SERBEST ÇALIŞAN – KARARSIZ (ASTABLE) MULTİVİBRATÖRLER
İki durum arasında gidip gelen hiçbir zaman kararlı olarak bir duruma geçmeyen multivibratör çeşididir. Çalışma gerilimi uygulandığı andan itibaren zamanlama elemanlarının belirlediği sürelerde durum değiştiren devrelerdir. Astable multivibrator zamanlama devrelerinde tetikleme sinyali amaçlı bir kare dalga osilatör olarak kullanılırlar. Astable multivibratörler birkaç Hz’den MHz mertebelerinde karesel veya dikdörtgensel dalga üreticisi olarak çalıştırılabilirler. Karesel dalgayı oluşturan yari periyotlar birbirine eşittir. Dikdörtgensel dalgayı oluşturan yari periyotlar birbirine eşit değildir.
Şekil 1 Transistorlü astable multivibratör
Karesel dalga oldukça bol harmoniklidir. Uygulamada karesel dalgalar; karesel dalganın temel frekansının dokuzuncu harmoniğine kadar etkili olmaktadır. Radyo ve Televizyon alıcılarında ariza aramada temel frekansı 400 Hz olan karesel dalgalı osilatörün, sinyal injektörü olarak kullanımı çok yaygındır. Karesel dalgayı; genlikleri harmonik sayısı arttıkça azalan ve sadece tek sayılı sinüzoidal harmoniklerden oluşan, sinüzoidal dalga bileşenlerinin toplamı olarak düşünebiliriz. Karesel dalgada; birinci harmoniğin yani sıra üçüncü, besinci, yedinci ve dokuzuncu harmonikli bileşenlerin çogu uygulamada etkili olmaktadır. Mekanik siren sesini taklit edebilen “Elektronik Siren” yapımında da karesel dalgali osilatörden yararlanılmaktadır. Sekil 1’de transistorlü astable multivibratör devresi görülmektedir. Devrede birbirine simetrik bağlı iki npn transistör vardır. Devredeki elemanlar T1 = T2, C1 = C2, Rc1 = Rc2 ve R1 = R2 seçilse bile, güç uygulandığı zaman transistörlerden biri iletimde diğeri kesimde olacaktır.
(a)
(b)
Şekil 2 Transistörlü multivibratör devresi
Devrenin çalışmasını açıklamak için güç verildiği anda T1 transistörünün kesim ve T2 transistörünün iletimde olmasını (Şekil 2.a) kabul edelim. Bu anda C1 kondansatörü deşarj ve C2 kondansatörü şarj olmuş durumdadır. Bundan sonra C1 kondansatörü RC1 direnci üzerinden şarja, C2 kondansatörü R2 direnci üzerinden deşarja başlayacaktır. Bir süre sonra C2 kondansatörü T1 transistörünü iletime sokacak şekilde deşarj, C1 kondansatörü T2 transistörünü kesime götürecek şekilde şarj olacaktır. Şekil 2.b bu durumda kondansatörlerin polaritelerini göstermektedir.
(a)
(b)
Şekil 3 Transistörlü multivibratör devresi
Şekil 3.a’da görüldüğü gibi T1 transistörü doyuma, T2 transistörü kesime gidecektir. Bu andan sonra C1 kondansatörü R1 direnci üzerinden deşarja ve C2 kondansatörü RC2 direnci üzerinden şarja başlayacaktır. Bir süre sonra C1 kondansatörü T2 transistörünü doyuma götürecek şekilde deşarj, C2 kondansatörü T1 transistörünü iletime sokacak şekilde şarj olacaktır. Şekil 3.b bu durumda kondansatörlerin polaritelerini göstermektedir.
Transistörlerin iletimde olma süreleri kondansatörlerin deşarj sürelerine bağlıdır. Yani T1 transistörü R2- C2, T2 transistörü R1 – C1 zamanlama elemanlarının belirlediği sürelerde kesimde ve doyumda olacaktır. Astable multivibratörün osilasyon peryodu; T = 0,7.(R1.C1 + R2.C2) süresi ile belirlenir.
Lojik kapılar ile gerçekleştirilmiş basit bir astable multivibrator devresi Şekil 4.a’da gösterilmiştir. Devre tek bir schmitt trigger inverter ve RC devresinden oluşmuştur.
(a)
(b)
Şekil 4 Schmitt trigger astable multivibratör (a) ve çıkış dalga formları (b)
Devrenin çalışması aşağıdaki gibi olacaktır;
• Devreye güç verildiği an kondansatör üzerindeki gerilim Vc = 0V olduğundan çıkış gerilimi Vout yüksek gerilim seviyesine çekilecektir.
• Kondansatör çıkış geri beslemesi ile R direnci üzerinden şarj olacaktır.
• Kondansatör şarj gerilimi inverter pozitif eşik gerilimine (VT+) ulaşınca, inverter çıkışı konum değiştirerek düşük gerilim seviyesine çekilecektir.
• Vout = 0V olduğundan, kondansatör direnç üzerinden deşarj olmaya başlayacaktır.
• Kondansatör üzerindeki deşarj gerilimi inverter negatif eşik gerilimine (VT-) ulaşınca çıkış gerilimi yüksek gerilim seviyesine çekilecektir.
Çıkış dalga formları Şekil 4.b’de gösterilmiştir. Bu durumda çıkışın yüksek gerilim seviyesinde kalma süresi (tH) ve çıkışın düşük gerilim seviyesinde kalma süreleri aşağıdaki gibi hesaplanmalıdır.
tH=R x C x ln (VOH – VT-) / (VOH – VT+)
tH=R x C x ln (VOH – VT+) / (VOH – VT-)
Örnek 74HC14 yüksek – hızlı CMOS Schmitt inverter ile yapılmış bir astable multivibrator devresi ve çıkış dalga şekilleri verilmiştir. Çıkış sinyalinin yüksekte kaldığı süre (tOH), sinyalin alçakta kaldığı süre (tOL), çıkış sinyalinin peryodu ve frekansını hesaplayınız?
Şekil 5 Multivibratör devresi ve çıkış dalga biçimi.
Çözüm: Çıkış sinyalinin yüksekte kaldığı süre (tOH), olacaktır.
Şekil 6 Temel astable multivibratör devresindeki dalga biçimleri görülmektedir.
Astable Mültivibratör devresindeki transistörlerde; BVBEO < Vcc ise, baz-emiter arası delinmeyi önlemek için Q1 ve Q2 transistörleri emiter bacaklarına geçirme yönünde seri olarak iki diyod konulur. Gerekli görmezseniz, koymayabilirsiniz. BVBEO: Transistörlerde kollektör ucu açık iken baz-emetör arası delinme (ing. breakdown) gerilimidir. Buna “devrilme” gerilimi de denir. Astabil Mültivibratör devresinde transistörlerdeki eklemsel doyma (jonksiyon saturasyon) gerilimleri savsaklanırsa (ihmâl edilirse), kollektör ve baz akımları şu bağıntılarla bulunabilir: Burada simetrik devre halinde; R1 = R2ºR ve Ry1 = Ry2ºRy ise iletimde olan transistörle ilgili olarak; kolektör akımı ve baz akımı şöyle bulunabilir:
OP-AMP ‘lı Astable Multivibratör
Şekil 7 OP-AMP ‘lı astable M.V. devresi
OP-AMP ile gerçekleştirilen astable (kararsız) multivibratör devresi, aslında karşılaştırıcı gibi çalışmaktadır. İlk önce OP-AMP ‘ın faz çevirmeyen (+) girişindeki Vx değerinin daha pozitif olduğunu düşünelim. Bu durumda, OP-AMP çıkışı Vo = +V kadar olur.
Buradan;
Vx = [V / (R1 + R2)].R1 değerindedir. R1/ (R1 + R2) = k olarak tanımlarsak Vx = k . V olur. Bu esnada C kapasitesi, OP-AMP ‘ın faz çeviren uca (+) gerilim uygulayacak yönde şarj olmaktadır. Kondansatör üzerindeki gerilim Vc = k.V olduğunda OP-AMP çıkışı Vo = -V olarak konum değiştirir. Vc = – kV olduğunda OP-AMP çıkışı Vo = +V olarak yine konum değiştirir. Olaylar böyle devam ederek, çıkışta ±V genlikte bir kare dalga elde edilecektir. Transistörlü astable mültivibratör devresinde olduğu gibi dışarıdan herhangi bir tetikleme olmadan çıkıştan kare dalga elde edilir. RK1 ve RK2 dirençleri, OP-AMP ‘ın faz çeviren (-) ve çevirmeyen (+) girişlerini korumak amacıyla kullanılmıştır.