار ناپایدار شامل دو ترانزیستور سوئیچینگ، یک شبکه فیدبک تزویج متقابل و دو خازن تاخیر زمانی است که اجازه می‌دهد تا نوسان بین دو حالت بدون تحریک خارجی، ایجاد شود.
در مدارهای الکترونیکی، مولتی ویبراتورهای آستابل به عنوان مولتی ویبراتورهای آزادگرد نیز شناخته می‌شوند، زیرا برای نوسان نیازی به ورودی اضافی یا کمک خارجی ندارند. نوسانگرهای ناپایدار، یک موج مربعی پیوسته از خروجی یا خروجی‌های خود تولید می‌کنند (دو خروجی بدون ورودی) که می‌توان از آن برای چشمک زدن چراغ‌ها یا تولید صدا در بلندگو استفاده کرد.
مدار ترانزیستوری مولتی ویبراتور آستابل، یک موج مربعی خروجی از یک جفت ترانزیستور تزویج شده امیتر زمین تولید می‌کند. هر دو ترانزیستور NPN یا PNP، در مولتی ویبراتور برای عملکرد خطی بایاس شده‌اند و به عنوان تقویت کننده امیتر مشترک با فیدبک 100٪ مثبت کار می‌کنند.
این پیکربندی شرایط نوسان را برای (βA = 1∠ 0o ) برآورده می‌کند. این باعث می‌شود که یک مرحله “کاملا روشن” (اشباع) را هدایت کند، در حالی که مرحله دیگر “کاملا خاموش” (قطع) است و سطح بسیار بالایی از تقویت متقابل بین دو ترانزیستور را فراهم می‌کند. رسانایی از یک مرحله به مرحله دیگر با عمل تخلیه یک خازن از طریق مقاومت، مطابق شکل زیر، منتقل می‌شود.
مدار پایه مولتی ویبراتور آستابل
منبع تغذیه 6 ولت و ترانزیستور TR1 که به تازگی “خاموش” (قطع) شده است و ولتاژ کلکتور آن به سمت Vcc در حال افزایش بوده در حالی که ترانزیستور TR2 به تازگی “روشن” شده است را در نظر بگیرید. صفحه “A” خازن C1 نیز به سمت تغذیه مثبت 6 ولت Vcc افزایش می‌یابد چون به کلکتور TR1 متصل است که اکنون قطع شده است. از آنجایی که TR1 در حالت قطع است، جریانی را هدایت نمی‌کند بنابراین افت ولتاژی در مقاومت بار R1 وجود ندارد.
طرف دیگر خازن C1، صفحه “B”، به ترمینال بیس ترانزیستور TR2 و با ولتاژ 0.6 ولت متصل است زیرا ترانزیستور TR2 در حال هدایت (اشباع) است. بنابراین، خازن C1 دارای اختلاف پتانسیل مثبت 5.4 ولت (0.6 –6) در بین صفحات خود از نقطه A تا نقطه B است.
از آنجایی که TR2 کاملا روشن است، خازن C2 شروع به شارژ شدن از طریق مقاومت R2 به سمت Vcc می‌کند. هنگامی که ولتاژ دو طرف خازن C2 به بیش از 0.6 ولت افزایش می‌یابد، ترانزیستور TR1 را به سمت هدایت و اشباع سوق می‌دهد.
لحظه‌ای که ترانزیستور TR1 “روشن” می‌شود صفحه “A” خازن که در ابتدا در پتانسیل Vcc بود، بلافاصله به 0.6 ولت می‌رسد. این افت سریع ولتاژ در صفحه “A” باعث سقوط یکسان و آنی ولتاژ در صفحه “B” می‌شود، بنابراین صفحه “B” خازن C1، به 5.4- ولت (شارژ معکوس) می‌افتد و این نوسان ولتاژ منفی به بیس ترانزیستور TR2 اعمال شده و آن را “خاموش” می‌کند (یک حالت ناپایدار).
ترانزیستور TR2 به حالت قطع هدایت شده بنابراین خازن C1 از طریق مقاومت R3 که به خط تغذیه 6+ ولت Vcc نیز متصل است در جهت مخالف شروع به شارژ می‌کند. بنابراین، بیس ترانزیستور TR2 اکنون در جهت مثبت به سمت Vcc با ثابت زمانی برابر با C1 × R3 افزایش می‌یابد. با این حال، هرگز به مقدار Vcc نمی‌رسد زیرا به محض اینکه به 0.6 ولت مثبت می‌رسد ترانزیستور TR2 کاملاً “روشن” و اشباع می‌شود. این عمل کل فرآیند را دوباره شروع کرده اما این بار با خازن C2 که بیس ترانزیستور TR1 را به 5.4- ولت می‌رساند در حالی که از طریق مقاومت R2 شارژ شده و وارد حالت ناپایدار دوم می‌شود.
بنابراین، می‌توانیم ببینیم که مدار بین یک حالت ناپایدار که در آن ترانزیستور TR1 “خاموش” و ترانزیستور TR2 “روشن” و حالت ناپایدار دوم که در آن TR1 “روشن” و TR2 “خاموش” است، با نرخی که توسط مقادیر RC تعیین می‌شود، نوسان می‌کند. این فرآیند بارها و بارها، تا زمانی که ولتاژ تغذیه وجود داشته باشد، تکرار می‌شود.
دامنه شکل موج خروجی تقریباً مشابه ولتاژ تغذیه Vcc است با دوره زمانی هر حالت سوئیچینگ که توسط ثابت زمانی شبکه‌های RC متصل به پایانه‌های بیس ترانزیستورها تعیین می‌شود. از آنجایی که ترانزیستورها هم «روشن» و هم «خاموش» می‌شوند، خروجی در هر یک از کلکتورها به دلیل جریانی که خازنها را شارژ می‌کند، یک موج مربعی با گوشه‌های کمی گرد خواهد بود. این شکل موج را می‌توان با استفاده از مؤلفه‌های بیشتر اصلاح کرد که بعداً بحث خواهیم کرد.
اگر دو ثابت زمانی تولید شده توسط C2 × R2 و C1 × R3 در مدارهای بیس یکسان باشند، نسبت علامت به فاصله (mark-to-space ratio) (t1/t2) برابر با یک به یک خواهد بود و شکل موج خروجی را متقارن می‌کند. با تغییر خازنهای C1 و C2 یا مقاومت های R2 و R3، نسبت علامت به فاصله و بنابراین فرکانس را می‌توان تغییر داد.
در مقاله تخلیه RC دیدیم که زمان صرف شده برای کاهش ولتاژ در خازن به نصف ولتاژ تغذیه ( Vcc0.5)، برابر با 0.69 ثابت زمانی ترکیب خازن و مقاومت است. بنابراین با در نظر گرفتن یک طرف مولتی ویبراتور ناپایدار، مدت زمانی که ترانزیستور TR2 در حالت خاموش است برابر با 0.69T یا 0.69 برابر ثابت زمانی C1 × R3 خواهد بود. به همین ترتیب، مدت زمانی که ترانزیستور TR1 “خاموش” است برابر با 0.69T یا 0.69 برابر ثابت زمانی C2 × R2 خواهد بود.
زمان تناوب مولتی ویبراتورهای آستابل
که در آن، R به اهم و C به فاراد است.
با تغییر ثابت زمانی فقط یک شبکه RC، نسبت علامت به فاصله و فرکانس شکل موج خروجی را می‌توان تغییر داد، اما معمولاً با تغییر هر دو ثابت زمانی RC با هم در یک زمان، فرکانس خروجی با حفظ نسبت علامت به فاصله به مقدار یک به یک، تغییر می‌کند.
اگر مقدار خازن C1 برابر با مقدار خازن C2 باشد (C1 = C2) و همچنین مقدار مقاومت R2 برابر با مقدار مقاومت R3 (R2 = R3) باشد، بنابراین طول دوره زمانی چرخه مولتی ویبراتورها برای شکل موج خروجی متقارن به صورت زیر خواهد بود.
فرکانس نوسان
در این رابطه، R بر حسب اهم، C بر حسب فاراد، T بر حسب ثانیه و ƒ بر حسب هرتز است.
و این به “فرکانس تکرار پالس” معروف است. بنابراین، مولتی ویبراتورهای آستابل می‌توانند دو شکل موج مربعی بسیار کوتاه خروجی از هر ترانزیستور یا یک خروجی مستطیلی شکل بسیار بلندتر، متقارن یا غیر متقارن، بسته به ثابت زمانی شبکه RC، همانطور که در زیر نشان داده شده است، تولید کنند.
شکل موج‌های مولتی ویبراتور آستابل
ولتی ویبراتور ناپایدار - مثال 1
یک مدار مولتی ویبراتور ناپایدار برای تولید یک سری پالس در فرکانس 500 هرتز با نسبت علامت به فاصله 1:5 مورد نیاز است. اگر R2 = R3 = 100kΩ، مقادیر خازنهای C1 و C2 مورد نیاز را محاسبه کنید.
با تنظیم مجدد فرمول بالا برای زمان تناوب، مقادیر خازنهای مورد نیاز برای ایجاد نسبت علامت به فاصله 1:5 به صورت زیر بدست می‌آید:
مقادیر 4.83 (nF) و24.1 (nF) به ترتیب مقادیر محاسبه شده هستند، بنابراین ما باید نزدیک‌ترین مقادیر ترجیحی را برای C1 و C2 انتخاب کنیم که تحمل خازنها را مجاز می‌کند. در واقع به دلیل طیف وسیعی از تلورانس‌های مرتبط با خازن ساده، فرکانس خروجی واقعی ممکن است تا 20% ± (400 تا 600 هرتز در این مثال ساده)، با فرکانس واقعی مورد نیاز متفاوت باشد.
اگر به شکل موج خروجی ناپایدار غیرمتقارن برای استفاده در مدارهای زمانبندی یا دریچهای نیاز داشته باشیم، می‌توانیم به صورت دستی مقادیر R و C را برای اجزای جداگانه مورد نیاز محاسبه کنیم، همانطور که در مثال بالا انجام شد.
با این حال، زمانی که مقاومت و خازن زمانبندی هر دو دارای مقدار یکسانی هستند، می‌توان با استفاده از جداول زمانبندی محاسبات را آسان‌تر کرد. جداول زمانبندی، فرکانس‌های محاسبه‌شده مولتی ویبراتورهای آستابل را برای ترکیب‌ها یا مقادیر مختلف R و C مربوط به مدار نشان می‌دهند. برای مثال داریم:
جدول فرکانس مولتی ویبراتور ناپایدار
|
مقادیر خازن
|
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
470nF
|
470nF
|
470nF
|
470nF
|
470nF
|
470nF
|
470nF
|
470nF
|
470nF
|
مقاومت
|
|
1.5kHz
|
3.2kHz
|
7.1kHz
|
15.2kHz
|
32.5kHz
|
71.4kHz
|
151.9kHz
|
324.6kHz
|
714.3kHz
|
1.0kΩ
|
|
691Hz
|
1.5kHz
|
3.2kHz
|
6.9kHz
|
14.7kHz
|
32.5kHz
|
69.1kHz
|
147.6kHz
|
324.7kHz
|
2.2kΩ
|
|
323Hz
|
691Hz
|
1.5kHz
|
3.2kHz
|
6.9kHz
|
15.2kHz
|
32.3kHz
|
69.1kHz
|
151.9kHz
|
4.7kΩ
|
|
152Hz
|
325Hz
|
714Hz
|
1.5kHz
|
3.2kHz
|
7.1kHz
|
15.2kHz
|
32.5kHz
|
71.4kHz
|
10kΩ
|
|
69.1Hz
|
147Hz
|
325Hz
|
691Hz
|
1.5kHz
|
3.2kHz
|
6.9kHz
|
14.7kHz
|
32.5kHz
|
22kΩ
|
|
32.5Hz
|
69.1Hz
|
152Hz
|
323Hz
|
691Hz
|
1.5kHz
|
3.2kHz
|
6.9kHz
|
15.2kHz
|
47kΩ
|
|
15.2Hz
|
32.5Hz
|
71.4Hz
|
152Hz
|
325Hz
|
714Hz
|
1.5kHz
|
3.2kHz
|
7.1kHz
|
100kΩ
|
|
6.9Hz
|
15.2Hz
|
32.5Hz
|
69.1Hz
|
147Hz
|
325Hz
|
691Hz
|
1.5kHz
|
3.2kHz
|
220kΩ
|
|
3.2Hz
|
6.6Hz
|
15.2Hz
|
32.5Hz
|
69.1Hz
|
152Hz
|
323Hz
|
691Hz
|
1.5kHz
|
470kΩ
|
|
1.5Hz
|
3.2Hz
|
6.9Hz
|
15.2Hz
|
32.5Hz
|
71.4Hz
|
152Hz
|
325Hz
|
714Hz
|
1MΩ
|
جداول فرکانس از پیش محاسبه شده می‌توانند در تعیین مقادیر مورد نیاز R و C برای فرکانس خروجی متقارن مورد نظر بدون نیاز به محاسبه مجدد آنها برای فرکانس متفاوت، مفید باشند.
با تغییر دو مقاومت ثابت R2 و R3 به یک پتانسیومتر (مقاومت متغییر) دو باندی و ثابت نگه داشتن مقادیر خازنها، فرکانس خروجی مولتی ویبراتورهای آستابل را می‌توان به راحتی تنظیم کرد تا فرکانس خاصی را بدهد یا تلرانس ناشی از اجزای مورد استفاده را جبران کند.
به عنوان مثال، مقدار خازن را از جدول بالا (nF)10 انتخاب می‌کنیم. با استفاده از یک پتانسیومتر 100کیلواهم برای مقاومت، فرکانس خروجی بدست می‌آوریم که می‌تواند به طور کامل از کمی بالاتر از 71.4 کیلوهرتز تا 714 هرتز، یعنی حدود 3 دهه (Decade) محدوده فرکانس، را تنظیم کند. به همین ترتیب، مقدار خازن (nF)47 محدوده فرکانسی از 152 هرتز تا بیش از 15 کیلوهرتز می‌دهد.
مولتی ویبراتور ناپایدار - مثال 2
یک مدار مولتی ویبراتور ناپایدار با استفاده از دو خازن زمانبندی با مقدار برابر 3.3 (uF) و دو مقاومت بیس با مقدار 10 کیلواهم ساخته شده است. اگر یک پتانسیومتر دو باندی 100 کیلو اهم به صورت سری به دو مقاومت متصل شود، حداقل و حداکثر فرکانس نوسان را محاسبه کنید.
با پتانسیومتر در 0٪، مقدار مقاومت بیس برابر با 10کیلواهم است.
با پتانسیومتر در 100٪، مقدار مقاومت بیس برابر با kΩ + 100kΩ = 110kΩ10 است.
بنابراین فرکانس نوسان خروجی برای مولتی ویبراتور ناپایدار می‌تواند از 2.0 تا 22 هرتز متغیر باشد.
هنگام انتخاب هر دو مقدار مقاومت و ظرفیت خازنی برای عملکرد قابل اعتماد، مقاومت‌های بیس باید دارای مقداری باشند که به ترانزیستور اجازه دهد تا زمانی که ترانزیستور دیگر خاموش می شود، کاملاً روشن شود. برای مثال مدار بالا را در نظر بگیرید. هنگامی که ترانزیستور TR2 کاملاً روشن (اشباع) است، ولتاژ هم در مقاومت‌های R3 و مقاومت R4 کاهش می‌یابد.
اگر ترانزیستور مورد استفاده دارای بهره جریان (β) 100 و مقاومت بار کلکتور R4 برابر با 1 کیلواهم باشد، بنابراین حداکثر مقدار مقاومت بیس 100 کیلواهم خواهد بود. بیشتر از این مقدار، ترانزیستور ممکن است کاملاً روشن نشود و در نتیجه مولتی ویبراتور نتایج نامنظمی داده یا اصلاً نوسان نداشته باشد. به همین ترتیب، اگر مقدار مقاومت بیس خیلی کم باشد، ترانزیستور ممکن است خاموش نشده و مولتی ویبراتور دوباره نوسان نکند.
یک سیگنال خروجی را می‌توان از ترمینال کلکتور هر یک از ترانزیستورها در مدار مولتی ویبراتورهای ناپایدار به دست آورد که هر شکل موج خروجی یک تصویر آینهای از خودش است. در بالا دیدیم که لبه جلویی شکل موج خروجی به دلیل ویژگیهای شارژ خازن در مدار کوپل شده متقابل، کمی گرد است و مربعی نیست.
می‌توانیم ترانزیستور دیگری را به مدار معرفی کنیم که یک پالس خروجی تقریباً مربعی تولید می‌کند و همچنین می‌تواند برای سوئیچ کردن بارهای جریان بالاتر یا بارهای امپدانس کم مانند LED یا بلندگوها بدون تأثیر بر عملکرد مولتی ویبراتور واقعی استفاده شود. با این حال، جنبه منفی این است که شکل موج خروجی کاملاً متقارن نیست زیرا ترانزیستور اضافی تاخیر بسیار کمی ایجاد می‌کند. دو مدار زیر را در نظر بگیرید.
مدار محرکه (Driving) مولتی ویبراتورهای آستابل
اکنون یک خروجی با لبه اصلی مربعی از ترانزیستور سوم TR3 متصل به امیتر ترانزیستور TR2 تولید می‌شود. سومین ترانزیستور، “روشن” و “خاموش” را همزمان با ترانزیستور TR2 سوئیچ می‌کند. می‌توانیم از این ترانزیستور اضافی برای تعویض دیودهای ساطع نور، رله‌ها یا تولید صدا از یک مبدل صدا مانند بلندگو یا صدای پیزو همانطور که در بالا نشان داده شده است استفاده کنیم.
مقاومت بار Rx باید به طور مناسب انتخاب شود تا افت ولتاژ رو به جلو را در نظر گرفته و حداکثر جریان را به حدود 20 میلی آمپر برای مدار LED محدود کند یا امپدانس بار کلی در حدود 100 اهم برای مدار بلندگو ایجاد کند. بلندگو می‌تواند هر مقدار امپدانس کمتر از 100 اهم داشته باشد.
با اتصال ترانزیستور اضافی TR4 به مدار امیتر ترانزیستورTR1 به روشی مشابه، می‌توانیم یک مدار مولتی ویبراتور آستابل تولید کنیم که با کمک آن دو مجموعه چراغ یا LED با سرعت تعیین شده توسط ثابت زمانی شبکه RC چشمک می‌زنند.
در آموزش بعدی در مورد شکل موج‌ها و سیگنال‌ها، به انواع مختلف مولتی ویبراتورهای ناپایدار که برای تولید شکل موج خروجی پیوسته استفاده می‌شوند، خواهیم پرداخت. این مدارها که به عنوان نوسانگرهای وقفه‌ای (ریلاکسیون) شناخته شده و یک موج مربعی یا مستطیلی را در خروجی خود برای استفاده در مدارهای ترتیبی به عنوان یک پالس ساعت (کلاک) یا سیگنال زمانبندی تولید می‌کنند. به این نوع مدارها، مولدهای شکل موج می‌گویند.
