«ПРОФЕССИИ» МУЛЬТИВИБРАТОРА

Мультивибратор как генератор периодического сигнала П-образной формы может быть выполнен не только на рассмотренных ранее биполярных транзисторах, но и на других электронных, ионных и полупроводниковых приборах. В частности, широкое распространение получили варианты его исполнения с использованием логических элементов 2И-НЕ цифровых интегральных микросхем (МС).

У недорогой и, пожалуй, наиболее доступной микросхемы К155ЛАЗ, например, этих элементов три (рис. 1). Каждый состоит из четырех транзисторов структуры n-p-n, трех диодов и пяти резисторов. Связь между транзисторами непосредственная. Резистор R_н, показанный штриховыми линиями, символизирует нагрузку, подключаемую к выходу логического элемента.

Подобные электронные устройства цифровой техники называют микросхемами транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Входная логика здесь осуществляется транзистором (первая буква Т), а усиление и инверсия — также транзисторами (вторая буква Т).

Входной транзистор VT1, включенный по схеме с общей базой, двухэмиттерный. Для защиты от случайного попадания на его эмиттеры напряжения отрицательной полярности предусмотрены диоды VD1 и VD2. Транзистор VT2 образует усилительный каскад с двумя нагрузками: эмиттерной (резистор R3) и коллекторной (резистор R2). Снимаемые с них противофазные сигналы различны по уровню напряжения: если на коллекторе оно высокое (логическая единица), то на эмиттере — низкое (логический нуль).

Поступают данные уровни на базы VT3 и VT4 выходного каскада. А в результате выходные транзисторы во время работы всегда находятся в противоположных состояниях: один закрыт, а второй в это время открыт.

Этому способствует и диод VD3. При наличии на одном или обоих входах элемента МС напряжения низкого уровня (например, при соединении их с общим проводом источника питания) транзистор VT1 открыт и насыщен, VT2 и VT4 закрыты, a VT3 выходного каскада открыт, через него, диод VD3 и нагрузку R_н течет ток. В том же случае, когда на оба входа будет подан высокий уровень напряжения, транзистор VT1 закроется, а VT2 и VT4 откроются и тем самым запрут VT3. При этом ток через нагрузку практически прекратится, так как логический элемент примет нулевое состояние.

Низкий уровень напряжения на выходе логического элемента равен напряжению на коллекторе открытого транзистора VT4 и не превышает 0,4 В. Высокий же уровень на выходе логического элемента (когда транзистор VT4 закрыт) отличается от напряжения источника питания на величину падения напряжения на транзисторе VT3 и диоде VD3, составляя не менее 2,4 В.

Фактически же логические уровни низкого и высокого напряжения на выходе элемента зависят от сопротивления нагрузки и могут быть в пределах 0,1—0,15 В и 3,5—3,9 В соответственно. Переход элемента из единичного состояния в нулевое происходит скачкообразно при подаче на его входы напряжения около 1,2 В, называемого пороговым.

Принципиальная электрическая схема возможного варианта автоколебательного мультивибратора на двух элементах МС К155ЛАЗ (рис. 1 в) во многом схожа с рассмотренным ранее симметричным генератором П-образных импульсов, выполненным на паре биполярных транзисторов. Но вот функцию активных «переключателей» здесь выполняют уже логические 2И-НЕ, включенные инверторами. Благодаря конденсаторам С1 и С2 (создающим положительные обратные связи между выходом элемента DD1.2 и входом DD1.1, а также выходом элемента DD1.1 и входом DD1.2) устройство возбуждается и генерирует прямоугольные импульсы. Длительность каждого такого импульса и частота их Следования зависят от номиналов указанных конденсаторов и резисторов R1 и R2.

Чтобы смонтировать данный мультивибратор на макетной панели, надо подключить к соответствующим выводам микросхемы конденсаторы и резисторы (рис. 2г). А после визуальной проверки на отсутствие ошибок в монтаже особое внимание обратить на правильность включения полярности электролитических конденсаторов, можно подсоединить к токоведущим шинам панели источник питания, а к выходу второго логического элемента — вольтметр. При этом следует убедиться, что напряжение постоянного тока периодически, примерно 30 раз в минуту, стремительно возрастает до высокого уровня и так же резко уменьшается до низкого уровня. Значит, частота следования импульсов, которые генерирует собранный мультивибратор, примерно равна 0,5 Гц.

Затем подключают вольтметр параллельно выходу первого элемента. Удостоверяются, что стрелка прибора и здесь фиксирует переходы логического элемента из нулевого состояния в единичное и наоборот. Причем колебания ее происходят с той же частотой, что и в предыдущем случае. Значит, и с этого выхода можно снимать электрические импульсы, но в сравнении с импульсами на выходе второго элемента они будут сдвинуты по фазе на 180°.

Допустимо варьировать емкостью одного лишь конденсатора (например, С1). В результате будет изменяться не только частота, но также соотношение длительности импульсов и пауз между ними. То есть из симметричного мультивибратор становится несимметричным.

Уменьшение емкости каждого из конденсаторов положительной обратной связи до 1—5 мкФ неукоснительно повлечет за собой возрастание частоты генерируемых импульсов примерно до 500— 1000 Гц. Но это уже часть диапазона звуковых частот, на который стрелка вольтметра (увы!) отзываться не в силах по причине своей инерционности. А вот головные телефоны при их подключении к выходу мультивибратора через конденсатор емкостью 0,01 —0,015 мкФ среагируют звучанием средней тональности, что можно использовать, скажем, для подачи звонков или при изучении азбуки Морзе. Установив же вместо постоянного R1 (или, с неменьшим успехом, R2) переменный резистор такого же номинала, легко добиться плавного изменения частоты генерируемых импульсов, а значит, и тональности воспроизводимого звука. Разумеется, в известных пределах.

Ну а те, кому случается бывать в командировках, наверняка по достоинству оценят другую профессию мультивибратора на логических элементах 2И-НЕ — быть «сторожем» для бытовых электроприборов, скажем, кипятильника.

Действительно, стоит лишь ненароком забыть о нем, как почти вся вода выкипает, а лишившийся охлаждения и не обесточенный кипятильник рискует перегореть.

Исключить это способно компактное сторожевое устройство, принципиальная электрическая схема которого может быть смонтирована даже начинающим радиолюбителем. На цифровой МС DD1 здесь собраны два мультивибратора, электрический сигнал которых озвучивается трелью пьезоизлучателя BQ1. Запускается генератор сигналов электродами Х1 в зависимости от уровня воды у витков нагревателя.

Каждый из четырех элементов микросхемы — DD1.1 — DD1.4 — выполняет логическую функцию 2ИЛИ-НЕ. Присоединяя к ячейкам DD1.1, DD1.2 времязадающую цепочку C1R3R4, получаем первый мультивибратор, переключающийся с частотой порядка 15 Гц. Связанный с ним мультивибратор (DD1.3, DD1.4, R5, R6, С2) начинает свою работу со звуковой частотой, близкой к резонансу пьезокристалла излучателя BQ1.

При включенном в сеть кипятильнике электроды Х1 должны быть погружены в воду рядом с греющейся спиралью. Низкое электрическое сопротивление воды R_x создаст в средней точке делителя R_xR1 и на входе 2 DD1.1 потенциал высокого уровня, препятствующий переключению самого элемента. В результате электронный автомат не подаст ни единого сигнала.

В случае сильного выкипания воды, а также когда кипятильник вынут из нее, сопротивление между оголенными электродами Х1 моментально возрастет и потенциал (благодаря сравнительно невысокому сопротивлению R1) резко понизится, разрешив переключение DD1.1 и всех следующих за ним элементов. Мультивибраторы с помощью звукоизлучателя BQ1 подадут громкий сигнал, который напомнит пользователю о необходимости вынуть из электророзетки вилку нагревателя.

Как прекратить звуковой сигнал, а заодно и напрасный расход электроэнергии от гальванической батареи GB1?

С этим успешно справится выключатель S1 питания автомата, если он выполнен в виде миниатюрной колодки, нормально замкнутые контакты которой разъединятся при надевании ее на один из штырей штепсельной вилки мини-кипятильника (походное состояние). В качестве такого S1 можно рекомендовать тумблер-гнездо от карманных приемников и других радиоаппаратов, предназначенный для подключения ушного микротелефона. Если входное отверстие окажется мало, то его придется рассверлить до диаметра контактного штыря штепсельной вилки кипятильника. Колодка-выключатель S1 соединяется с печатной платой, на которой монтируются детали мультивибраторов, коротким двужильным проводом.

Плату, пьезоизлучатель типа ЗП-3 и батарею 6PLF22 гальванических элементов желательно поместить в миниатюрный пластмассовый корпус, который удобно выполнить как продолжение штепсельной вилки (рис. 2в). Отсюда легкий двужильный провод, прилепленный, скажем, скотчем к оболочке электрошнура, пойдет к электродам X1, укрепленным на пластмассовой рукоятке кипятильника. Для электродов можно взять 3-мм пруток стали-серебрянки.

Автоматический сигнализатор комплектуется, помимо названных, следующими деталями: микросхемой

К561ЛЕ5, резисторами МЛТ-0,125 и конденсаторами КЛС.

Другая конструкция самодельного электронного сторожа, где мультивибраторы, собранные на логических элементах 2И-НЕ МС ТТЛ, играют немаловажную роль, адресована тем, кто ставит на просушку намокшую за день обувь. Микросхемная автоматика (рис. 3) не допустит того, чтобы башмаки (сапоги, валенки и т.д.) пересохли.

Критерием просушки служит электрическое сопротивление материала, из которого пошита подкладка обуви. А оно составляет, как показали эксперименты, несколько сотен Ом у мокрой и в сто раз большую величину — у почти сухой обуви. Датчиком могут быть и два металлических электрода (рис. 3в), плотно прижимаемые к подкладке на расстоянии 15 мм один от другого.

Как и в рассмотренных устройствах, связанные между собой ячейки DD1.1, DD1.2 образуют (но уже с другими элементами схемы — R3, С1) генератор последовательности прямоугольных импульсов. Вход 2 DD1.1, «ведающий» включением мультивибратора, соединяется через резистор R2 с одним из электродов датчика влажности (сопротивления) Х1, а выход 4 ячейки DD1.2 — с базой транзистора VT1, в коллекторной цепи которого находится светодиод HL1.

В исходном состоянии, пока обувь сырая и ее сопротивление R_x мало, на входе 2 DD1.1 имеем сигнал низкого уровня, значит, на выходе 3 DD1.1 и входах 5 и 6 DD1.2 будет логическая единица, а на выходе 4 DD1.2 — логический нуль. Находящийся между ними конденсатор С1 постепенно заряжается через резистор R3 до высокого уровня на левой (по рисунку) обкладке, отчего такой же уровень устанавливается на входе 1 DD1.1.

По мере высыхания обуви ее сопротивление R_x, как и напряжение на средней точке делителя R1 R_x, возрастает, и в момент достижения на ней и входе 2 DD1.1 высокого уровня обе ячейки моментально переключаются. Начинается разряд конденсатора С1 на низкий потенциал межъячеечной связи. Когда напряжение на конденсаторе и на входе 1 DD1.1 уменьшается до нижнего уровня, то ячейки вновь переключаются, возвращаясь в первоначальное состояние. И процессы эти будут продолжаться до тех пор, пока включено питание микросхемы.

В периоды, когда на выходе 4 ячейки DD1.2 присутствует напряжение высокого уровня, транзистор VT1 отпирается и его коллекторный ток заставляет светиться красный светодиод HL1, сигнализирующий о необходимости прекратить сушку.

Световой сигнал дополняется звуковым, который вырабатывается вторым мультивибратором на элементах DD1.3, DD1.4, R4, С2. Вход 9 DD1.3 также связан с выходом 4 DD1.2, поэтому оба сигнала действуют одновременно.

Переключения второго мультивибратора и транзистора VT2 происходят со звуковой частотой, излучаемой динамической головкой ВА1. Частота F непрерывной трели определяется F_n —частотой переключения (около 0,5 Гц) первого мультивибратора.

В минимальном варианте автомат собирается, если обувь сушится без электронагревательных приборов (на батарее центрального отопления или, скажем, на русской печи). Источником питания в данном случае могут быть две гальванические батареи типа 3R12.

Если же используются электрические тепловентиляторы, ТЭНы и тому подобные приборы, автомат сможет самостоятельно выключать питание электрообогрева, предотвращая пересушивание обуви. Для этого к рассмотренному только что сигнализатору добавляется коммутатор (рис. 3б), у которого имеются свой электрошнур с вилкой Х2 и собственная розетка Х3 для подсоединения нагревателя. Коммутация осуществляется контактами 5 и 6 электромагнитного реле. Питание же обеспечивается сетевым адаптером G1, так как значительное потребление тока обмоткой К1 (до 0,3 А) делает использование гальванической батареи нецелесообразным.

Для включения электронагревателя кратковременно нажимают кнопку SB1. Поскольку составной транзистор VT3-VT4 открыт высоким потенциалом на коллекторе запертого (пока обувь сырая) полупроводникового триода VT1, ток от источника электроэнергии G1 начинает протекать через SB1 и обмотку К1 реле. Сработав, оно своими контактами 2 и 3 шунтирует кнопку, удерживаясь во включенном состоянии. Замкнувшиеся же контакты 5 и 6 подают питание из электросети на нагревательный прибор.

Это продолжится, пока не возрастет сопротивление подсохшей обуви и не откроется в первый раз полупроводниковый триод VT1. Тут напряжение на его коллекторе и на базе VT3 упадет. Транзистор VT4 запрется и прервет ток через обмотку реле К1, замкнутые контакты последнего отойдут, и реле обесточит электронагреватель.

Как уже отмечалось, автоматическое прекращение интенсивной сушки сопровождается световым и звуковым сигналами. Зеленый светодиод HL2 служит индикатором включенного состояния автоматики (при замкнутых контактах переключателя SA1).

Для сборки автомата в полном объеме требуется адаптер с выходным стабилизированным напряжением 9— 10 В при токе нагрузки 0,35 А и реле РЭН29 РФ4.519.063-04, способное коммутировать нагрузку порядка 1 кВт. Для меньших мощностей можно обойтись более легким реле, контакты которого должны надежно работать в цепях переменного тока с напряжением 220 В.

В конструкции применяются постоянные резисторы типа МЛТ и переменные типа СП-0.4. Конденсатор С1 — марки К50-6, С2 — КЛС. Динамическая головка должна иметь сопротивление звуковой катушки порядка 50 Ом (например, 0.25ГДШ7).

Детали устройства, за исключением источников питания, размещаются на монтажной плате (рис. 3г) из 1,5-мм стеклотекстолита или гетинакса. Под выводы реле К1 в ней делается окошко. Соединение выводов с узлами устройства выполняется изолированным проводом, причем для силовых цепей — с сечением токопроводящей жилы 1,5 мм.

С платой двухпроводной линией связи соединен датчик влажности (сопротивления). Это пластинка из 1,5-мм фольгированного стеклотекстолита либо гетинакса, к которой на расстоянии 10 мм друг от друга припаяны два электрода — облуженные латунные или медные полоски 25x5x0,3 мм. Их выводы пропускаются через отверстия в основании на тыльную сторону с последующим выходом на лицевую. Перед сушкой такой датчик закладывается в носок обуви и плотно прижимается электродами к ее сырой поверхности набивкой из бумаги. Если каждый из предметов обуви сушится в одинаковых условиях, то достаточно поместить датчик в одном из них.

Весь автомат заключается в пластмассовую коробку подходящих размеров или в корпус из сухой многослойной фанеры. На крышку выводятся ручки переключателей, кнопки и светодиоды, а перед диффузором динамической головки, «переменником» и контактами электророзетки прорезаются отверстия (рис. 3д).

Автомат регулируется переменным резистором R1 с использованием в качестве эталона обуви, подсушенной до нужного уровня с проверкой ее состояния на ощупь. После этого в обувь закладывают датчик и прижимают его к внутренней поверхности бумажной набивкой. Затем перемещают ползунок резистора из нижнего (по принципиальной электрической схеме) положения вверх, до момента срабатывания автомата, и фиксируют найденный угол поворота оси «переменника» каплей клея или лака.

Ю.ПРОКОПЦЕВ