opを使用した非安定マルチバイブレータ回路

マルチバイブレータ回路は、エレクトロニクスの分野で非常に人気があり便利な回路であり、基本的なエレクトロニクスを学ぶときに知っておくべき最も基本的な回路です。マルチバイブレータ回路は2つのカテゴリに分類できます。最初の回路は単安定マルチバイブレータと呼ばれ、2番目の回路は非安定マルチバイブレータと呼ばれます。ただし、このプロジェクトでは、フリーランニングマルチバイブレータとも呼ばれる非安定マルチバイブレータについて説明します。

定義上、非安定マルチバイブレータ回路は安定状態のない回路です。これは、電源がオンになると起動し、電源がオフになるまでハイ状態とロー状態の間で振動し続けることを意味します。このような非安定マルチバイブレータを作成する場合、最も一般的な方法は555タイマーICを使用することです。以前のプロジェクトの1つで、555タイマーICを使用して非安定マルチバイブレーター回路を作成しました。そのようなものを探している場合は、それを確認できます。しかし、複雑な回路が関係する実稼働環境では、ICを増やすと、BOMコストが増えるだけです。より簡単な解決策は、オペアンプを使用して非安定信号を生成することです。この回路は、単純な方形波信号が必要なさまざまなアプリケーションで使用できます。

したがって、このプロジェクトでは、オペアンプを使用して単純なAstableマルチバイブレータを構築し、必要なすべての計算を調べて周期を見つけ、回路の周波数とデューティサイクルを計算できるようにします。また、加算増幅器、差動増幅器、計装用増幅器、電圧フォロワ、オペアンプ積分器などの基本的なオペアンプ回路についても説明しました。

オペアンプを備えたこの非安定マルチバイブレータはどのように機能しますか？

この質問への答えは非常に簡単ですが、これを理解するには、最初にシュミットトリガー回路と呼ばれる回路を理解する必要があります。シュミットトリガーの簡略化した回路を以下に示します。

シュミットトリガー回路：

上の図は、正のフィードバックを備えたオペアンプ回路を示しています。オペアンプが正のフィードバックで構成されている場合、これは一般にシュミットトリガーとして知られています。しかし、簡単にするために、シュミットトリガー回路を理解しましょう。

この回路は、分圧器を使用して出力電圧でデバイスを使用し、それを非反転端子に供給します。しかし、正のフィードバックのために、出力は飽和に達するまで継続的に増加します。

ここで、シュミットトリガーの出力電圧が+ Vsatとして定義される正の飽和電圧に等しく、この電圧の一部が非反転端子に与えられると考えてみましょう。

これは+ Vsat x（R2 /（R1 + R2））です。ここで、この方程式をXと見なすと、最終的な方程式はXvsatになります。Xがフィードバック電圧である場合、分圧器から取得します。ここで、入力電圧VinがXvsatの電圧よりも低い場合、出力は正の飽和電圧になります。なぜなら、オペアンプの出力は、開ループゲインに2端子電圧の差を掛けたものとして与えることができるからです。これはAoL（VCC + --VCC-）です。ここで、反転端子の電圧がXvsatより大きい場合、出力は負の飽和電圧で飽和します。上記の式に数字を入れると、それを見つけることができます。

理解を深めるために、シュミットトリガー回路の伝達関数を見ると、下の画像のようになります。

ここで、上限しきい値電圧はVUTとして表され、下限しきい値電圧はVLTとして表されます。ご覧のとおり、入力電圧が上限しきい値電圧よりも大きい場合、出力は正の飽和電圧から負の飽和電圧に切り替わります。入力が下限しきい値電圧よりも低い場合は常に、出力は負の飽和電圧から正の飽和電圧に切り替わります。これがシュミットトリガー回路の基本的な動作です。

上記のすべてのシナリオで、すべての信号を外部から提供しました。コンデンサと抵抗を使用して入力にフィードバックを提供すると、シュミットトリガー回路を非安定マルチバイブレータとして使用できます。このオペアンプのAstableマルチバイブレータ回路の回路図を以下に示します。

オペアンプを使用した非安定マルチバイブレータの動作：

ここで、フィードバックとして抵抗R3を配置したため、回路の出力が正の飽和電圧にあると仮定します。電流は抵抗R3を流れ始め、コンデンサはゆっくりと充電を開始します。上の画像でわかるように、黒い点線で示されています。コンデンサの電荷が上限しきい値電圧に達すると、出力は正の飽和電圧から負の飽和電圧に切り替わります。その場合、コンデンサは負の飽和電圧に向かって放電を開始します。ここで、非反転端子の電圧が反転端子よりわずかに高い場合、出力は再び負の飽和電圧から正の飽和電圧に切り替わります。このように、充電および放電プロセスによって、この回路は、出力で非安定信号を生成できます。

この回路では、期間は抵抗とコンデンサの値に依存します。また、オペアンプの上限および下限しきい値電圧にも依存します。これは、オペアンプベースのAstableマルチバイブレータ回路がどのように機能するかです。基本を理解したので、回路の計算に進むことができます。

オペアンプベースの非安定マルチバイブレータ回路の計算

期間、または単に出力周波数は、抵抗R3、コンデンサC1の値、およびフィードバック抵抗比の値によって決定されます。簡単にするために、50％のデューティサイクルで抵抗とコンデンサの値を計算しています。上限電圧と下限電圧が異なる場合、デューティサイクルは50％より大きくても小さくてもかまいません。回路の出力周波数を1KHzと仮定します。周波数が1KHzであるため、期間Tは1msになります。これは、式T = 1 / Fから簡単にわかります。

期間の計算には、以下の式を使用できます。

T = 2RC * logn（（1 + X）/（1-X））

ここで、Rは抵抗、Cは静電容量であり、値を計算するには自然対数関数を使用する必要があります。自然対数関数を使用する必要がある理由は、上記の式を証明する必要があるため、この記事の範囲外です。

ここで、R1 = R2 = 10K、C = 0.1uFの値を検討し、R3の値を見つけます。F = 1KHzであることがわかっています。

計算が完了すると、すべての値が得られます。これで、実際の回路の作成に進み、オシロスコープでテストできます。

オペアンプベースの非安定マルチバイブレータ回路を構築するために必要なコンポーネント

これは単純なAstableマルチバイブレーターであるため、このプロジェクトのコンポーネント要件は非常に単純であり、地元のホビーショップから入手できます。コンポーネントのリストを以下に示します。

LM358オペアンプIC-1
10K抵抗-2
4.7K抵抗-1
0.1uFコンデンサ-2
1N4007ダイオード-4
1000uF、25Vコンデンサ-2
4.5V-0-4.5Vトランスフォーマー-1
ACケーブル-1
ブレッドボード-1
接続線

オペアンプマルチバイブレータ回路-回路図

オペアンプベースの非安定マルチバイブレータ回路の回路図を以下に示します。

オペアンプの非安定マルチバイブレータ回路のテスト

オペアンプベースのマルチバイブレータ回路のテストセットアップを上に示します。ご覧のとおり、2つの極性電源を生成するために4つのダイオードと2つのコンデンサを備えたトランスを使用し、LM358オペアンプの周囲に回路を構築するために2つの10K抵抗、1つの4.7K抵抗、および0.1uFコンデンサを使用しました。アンプ。回路の鮮明な画像を以下に示します。

回路が完成した後、Hantekオシロスコープを引き出して周波数を測定しました。周波数は約920Hzでした。少しずれていましたが、それは抵抗とコンデンサの値によるものです。以上で、プロジェクトは終了です。出力のスナップショットを以下に示します。

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