Types circuits multivibrateurs

Le transistor bipolaire

Les deux types de circuits générateurs de formes d'onde à transistors les plus largement utilisés sont les types d'oscillateurs qui produisent des ondes sinusoïdales et utilisent des transistors comme éléments d'amplification linéaire, et les types de multivibrateurs qui génèrent des ondes sinusoïdales, formes d'onde carrées ou rectangulaires et utilisent des transistors comme éléments de commutation numérique.

TYPES DE CIRCUITS MULTIVIBRATEURS

Les multivibrateurs sont des circuits à deux états (sortie haute ou sortie basse) qui peuvent être commutés entre un état et l'autre via un signal de déclenchement approprié, qui peut être généré en interne ou en externe.

Il existe quatre types de base de circuits multivibrateurs, et ils sont tous utiles dans les applications de génération de formes d'onde.

Parmi ces quatre, l'astable a deux états quasi-stables et est utile comme générateur une onde carrée libre.

Le monostable a un état stable et un état quasi-stable et est utile comme générateur d'impulsions déclenchées.

Le bistable a deux états stables et est utile comme générateur de forme d'onde stop/go déclenché ou haut/bas.

Enfin, le Schmitt possède deux états stables sensibles à la tension d'entrée et est utile comme convertisseur de forme d'onde sinusoïdale à carré ou comme commutateur de seuil.

LES BASES DU MULTIVIBRATEUR ASTABLE

La figure 1 montre le circuit et les formes d'onde générées d'un simple multivibrateur astable de 1 kHz, dans lequel les deux transistors sont couplés de manière croisée (du collecteur à la base) via des réseaux de minuterie C1-R1 et C2-R2.

FIGURE 1. Circuit et formes d'onde d'un multivibrateur astable de base de 1 kHz.

L'action de base du circuit est telle qu'au moment où l'alimentation est initialement commutée sur le circuit, des différences inévitables dans les caractéristiques précises de Q1 et Q2 font qu'un transistor s'allume légèrement plus rapidement que l'autre, et le couplage croisé provoque alors une régénération.

Une action de commutation se produit dans laquelle un transistor s'allume brusquement et l'autre s'éteint brusquement.

Après un délai déterminé par la constante de temps C1-R1 ou C2-R2, le transistor bloqué recommence à se rendre passant, et le couplage croisé provoque alors une autre action régénératrice dans laquelle les deux transistors changent à nouveau brusquement d'état.

L'ensemble du processus se répète infiniment.

Ainsi, le circuit de base de la figure 1 agit comme un interrupteur régénérateur auto-oscillant dans lequel les périodes de marche et d'arrêt sont contrôlées par les constantes de temps C1-R1 et C2-R2.

Si ces constantes de temps sont égales (C1=C2=C et R1=R2=R), le circuit agit comme un générateur d'ondes carrées et fonctionne à une fréquence d'environ 1/(1,4CR).

La fréquence peut être diminuée en augmentant les valeurs C ou R, ou augmentée en réduisant les valeurs C ou R, ou peut être rendue variable en utilisant des résistances variables doubles (en série avec des résistances de limitation de 10 K) à la place de R1 et R2.

Les sorties peuvent provenir de l’un ou l’autre des collecteurs et les deux sorties sont en antiphase.

La fréquence de fonctionnement du circuit de la figure 1 est presque indépendante des valeurs du rail d'alimentation comprises entre 1,5 V et 9,0 V.

La limite supérieure de tension est fixée par le fait que, lorsque les transistors changent d'état à la fin de chaque demi-cycle, la jonction base-émetteur de celui qui est désactivé est polarisée en inverse d'une quantité presque égale à la tension d'alimentation et sera zener (et perturber l'action de synchronisation) si cette tension dépasse la valeur de tension de claquage inverse de la jonction (qui est généralement d'environ 10 V).

Ce problème peut être surmonté en câblant une diode au silicium en série avec l'entrée de chaque transistor, pour élever sa valeur Zener effective à celle de la diode, comme le montre la figure 2.

FIGURE 2. Exemple de multivibrateur astable à large tension d'alimentation de 1 kHz.

Ce circuit protégé peut être utilisé avec n'importe quelle alimentation comprise entre 3 V et 20 V et donne une variation de fréquence de seulement 2 % lorsque l'alimentation varie de 6 V à 18 V.

Cette variation peut être réduite à seulement 0,5 % en câblage d'une diode de compensation supplémentaire en série avec le collecteur de chaque transistor, comme le montre le circuit de la figure 3.

FIGURE 3. Version haute stabilité du circuit multivibrateur astable de base de la figure 2 à 1 kHz.

VARIATIONS DE CIRCUIT ASTABLES

Le circuit astable de base de la figure 1 peut être utilement modifié de plusieurs manières, soit pour améliorer ses performances, soit pour modifier le type de forme d'onde de sortie qu'il génère. Certaines des variantes les plus populaires sont présentées dans les figures 4 à 9.

L'une des faiblesses du circuit de base de la figure 1 est que les bords avant de ses formes d'onde de sortie sont légèrement arrondis : plus les valeurs des résistances de synchronisation R1-R2 sont grandes par rapport aux résistances de charge du collecteur R3-R4, plus les bords deviennent carrés.

Les valeurs R1-R2 maximales utilisables sont, en fait, limitées à h x R3 (ou R4), et un moyen évident d'améliorer les formes d'onde est de remplacer Q1 et Q2 par des paires de transistors connectées Darlington, puis d'utiliser de très grandes valeurs R1 et R2, comme dans le circuit de la figure 4, dans lequel R1 et R2 peuvent avoir des valeurs allant jusqu'à 12 M, et le circuit peut utiliser n'importe quelle alimentation de 3 V à 18 V.

FIGURE 4. Multivibrateur astable à longue période.

Avec les valeurs R1-R2 affichées, le circuit donne une période totale ou temps de cycle d'environ une seconde par µF lorsque C1 et C2 ont des valeurs égales, et donne une excellente sortie d'onde carrée.

L'arrondi du front d'attaque du circuit de la figure 1 peut être éliminé en utilisant les modifications de la figure 5, dans lesquelles les diodes de pilotage ou de correction de forme d'onde D1 et D2 déconnectent automatiquement leurs condensateurs de synchronisation respectifs des collecteurs des transistors au moment de la commutation des transistors.

Les principales constantes de temps du circuit sont définies par C1-R1 et C2-R2, mais les charges effectives des collecteurs de Q1 et Q2 sont égales aux résistances parallèles de R3-R4 ou R5-R6.

FIGURE 5. 1 kHz astable avec correction de forme d'onde via les diodes de pilotage D1 et D2.

Une faiblesse mineure du circuit de base de la figure 1 est que si son alimentation augmente lentement de zéro à sa valeur normale, les deux transistors peuvent s'allumer simultanément et l'oscillateur ne démarrera pas.

Ce problème peut être surmonté en utilisant le circuit de démarrage sûr de la figure 6, dans lequel les résistances de synchronisation sont connectées aux collecteurs des transistors de telle manière qu'un seul transistor puisse être passant à la fois.

FIGURE 6. 1 kHz astable avec fonction de démarrage sûr.

Tous les circuits astables présentés jusqu'à présent donnent des formes d'onde de sortie symétriques, avec un rapport marque/espace de 1:1.

Une forme d'onde non symétrique peut être obtenue en rendant un ensemble de constantes de temps astable plus grand que l'autre.

La figure 7 montre un générateur à fréquence fixe (1 100 Hz) dans lequel le rapport marque/espace est variable de 1:10 à 10:1 via RV1.

FIGURE 7. Générateur de rapport marque/espace variable de base de 1 100 Hz.

Les bords avant des formes d'onde de sortie du circuit ci-dessus peuvent être arrondis de manière inacceptable lorsque la commande d'espace de marquage est réglée sur ses positions extrêmes.

De plus, le circuit peut ne pas démarrer si son alimentation est appliquée trop lentement. Ces deux problèmes sont surmontés dans le circuit de la figure 8, qui est équipé à la fois de diodes de démarrage sûr et de correction de forme d'onde.

FIGURE 8. Générateur de rapport marque/espace variable 1 100 Hz avec correction de forme d'onde et fonction de démarrage sûr.

Enfin, la figure 9 montre un circuit astable de base modifié de sorte que sa fréquence soit variable sur une plage de 2:1 (de 20 kHz à 10 kHz) via un seul potentiomètre, et que sa forme d'onde générée puisse être modulée en fréquence via un signal basse fréquence.

Les extrémités supérieures des résistances de synchronisation R3 et R4 sont reliées au pot RV1 et la fréquence est la plus élevée lorsque le pot est sur la ligne d'alimentation positive.

La modulation de fréquence est obtenue en alimentant le signal basse fréquence vers les sommets de R3-R4 via C4 ; C3 présente une faible impédance au signal porteur, mais une haute impédance au signal modulant.

FIGURE 9. Astable avec fréquence variable et fonction FM

LES BASES MONOSTABLES

Les multivibrateurs monostables sont des générateurs d'impulsions et peuvent être déclenchés électroniquement ou manuellement.

La figure 10 montre un circuit de ce dernier type, qui est déclenché en appliquant une impulsion positive à la base Q2 via S1 et R6.

FIGURE 10. Générateur d'impulsions monostables de base à déclenchement manuel

Ce circuit fonctionne comme suit:

Normalement, Q1 est amené à saturation via R5, donc la sortie (collecteur Q1) est faible. Q2 (qui dérive sa polarisation de base du collecteur Q1 via R3) est coupé dans cette condition, donc C1 est complètement chargé.

Lorsqu'un signal de démarrage est appliqué à la base Q2 via S1, Q2 est activé et son collecteur passe au niveau bas, polarisant en inverse la base Q1 via C1 et initiant ainsi une action de commutation régénérative dans laquelle Q1 est éteint (et sa sortie passe à l'état haut) via C1, charge négative, et Q2 est activé via R1-R3 après la libération de S1.

Dès que la commutation est terminée, C1 commence à se décharger via R5, jusqu'à ce que sa charge tombe à une valeur si basse que Q1 recommence à se rallumer, déclenchant ainsi une autre action régénératrice dans laquelle les transistors reviennent à leur état d'origine et l'impulsion de sortie se termine, complétant l’action.

Ainsi, une impulsion positive est développée à la sortie Q1 chaque fois qu'un signal de déclenchement d'entrée est appliqué via S1.

La période d'impulsion (P) est déterminée par les valeurs R5-C1 et se rapproche de 0,7 x R5 x C1, où P est en mS, C est en µF et R est en kiloohms, et est égale à environ 50 mS/µF dans l'exemple présenté.

En pratique, le circuit de la figure 10 peut être déclenché soit en appliquant une impulsion négative à la base Q1, soit une impulsion positive à la base Q2 (comme illustré).

Notez que la jonction base-émetteur de Q1 est polarisée en inverse d'une quantité de crête égale à l'alimentation V pendant le cycle de fonctionnement, limitant ainsi la tension d'alimentation maximale utilisable à environ 9 V.

Des tensions d'alimentation plus élevées peuvent être utilisées en câblant une diode au silicium en série avec la base Q1, pour donner la même action de correction de fréquence que celle décrite précédemment pour le circuit astable.

LONGS DÉLAIS

La valeur de la résistance de synchronisation R5 doit être grande par rapport à R2, mais doit être inférieure au produit de la valeur h de R1 et de Q1.

Des périodes de temporisation très longues peuvent être obtenues en utilisant une paire de transistors Darlington ou Super-Alpha à la place de Q1, permettant ainsi d'utiliser de grandes valeurs de R5, comme le montre le circuit de la figure 11, qui donne une période d'impulsion d'environ 100 secondes avec les valeurs des composants affichées.

FIGURE 11. Circuit monostable à longue période (100 secondes)

Un point important à noter est que le circuit de base de la figure 10 se déclenche en réalité au moment de l'application (via S1 et R6) d'une impulsion positive à la base de Q2.

Si cette impulsion est supprimée avant que le monostable ne termine sa période de synchronisation naturelle, l'impulsion se terminera de manière régénérative de la manière déjà décrite, mais si l'impulsion de déclenchement n'est pas supprimée (via S1) à ce moment, la période monostable se terminera de manière non régénérative et aura une période et un temps de chute plus longs que la normale.

Ce problème peut être éliminé en utilisant un déclenchement électronique (plutôt que manuel), comme décrit dans la section suivante.

DÉCLENCHEMENT ÉLECTRONIQUE

Les figures 12 et 13 montrent d'autres manières d'appliquer un déclenchement électronique au générateur d'impulsions monostable.

Dans chaque cas, le circuit est déclenché par une entrée carrée avec un temps de montée court. Cette forme d'onde est différenciée par C2-R6, pour produire une brève impulsion de déclenchement.

Dans le circuit de la figure 12, le signal d'entrée différencié est discriminé par D1, pour fournir une impulsion de déclenchement positive sur la base Q2 chaque fois qu'un signal de déclenchement externe est appliqué.

Dans le circuit de la figure 13, le signal différencié est envoyé à Q3, ce qui permet au signal de déclenchement d'être totalement indépendant de Q2.

Notez que dans ce dernier circuit, le condensateur d'accélération C3 est câblé à travers la résistance de rétroaction R3 pour aider à améliorer la forme de l'impulsion de sortie du circuit.

FIGURE 12. Monostable à déclenchement électronique

FIGURE 13. Monostable avec déclenchement par entrée de porte

Les circuits des figures 12 et 13 donnent chacun une période d'impulsion de sortie d'environ 110 mS avec les valeurs des composants indiquées. La période peut varier d'une fraction de milliseconde à plusieurs secondes en choisissant les valeurs C1-R5.

Les circuits peuvent être déclenchés par des formes d'onde sinusoïdales ou autres formes d'onde non rectangulaires en les transmettant à l'entrée monostable via un déclencheur de Schmitt ou un circuit convertisseur sinus/carré similaire (voir Figure 20).

CIRCUITS BISTABLES

Les multivibrateurs bistables constituent de bons générateurs de formes d'onde stop/go, et la figure 14 montre une version de base déclenchée manuellement d'un tel circuit, également connu sous le nom d'i-pop R-S (Reset-Set).

FIGURE 14. Multivibrateur bistable R-S de base à déclenchement manuel

Sa sortie peut être réglée à l'état haut en fermant brièvement S1 (ou en appliquant une impulsion négative à la base de Q1 via une résistance de limitation de courant), désactivant ainsi Q1 (et activant simultanément Q2 via le couplage croisé R3).

Et le circuit se verrouille ensuite dans cet état jusqu'à ce qu'il soit réinitialisé à l'état bas en fermant brièvement S2 (ou en appliquant une impulsion négative limitée en courant à la base Q2), éteignant ainsi Q2 et donc activant Q1 via le couplage croisé R4.

Le circuit se verrouille ensuite dans ce nouvel état jusqu'à ce qu'il soit à nouveau défini via S1, et ainsi de suite.

L'action de verrouillage du circuit de base de la figure 14 repose sur le fait que la tension de saturation (généralement 200 mV) du transistor ON est nettement inférieure à la tension de polarisation de base (généralement 600 mV) du dispositif opposé.

En pratique, ces conditions idéales peuvent ne pas être remplies si le transistor n'est pas du type silicium de bonne qualité, ou s'il fonctionne à une température excessive ou avec une charge de collecteur de faible valeur.

En cas de doute, la fiabilité du circuit peut être grandement améliorée en utilisant les modifications présentées dans le circuit amélioré de la figure 15, dans lequel les résistances R5 et R6 agissent comme de simples diviseurs de potentiel avec R3 et R4, respectivement, réduisant ainsi les effets indésirables de tensions de saturation élevées, etc.

FIGURE 15. Multivibrateur bistable R-S amélioré à déclenchement manuel avec déclenchement par interrupteur bas

Les circuits des figures 14 et 15 donnent tous deux une action de déclenchement de commutateur bas, dans laquelle le circuit change d'état lorsqu'un transistor ON est désactivé en tirant sa base vers le bas via un commutateur ou en appliquant une impulsion négative à sa base.

La figure 16 montre une version alternative du bistable de base à déclenchement manuel, dans laquelle le circuit donne une action de commutation haute dans laquelle le circuit change d'état lorsqu'un transistor OFF est activé en tirant sa base vers le haut via un commutateur ou en appliquant une tension positive en impulsion limitée en courant à sa base.

FIGURE 16. Bistable R-S à déclenchement manuel avec déclenchement par interrupteur haut

Notez que lorsque l'alimentation est initialement appliquée aux circuits de base des figures 14 à 16, la sortie s'installe initialement dans un état déterminé de manière aléatoire qui dépend des caractéristiques relatives des deux transistors et de leurs composants passifs associés.

Si on le souhaite, le circuit de base peut être amené à passer automatiquement dans un état de mise sous tension initial souhaité en appliquant automatiquement une impulsion de déclenchement de mise sous tension appropriée à la base de l'un ou l'autre des deux transistors.

Comme le montre la figure 17, qui montre le circuit de base de la figure 15 modifié (via R7-C1 et la résistance de limitation de courant R8) de sorte que le circuit passe automatiquement à l'état défini (sortie Q1 haute) à la mise sous tension.

FIGURE 17. Circuit de base de la figure 15 modifié pour donner une action SET à la mise sous tension initiale

L'une des applications les plus utiles du multivibrateur bistable de base est un circuit de minuterie commandé par bouton-poussoir, dans lequel la sortie passe automatiquement au niveau haut à la mise sous tension ou à la fermeture d'un interrupteur de démarrage à bouton-poussoir, mais redescend automatiquement au niveau bas après un délai prédéfini.

La figure 18 montre le circuit de base de la figure 17 modifié pour donner une telle action.

FIGURE 18. Circuit de base d'un multivibrateur bistable à déclenchement manuel avec action de réinitialisation automatique temporisée

Ici, la sortie Q1 passe automatiquement à l'état haut (via R7-C1 et R8) au moment de la mise sous tension initiale, activant ainsi (via l'émetteur suiveur Q3) un générateur d'impulsions retardées réglable, qui envoie automatiquement une impulsion de réinitialisation à la base Q1 via D1-R9 à la fin de la période de retard souhaitée, complétant ainsi le cycle de fonctionnement du circuit.

Enfin, avant de quitter le circuit multivibrateur bistable de base, notez qu'il peut, en connectant deux diodes de pilotage et les composants associés comme le montre la figure 19, être modifié pour donner une action de division par deux ou de comptage dans laquelle il change d'état à chaque fois.

Une impulsion de déclenchement négative est appliquée.

Le circuit génère une paire de sorties antiphase, appelées Q et non-Q (indiquées par une barre au-dessus du signe Q dans le diagramme).

En pratique, des versions grandement améliorées de ce type de circuit de comptage sont facilement disponibles sous forme de CI numérique CMOS ou TTL.

FIGURE 19. Circuit bistable diviseur par deux

LE DÉCLENCHEUR SCHMITT

Le dernier membre de la famille des multivibrateurs est le déclencheur de Schmitt.

Il s'agit d'un circuit de commutation bistable sensible à la tension qui change son état de sortie lorsque l'entrée passe au-dessus ou en dessous des niveaux de seuil supérieur et inférieur prédéfinis.

 La figure 20 montre un simple circuit déclencheur de Schmitt utilisé comme convertisseur de forme d'onde sinusoïdale à carrée qui donne de bonnes performances jusqu'à quelques centaines de kHz et nécessite une amplitude de signal d'entrée sinusoïdale d'au moins 0,5 V RMS.

FIGURE 20. Convertisseur Schmitt sin/carré

La symétrie du signal de sortie varie avec l'amplitude du signal d'entrée.  RV1 doit être ajusté pour donner les meilleurs résultats.