Hiểu và triển khai bộ dao động đa hài phi ổn định

Bộ dao động đa hài không ổn định là bộ dao động chạy tự do, dao động giữa hai trạng thái, liên tục tạo ra dạng sóng vuông. Các mạch này, còn được gọi là bộ dao động thư giãn (relaxation oscillators), nằm trong số những mạch được sử dụng phổ biến nhất vì chúng đơn giản, đáng tin cậy và dễ chế tạo. Không giống như bộ dao động đa hài đơn ổn (Monostable) hoặc lưỡng ổn(Bistable multivibrator), cần xung kích hoạt bên ngoài, bộ dao động đa hài phi ổn định có chức năng kích hoạt tự động tích hợp để chuyển đổi giữa hai trạng thái không ổn định của chúng.

Thiết kế và vận hành mạch

Bộ dao động đa hài phi ổn định là mạch chuyển mạch transistor ghép chéo không có trạng thái đầu ra ổn định. Mạch bao gồm hai transistor chuyển mạch, một mạng phản hồi ghép chéo và hai tụ relay. Cấu hình này cho phép mạch dao động giữa hai trạng thái của nó mà không cần kích hoạt bên ngoài.

Mạch transistor cơ bản cho bộ dao động đa hài không ổn định tạo ra dạng sóng vuông bằng cách sử dụng một cặp transistor ghép chéo, NPN hoặc PNP, được phân cực để hoạt động tuyến tính. Các bóng bán dẫn này hoạt động như bộ khuếch đại cực phát chung với phản hồi dương 100%. Khi một bóng bán dẫn bật hoàn toàn (bão hòa), bóng bán dẫn kia tắt hoàn toàn (cắt), tạo ra mức khuếch đại lẫn nhau cao giữa hai bóng bán dẫn. Quá trình chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác được điều khiển bởi tác động xả của tụ điện thông qua điện trở.

Ví dụ về mạch và hành vi

Hãy xem xét một mạch đa hài không ổn định với nguồn cung cấp 6V. Giả sử bóng bán dẫn TR1 vừa tắt, khiến điện áp cực thu của nó tăng lên về phía Vcc, trong khi bóng bán dẫn TR2 đã bật. Vì TR1 ở trạng thái cắt, không có dòng điện chạy qua điện trở tải R1 và tụ điện C1 tích điện tạo ra hiệu điện thế giữa các bản cực của nó. Trong khi đó, TR2 bật hoàn toàn, cho phép tụ điện C2 tích điện qua điện trở R2.

Khi điện áp trên C2 vượt quá 0,6V, nó sẽ làm TR1 chuyển sang trạng thái dẫn và bão hòa. Ngay khi TR1 bật (ON), điện áp trên tấm "A" của tụ điện C1, ở Vcc - giảm nhanh, gây ra sự sụt giảm tương ứng trên tấm "B" của C1. Sự dao động điện áp âm này sẽ tắt TR2 và chu kỳ lặp lại khi tụ điện C1 bắt đầu sạc theo hướng ngược lại thông qua điện trở R3.

Quá trình luân phiên này khiến mạch dao động giữa hai trạng thái không ổn định, với TR1 và TR2 lần lượt bật và tắt. Tốc độ dao động được xác định bởi hằng số thời gian RC của mạch. Biên độ dạng sóng đầu ra gần giống với điện áp cung cấp, Vcc và dạng sóng là sóng vuông với các góc hơi tròn do đặc tính sạc của tụ điện.

Điều chỉnh dạng sóng đầu ra

Dạng sóng đầu ra có thể được tạo đối xứng hoặc không đối xứng tùy thuộc vào hằng số thời gian của mạng RC. Nếu hằng số thời gian của C2 x R2 và C1 x R3 bằng nhau, tỷ lệ đánh dấu trên khoảng cách của dạng sóng sẽ là 1:1, làm cho dạng sóng đối xứng. Việc thay đổi tụ điện hoặc điện trở có thể làm thay đổi tần số và hình dạng của sóng đầu ra.

Ví dụ, để tạo xung ở tần số 500Hz với tỷ lệ đánh dấu trên không gian là 1:5, nếu R2 = R3 = 100kΩ, các giá trị tụ điện cần thiết có thể được tính bằng công thức tính thời gian tuần hoàn. Các giá trị tính toán cho C1 và C2 có thể lần lượt là 4,83nF và 24,1nF, mặc dù các giá trị này cần được điều chỉnh thành các giá trị ưu tiên gần nhất để tính đến dung sai thành phần.

Các bảng tần số được tính toán trước có thể hữu ích để xác định các giá trị R và C cần thiết cho tần số đầu ra đối xứng mong muốn mà không cần tính toán lại cho mỗi tần số mới. Các bảng này cho phép điều chỉnh mạch dễ dàng hơn, đặc biệt là khi sử dụng biến trở kép để điều chỉnh tần số đầu ra trên một phạm vi rộng.

Ứng dụng thực tế: Biến trở kép

Khi sử dụng biến trở kép, tần số đầu ra của bộ đa hài không ổn định có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh điện trở trong mạng RC. Ví dụ, với hai tụ điện 3,3uF và hai điện trở 10kΩ, tần số dao động có thể thay đổi từ 2Hz đến 22Hz bằng cách điều chỉnh biến trở. Điều này cho phép kiểm soát chính xác tần số đầu ra, hữu ích trong nhiều ứng dụng khác nhau như định thời gian hoặc tạo tín hiệu.

Tăng cường tín hiệu đầu ra

Tín hiệu đầu ra có thể được lấy từ cực thu của một trong hai bóng bán dẫn trong mạch đa hài không ổn định. Mỗi dạng sóng đầu ra là ảnh phản chiếu của dạng sóng kia. Tuy nhiên, dạng sóng có thể có các cạnh hơi tròn, có thể được làm sắc nét hơn bằng cách đưa thêm các thành phần. Ví dụ, thêm một bóng bán dẫn thứ ba vào mạch có thể tạo ra xung đầu ra vuông hơn, hữu ích để chuyển mạch tải dòng điện cao hơn hoặc tải trở kháng thấp, chẳng hạn như đèn LED hoặc loa.

Mặc dù bóng bán dẫn bổ sung này cải thiện tín hiệu đầu ra, nhưng có thể gây ra độ trễ nhỏ, khiến dạng sóng hơi bất đối xứng. Việc lựa chọn điện trở tải phải phù hợp để giới hạn dòng điện cho đèn LED hoặc cung cấp trở kháng chính xác cho loa.

Kết luận

Đa hài phi ổn định là các thành phần linh hoạt trong mạch điện tử, có khả năng tạo ra đầu ra sóng vuông liên tục mà không cần tác nhân kích hoạt bên ngoài. Hiểu được hoạt động của chúng, điều chỉnh dạng sóng đầu ra và tăng cường chất lượng tín hiệu của chúng là những kỹ năng thiết yếu để thiết kế các hệ thống điện tử hiệu quả. Cho dù được sử dụng trong mạch đèn nhấp nháy đơn giản hay các ứng dụng tạo tín hiệu và thời gian phức tạp hơn, đa hài phi ổn định vẫn là một khối xây dựng cơ bản trong điện tử.