非安定マルチバイブレータの実験

1. 実験の目的

非安定マルチバイブレータを設計し、回路を組み立てて発振することを確認します。



2. 実験課題

1. 発振波形の確認


2. 発振周波数の測定
設計値と実測値とを比較します。




3. 実験回路






4. 回路の機能と動作

下記の回路図のようにCR結合された2段のトランジスタ増幅器の出力を
点線のように接続し入力に戻すと、位相が同じになるため
正帰還がかかり、回路は発振します。
このとき、帰還量が多いため、発振波形は正弦波とはならず
波形の上下が歪んで矩形波に近い波形となります。


この回路は二つのトランジスタ回路が同じ形をしているため、
通常、下図のように左右対称に記述されます。


ふたつあるトランジスタは必ずTr₁とTr₂のどちらか一方が ON(飽和)状態、
他方がOFF(遮断)状態 となっており、そして交互にON、OFFを
繰り返すとゆう特徴を持っています。



非安定マルチバイブレータの動作の詳細については、トランジスタ・パルス回路の
解析に記載した 非安定マルチバイブレータの項を参照してください。



5. 実験回路の設計

1. 設計条件
(1)電源電圧：およそ5[V]とします。
(2)使用するトランジスタ：定番の2SC1815-Y
(3)発振周波数：約500[Hz]
　正確に合わせ込むことはしません。
　手持ち部品で500[Hz]に近い値に設定します。
(4)デューティー：50[%]
(5)出力の負荷
トランジスタのコレクタには何も接続しません。
波形観測のためのオシロスコープを接続しますが、オシロの入力インピーダンスは
[MΩ]のレベルなので無視出来る値です。


2. R_C1、R_C2の選定
トランジスタのコレクタから出力を取出す場合は、出力先の入力抵抗の1/10を
目安に決めるというのがひとつの考え方ですが、今回は何も接続しないので
自由に決められます。とりあえずコレクタ電流が5[mA]になるよう
R_C1 = R_C2 = 1[kΩ]としました。


3. R_B1、R_B2の選定
トランジスタの直流電流増幅率(h_FE)はデータシートより120(min)なので
トランジスタのベース電流は
I_B = Ic / h_FE(min) = 5[mA] / 120 ≒ 41.6[μA]

トランジスタがONしたとき確実に飽和するよう、通常この値の2〜10倍くらいの
ベース電流が流れるようR_B1、R_B2を決めますが、
まずは3倍で計算しました。
R_B = (Vcc - V_BE) / I_B = (5 - 0.7) / (41.6[μA] * 3) ≒ 34.5[kΩ]

E6系列より選定して R_B1 = R_B2 = 33[kΩ]としました。



4. C_B1、C_B2の選定
デューティー50[%]の場合、発振周波数は次の式で決まります。
f = 0.7 / (C_B * R_B)

R_Bは前項で決めたのでCの値は、
C = 0.7 / (f * R_B) = 0.7 / (500[Hz] * 33[kΩ]) ≒ 0.042[μF]

E6系列より選定し C_B1 = C_B2 = 0.047[μF]としました。
この定数での発振周波数の理論値は
f = 0.7 / (C_B * R_B) = 0.7 / (0.047[μF] * 33[kΩ]) ≒ 451[Hz]

となります。




6. 実験方法

1. 電子ブロックの配置
電子ブロックで実験回路を下図のように組み立てます。
電源は簡易安定化電源の5[V]端子を使用しました。



2. 発振波形の観測
2チャンネル・オシロで
(1)V_C1とV_C2
(2)V_C1とV_B1

の波形を観測します。


3. 発振周波数の測定
ディジタル・テスターで発振周波数を測定し、設計値との差を比較します。




7. 実験機材

1. 電子ブロック
使用したブロックは、実験方法の 電子ブロックの配置を参照。

2. 簡易安定化電源 (5[V]端子)
3. オシロスコープ
4. ディジタル・テスター



8. 実験結果

1. 波形観測
(1)V_C1とV_C2の波形
　　交互にON/OFFを繰返し、発振している。立上がりは遅い。

上：V_C1、 2V/div、0.5ms/div
下：V_C2、2V/div、0.5ms/div

(2)V_C1とV_B2の波形
　　V_B1はマイナス4[V]位まで振れている。

上：V_C1、 2V/div、0.5ms/div
下：V_B1、2V/div、0.5ms/div


2. 発振周波数

設計値	実測値	偏差(実測値/設計値)	備考
451[Hz]	416[Hz]	−7.8[%]




9. 測定結果・考察

1. 波形観測
Tr₁とTr₂が交互にON/OFFを繰返しながら
発振していることを確認しました。
デューティーもほぼ50%でした。
波形の立上がりが遅いことも理論通りでした。


2. 発振周波数
設計値に対して、実測値はマイナス7.8[%]の偏差がありました。
周波数の計算式は近似が入っているので、10[%]程度の誤差は覚悟する
必要があると思います。


3. 余談
CR移相発振回路 と比較して全然簡単に発振しました。(^^v
調整も不要です。




10. 今後の課題

1. 非安定マルチバイブレータの応用検討
将来的に、トランジスタを使用したパルス発生器の製作を計画しています。




11. 参考文献

1. パルス回路の設計(昭和56年(1981) 第20版(改訂10版)) P-86〜91 非安定マルチバイブレータ、猪飼國夫著、CQ出版社



12. 関連項目

1. トランジスタ・パルス回路の解析− 非安定マルチバイブレータの解析
2. トランジスタ・パルス回路の実験− トランジスタ・スイッチとLEDの点灯/消灯制御実験
3. 自作電子ブロック
   
4. 簡易安定化電源