155
LUCRAREA NR.13
CIRCUITE BASCULANTE CU COMPONENTE
DISCRETE : ASTABILUL, MONOSTABILUL ŞI
BISTABILUL
1. Introducere
In afară de semnalele sinusoidale, în multe domenii cum sunt
măsurările electrice, comunicaţiile, automatica, telecomenzile şi
calculatoarele se folosesc semnale de tip impuls.Un semnal poate fi
considerat ca impuls dacă acţionează asupra sistemului un interval mai
scurt sau comparabil cu durata procesului tranzitoriu din respectivul
sistem.Pentru formarea impulsurilor se folosesc diferite metode şi
montaje dar toate au în comun funcţionarea în regim de comutare a
dispozitivelor electronice care trec de la starea deblocat (conducţie
profundă) în starea blocat (curent foarte redus prin dispozitiv) şi
invers.Acest regim este puternic neliniar.
Impulsurile pot avea diferite forme şi pot fi aperiodice (singulare)şi
periodice având perioada mult mai mare decât durata.În figura 1 se
prezintă forme de impulsuri.
Fig.1 Forme de impuls: 1-dreptunghiular ; 2-liniar variabil ; 3-
trapezoidal ; 4-triunghiular ; 5-clopot.
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
156
Fig. 2 Caracteristicile unui impuls trapezoidal.
Mărimile care caracterizează un impuls trapezoidal sunt indicate în
figura 2,şi anume:
A - amplitudinea impulsului măsurată la palier;
i - durata impulsului măsurată la nivelul A5,0 ;
rt - durata frontului anterior (timpul de creştere) ;
dt - durata frontului posterior (timpul de cădere) ,
Orice amplificator sau circuit real deformează un impuls aplicat la
intrare.Acesta va fi caracterizat prin mărimile din figura 2 dar şi prin
elemente suplimentare cum sunt :
A - descreşterea palierului ;
0A - amplitudinea saltului invers ;
0t - durata de revenire ;
înt - timpul de întârziere ;
- amplitudinea supracreşterii ;
Semnificaţiile acestor din urmă mărimi sunt specificate în
reprezentările formelor reale din figura 3.
LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:
astabilul, monostabilul, bistabilul
157
Fig.3a- Forme de impulsuri rezultate prin aplicarea unui
impuls dreptunghiular unui circuit real. 3b- Definirea
perioadei impulsurilor.
Impulsurile de durată i se succed cu o perioadă T . Coeficientul de
umplere al impulsurilor se defineşte ca :
T
A i (1)
Impulsurile pot fi obţinute în circuite basculante (care comută
între două stări stabile) cu funcţionarea în proces regenerativ datorită
unei bucle de reacţie pozitivă.Reacţia poate fi externă,aplicată prin
cuplarea convenabilă a ieşirii unui amplificator la intrarea acestuia sau
internă ca la unele dispozitive electronice: tranzistorul unijoncţiune,
dioda tunel,tiristorul,ş.a.
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
158
2. Circuitul basculant astabil cu tranzistoare bipolare
(Multivibratorul ).
Acest circuit basculant este format din două etaje de amplificare
cu tranzistoare bipolare cu cuplaj RC la care ieşirea este legată la
intrare,realizându-se o reacţie pozitivă puternică.Schema este
prezentată figura 4.a.
Fig. 4. Circuit basculant astabil cu tranzistoare bipolare.
a – Schema de principiu ; b – Schema simetrică reală.
Rezistoarele 21 , bb RR sunt legate la o tensiune pozitivă care
asigură punctul de funcţionare în regiunea activă.Dacă se modifică
topologic schema pentru evidenţierea unei simetrii a montajului şi se
conectează rezistoarele menţionate la ccV ,se obţine noua formă a
circuitului ca în figura 4-b.
La aplicarea tensiunii de alimentare,montajul fiind perfect simetric
21212121 ,,, TTCCRRRR bbCC tranzistoarele se află în
regiunea activă şi pentru scurt timp curenţii din colectorii lor pot fi
egali 21 CC II .Aceasta este însă o stare de scurtă durată deoarece
orice variaţie a tensiunii sau a curentului (care apare chiar în momen-
tul conectării tensiunii de alimentare) provoacă intrarea circuitului în
oscilaţie.
Dacă se presupune o fluctuaţie a tensiunii pe baza tranzistorului
1T , 1Bv şi că aceasta este negativă faţă de BQV ,atunci efectul va fi de
LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:
astabilul, monostabilul, bistabilul
159
scădere a curentului de colector 1CI ,fapt ce conduce la creşterea
tensiunii în colectorul tranzistorului 1T .Acest salt pozitiv este aplicat
prin condensatorul 2C bazei tranzistorului 2T care îl amplifică şi îl
inversează ca fază..Astfel ,în baza lui 1T ajunge un salt negativ
amplificat care se suprapune peste cel iniţial.
Acest proces de amplificare continuă până la intrarea lui 1T în
regim de blocare şi a lui 2T în regim de conducţie.Această stare
durează până la descărcarea condensatorului 1C prin circuitul
11 bRC - sursa de entarea lim 2T (condensatorul 1C este la
început încărcat în timpul procesului regenerativ de comutare).Când
tensiunea 1Bv devine zero şi 1T trece în stare de conducţie,se dezvoltă
un nou proces regenerativ care conduce la trecerea montajului în cea
de-a doua stare de cvasiechilibru la care 2T este blocat iar 1T este
deblocat.Procesul continuă şi în colectorii tranzistoarelor 1T şi 2T se
obţin impulsuri dreptunghiulare.În figura 5 se prezintă diagramele de
semnal pentru schema din figura 4.
În aceste diagrame se consideră momentul în care 1T este blocat
şi 2T este în conducţie.(Pentru un grad de generalitate se consideră
schema asimetrică din punct de vedere al elementelor RC ).După
comutare începe procesul de descărcare al condensatorului 1C prin
circuitul 1bR - sursa de entarea lim 2T ,cu constanta de timp
111 CRb , tensiunea negativă pe baza lui 1T scăzând spre
zero.Simultan are loc încărcarea condensatorului 2C prin circuitul
1CR sursa de en ta rea lim 2inR ,tensiunea 1Cv având o creştere
până la valoarea CCV cu o constantă de timp dată de 12 , CRC şi
2inR .La momentul 1t , când tensiunea 1bv devine zero , tranzistorul 1T
trece în regiunea activă şi după dezvoltarea procesului regenerativ
montajul ajunge în cea de-a doua stare: 1T în conducţie şi 2T
blocat,stare păstrată în intervalul de timp 222 CRb când
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
160
condensatorul 2C se descarcă prin circuitul 2bR sursa de
entarea lim 1T .În acest timp are loc şi încărcarea condensatorului
1C prin circuitul 2CR - sursa de alimentare 1inR ,rezultând un
timp de creştere şi pentru tensiunea 2Cv .
Figura 5. Diagramele de semnal pentru circuitul astabil cu
tranzistoare bipolare.
Condiţia de proces regenerativ din timpul comutării este
satisfăcută dacă:
1.21 VV AAL (2)
unde VA1 şi VA2 sunt coeficienţii de amplificare ai celor două
etaje la frecvenţe medii.Ştiind că :
LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:
astabilul, monostabilul, bistabilul
161
21
1
11 h
R
RA
in
V (3)
21
2
22 h
R
RA
in
V (4)
unde : 22211 ininbC RRRRR (5)
11122 ininbC RRRRR (6)
Rezultă pentru condiţia (2) :
22121
2
121
1
2 hhR
Rh
R
RL
in
in
in
in (7)
Întotdeauna :
1221h (8)
deoarece amplificarea în curent a tranzistoarelor bipolare are
valori supraunitare şi de obicei 50 .
Durata şi perioada impulsurilor.
Analitic se stabileşte că intervalele de timp necesare descărcării
celor două condensatoare sunt :
1111 7,02ln CRt b (9)
2222 7,02ln CRt b (10)
Perioada oscilaţiilor este :
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
162
221121 7,0 CRCRttT bb (11)
Pentru varierea frecvenţei oscilaţiilor se pot modifica fie rezis-
toarele 1bR şi 2bR ,fie condensatoarele 1C şi 2C .În unele aplicaţii
se realizează un reglaj al factorului de umplere prin desimetrizarea
rezistoarelor.
În studiul experimental se va analiza un circuit astabil cu tranzis-
toare npn care are posibilitatea modificării frecvenţei generate
precum şi a factorului de umplere. Schema montajului realizat pe
planşetă este prezentat în figura 6.
Fig. 6. Circuit basculant astabil experimental.
1) Se ridică schema cu valori a circuitului de pe planşetă ;
2) Se calculează pe baza formulei 11 domeniul de variaţie al
perioadei generate considerând valorile extreme pentru
rezistoarele bR ;
3) Se alimentează montajul la o sursă stabilizată de tensiune
continuă la V12 ;
4) Se conectează osciloscopul catodic între borna A şi masă
vizualizându-se forma oscilaţiei în colector ;
LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:
astabilul, monostabilul, bistabilul
163
5) Pentru diferite valori ale rezistoarelor bR se măsoară timpii
1 şi 2 şi perioada semnalului generat,comparându-se cu
valorile calculate ;
6) Se vizualizează semnalul între punctul C şi masă comparân-
du-se cu forma descrisă în diagramele din figura 5 ;
7) Folosind un osciloscop cu două canale se vizualizează simul-
tan semnalele în punctele A şi B ,iar apoi în punctele A şi C
şi se compară cu cele din diagramele prezentate în figura 5 ;
8) Se modifică factorul de umplere prin dezechilibrarea valorilor
rezistoarelor 1bR , 2bR urmărindu-se pe osciloscop forma
semnalului ;
9) Folosind un frecvenţmetru se studiază stabilitatea oscilaţiilor
în funcţie de variaţiile tensiunii de alimentare între V10 şi
V14 .
3. Circuit basculant astabil cu tranzistor unijoncţiune(TUJ)
Prezentând o rezistenţă diferenţială negativă,tranzistorul
unijoncţiune poate fi folosit în circuite basculante.Schema de principiu
este dată în figura 7.
Fig.7 Schema de principiu a unui circuit astabil cu
tranzistor unijoncţiune.
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
164
Pentru ca circuitul să oscileze trebuie îndeplinite două condiţii:
dreapta de sarcină să intersecteze caracteristica de emitor în zona de
rezistenţă diferenţială negativă (vezi figura 8).
capacitatea condensatorului TC trebuie să depăşească o anumită
valoare critică.
Dacă se presupune că ulTUJ este iniţial blocat,punctul de
funcţionare fiind în 1P ,condensatorul TC începe să se încarce către
valoarea : 211 RRRVBB prin dioda D .La atingerea tensiunii de
vârf TUJVP , intră în conducţie ,tensiunea emitorului scade şi dioda
1D se polarizează invers.Punctul de funcţionare devine 2P ,la
intersecţia caracteristicii de emitor cu dreapta de sarcină cores-
punzătoare rezistenţei 2R .Condensatorul TC este practic izolat de
emitor şi se descarcă prin 1R .
Fig.8 Caracteristica de emitor a TUJ .
Când tensiunea în punctul A scade suficient ,dioda D începe să
conducă.În acest moment curentul de emitor al TUJ scade şi începe
procesul de încărcare a condensatorului C . TUJ se blochează şi
LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:
astabilul, monostabilul, bistabilul
165
punctul de funcţionare revine în 1P .Condiţiile de oscilaţie sunt ca
dreapta de sarcină II să intersecteze axa tensiunilor la o valoare peste
tensiunea de vârf,iar dreapta de sarcină I să intersecteze caracteristica
de emitor în zona cu rezistenţă diferenţială negativă,adică:
PVVRRR
R
1
21
1 (12)
VI
VR 1
2 (13)
Timpii de conducţie şi de blocare ai acestui astabil cu TUJ sunt date
de:
2
1 lnV
VCRt P
c (14)
P
b
VRR
RV
VRR
RV
CRRt
21
11
2
21
11
21 ln (15)
2V reprezintă tensiunea corespunzătoare punctelor de funcţionare
1P şi 2P . 2V poate fi aproximat cu VV . Dacă :
1
2112
R
RRVV
(16)
Se obţine:
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
166
1
2121
1
1ln
R
RRCRRtb
(17)
este o mărime caracteristică TUJ (raport de divizare
intrinsec) 1 .Curentul poate fi luat 0,5.
În figura 9 se indică formele de semnal pentru oscilatorul cu TUJ
discutat.
Fig. 9 Diagramele de semnal pentru astabilul cu TUJ
În cadrul părţii experimentale se va analiza un circuit astabil cu
TUJ realizat pe baza schemei din figura 7.
1) Se ridică schema montajului şi valorile componentelor;
2) Se calculează pe baza formulelor (14) şi (17) constantele de
timp ;
3) Se alimentează montajul la tensiune stabilizată de 20V.
4) Folosind un osciloscop catodic se urmăresc formele
semnalelor generate în punctele CBA ,, şi se compară cu
diagramele din figura 9 ;
5) Se măsoară timpii de conducţie şi de blocare şi se compară cu
cei calculaţi la punctul 2 ;
LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:
astabilul, monostabilul, bistabilul
167
6) Folosind un frecvenţmetru se studiază stabilitatea oscilaţiilor
în funcţie de variaţiile tensiunii de alimentare între 18 şi
V22 .
4.Circuitul basculant monostabil cu tranzistoare bipolare.
Monostabilul este un circuit basculant caracterizat printr-o stare de
echilibru stabil şi una de echilibru instabil.Este utilizat la formarea
semnalelor în circuite.Indiferent de durata impulsului de declanşare,
monostabilul furnizează un impuls dreptunghiular cu durată fixă care
poate fi aleasă prin valorile unor componente externe RC .
Schema monostabilului este formată dintr-un amplificator cu două
etaje cu reacţie pozitivă puternică (figura 10).
Fig.10 Circuit basculant monostabil cu tranzistoare bipolare.
Între primul etaj de amplificare realizat cu tranzistorul 1T şi cel de-al
doilea etaj de amplificare realizat cu tranzistorul 2T există un cuplaj
capacitiv (la fel ca la circuitul astabil).
Cuplajul între ieşirea celui de-al doilea etaj şi intrarea primului se face
printr-un divizor rezistiv.
Starea de echilibru a schemei este 1T blocat şi 2T în conducţie
deoarece pe baza lui 1T se aplică o tensiune negativă de nivel:
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
168
21
11
RR
RVV BBB
(18)
în timp ce baza lui 2T este conectată la plus prin rezistorul 2bR .
Conectarea în starea de cvasiechilibru ( 1T în conducţie şi 2T blo-
cat)are loc dacă se aplică un impuls de declanşare pozitiv la intrarea
decV care să aibă un nivel suficient pentru a anula tensiunea negativă
continuă de blocare , 1BV .
În figura 11 sunt date diagramele de funcţionare ale monostabilului
analizat.
În starea stabilă condensatorul 2C este încărcat prin circuitul sursă
de entarea lim - 1CR - 2T ,cu polaritatea ca în figura 10.
Dacă impulsul de declanşare este pozitiv şi satisface condiţia
1Bdec VV montajul comută prin proces regenerativ în starea de
cvasiechilibru cu tranzistorul 1T în conducţie şi 2T blocat.
La începutul stării de cvasiechilibru condensatorul 2C aplică în baza
lui 2T tensiunea negativă ccB Vv 2 ,care începe să scadă prin
descărcarea condensatorului prin circuitul sursa de entarea lim
2BR 1T şi ajunge la momentul 1t nulă .
Montajul comută în starea de echilibru şi aşteaptă un nou impuls de
declanşare.
Durata impulsului generat de monostabil se determină cu formula :
227,02ln bRCt (19)
Frontul anterior al impulsului generat are o durată de creştere egală cu
constanta de timp a circuitului 12 CRC :
122 Cinc RC (20)
LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:
astabilul, monostabilul, bistabilul
169
Fig.11 Diagramele de semnal la monostabilul cu tranzistoare
bipolare.
În analiza experimentală a monostabilului ,utilizând planşeta pe
care este realizat un montaj ca în figura 10 se vor parcurge
următoarele etape:
1) Se ridică schema montajului şi valorile componentelor ;
2) Se calculează pe baza formulelor (19) şi (20) constantele de
timp caracteristice;
3) Se alimentează montajul la o tensiune stabilizată de
V12 ,realizându-se configuraţia din figura 12 ;
4) Se identifică cu oscilosopul şi cu voltmetrul starea de
echilibru a montajului ;
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
170
5) Se aplică de la generatorul de semnale dreptunghiulare
impulsuri de declanşare cărora li se măreşte nivelul de
tensiune până la declanşarea monostabilului ,declanşare pusă
în evidenţă de osciloscopul catodic ;
Fig.12 Montaj experimental pentru studiul circuitului monostabil
cu tranzistoare bipolare: 1-circuitul monostabil ; 2-sursa de
alimentare ; 3-sursa de negativare ;4-generator de semnale
dreptunghiulare ;5-oscilosop catodic ; 6- voltmetru electronic.
6) Cu ajutorul osciloscopului (de preferinţă cu două canale)se
urmăresc formele semnalelor în punctele DCBA ,,, şi se
compară cu diagramele din figura 11 ;
7) Se măsoară t şi inc şi se compară cu valorile calculate la
punctul 2 ;
8) Se modifică valoarea rezistorului 2bR urmărindu-se efectul
asupra duratei impulsului generat ;
9) Se variază tensiunea de alimentare a monostabilului între V10
şi V14 şi se determină efectul asupra duratei impulsului
generat .
LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:
astabilul, monostabilul, bistabilul
171
5.Circuitul basculant bistabil cu tranzistoare bipolare. Bistabilul este un circuit electronic cu două stări de echilibru
stabil. Principala sa aplicaţie este de a memora numere în cod binar şi
de a realiza numărarea.
Schema unui bistabil cu tranzistoare bipolare este prezentată în
figura 13.Constă dintr-un amplificator cu două etaje cu cuplaj rezistiv
şi reacţie pozitivă puternică.Semnalul de ieşire depinde de valoarea
instantanee a semnalului la intrare şi de starea în care se afla schema la
aplicarea semnalului.Se poate spune că bistabilul este un circuit cu
memorie .
Fig.13 Schema bistabilului cu tranzistoare bipolare.
Prin polarizarea aleasă la pornire ambele tranzistoare se află în
regiunea activă de funcţionare şi datorită reacţiei pozitive puternice
orice fluctuaţie provoacă un proces regenerativ de comutare care are
ca finalitate bascularea montajului într-una din cele două stări de
echilibru stabil în care un tranzistor este blocat iar celălalt în
conducţie.Sunt posibile două stări: 1T blocat ; 2T în conducţie şi
1T în conducţie; 2T blocat.Comutarea bistabilului dintr-o stare în
alta se poate face prin aplicarea unor impulsuri de declanşare cu
amplitudinea şi polaritatea convenabilă:a)separat şi succesiv pe fiecare
bază (sau colector) – regim de comutator electronic sau element de
memorie ; b) simultan pe baze (sau colectori) – regim de numărător.
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
172
Pentru explicarea basculării circuitului se consideră de exemplu
că acesta se află în starea stabilă cu 1T blocat şi 2T în conducţie.
Aplicând un impuls de declanşare pozitiv pe baza lui 1T ,care are un
nivel suficient pentru a-l scoate din regim de blocare şi a putea iniţia
un proces regenerativ,are loc comutarea circuitului în starea 1T în
conducţie şi 2T blocat.Montajul poate fi scos din această stare prin
aplicarea unui impuls pozitiv pe baza lui 2T .
În figura 14 sunt prezentate diagramele de semnal pentru
circuitul basculant bistabil cu tranzistoare bipolare. Condensatoarele
C figurate punctat în figura 13 sunt elemente care se conectează în
schemele reale şi au rolul de a accelera procesele regenerative care
conduc la basculare pFC 10010 . Studiul experimental al
bistabilului se realizează asupra unui montaj cu schema ca în figura 15
în care se indică şi configuraţia de măsură.
Fig.14 Diagramele de semnal ale circuitului basculant bistabil
cu tranzistoare bipolare.
LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:
astabilul, monostabilul, bistabilul
173
Fig. 15 Montaj experimental pentru studiul circuitului bistabil cu
tranzistoare bipolare unde: 1-circuitul bistabil ; 2-sursa de
alimentare ; 3- sursa de negativare ; 4-generator de semnale
dreptunghiulare ; 5-osciloscop catodic (cu două canale) ;6-
voltmetru electronic
Analiza regimului de declanşare succesivă pe baze este identic cu
cel prezentat anterior (declanşare prin aplicarea de semnale pozitive pe
C sau D ) .
Analiza regimului de numărare este următoarea :
Se presupune că iniţial 1T este blocat şi 2T este în conducţie; în
acest caz dioda 1D este polarizată invers având o rezistenţă foarte
mare,iar dioda 2D este polarizată direct şi are o rezistenţă redusă.În
acest caz impulsurile negative de declanşare vor fi transmise spre baza
lui 2T conducând la procesul regenerativ de comutare în starea
2T blocat şi 1T în conducţie.Urmează ca la următorul impuls de
declanşare dioda 2D să conducă şi astfel circuitul să comute din
nou.Se observă că frecvenţa impulsurilor de ieşire (în unul din
colectori) este jumătate din frecvenţa impulsurilor de declanşare.În
figura 16 se indică diagramele de funcţionare ale acestui tip de circuit
bistabil.
1. Se ridică schema montajului şi valorile componentelor ;
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
174
2. Se alimentează montajul la o tensiune stabilizată de V12 şi se
asigură tensiunea de negativare de Vcca1 ;
3. Se analizează starea iniţială a montajului măsurând cu
voltmetrul electronic tensiunile în colectori ;
4. Se aplică cu generatorul la început semnale succesiv pe
intrările C şi D urmărind comutarea circuitului bistabil ;
5. Se aplică semnalul generatorului la intrarea E urmărindu-se
tensiunea la borna B (cu osciloscopul).ATENŢIE ! Este
necesar să se asigure nivelul de declanşare;
6. Se conectează frecvenţmetrul la borna B şi se măsoară
frecvenţa obţinută comparând-o cu cea aplicată la intrare;
7. Dacă se cuplează diode electroluminescente între colectorii
tranzistoarelor şi masă se poate pune în evidenţă starea
tranzistoarelor într-un mod mai intuitiv.Folosind un semnal de
declanşare de frecvenţă joasă Hz201 ,se poate observa
bascularea montajului prin aprinderea succesivă a LED-
urilor.LED aprins-tranzistor blocat ; LED stins – tranzistor în
conducţie.
Fig.16 Diagramele de semnal ale circuitului bistabil în regim
de numărare.