単安定マルチバイブレータの実験

1. 実験の目的

単安定マルチバイブレータを設計し、回路を組み立てて動作を確認します。



2. 実験課題

1. 安定状態の確認
トリガ・パルスが入っていないとき、回路が安定状態になることを確認し、
回路各部の電圧を測定します。


2. 動作波形の確認
矩形波をトリガ端子から連続して入力し、出力が一定のパルス幅で
あることを確認します。




3. 実験回路






4. 回路の機能と動作

トリガ・パルスが入る度に一定の長さ(T₁)のパルスを生成する回路です。
ワン・ショット(one shot)と呼ばれることが多いです。
双安定マルチバイブレータは安定点がふたつ、非安定マルチバイブレータは安定点が
0でしたが、単安定マルチバイブレータは安定点がひとつです。
トリガ・パルスが入らないときは安定状態のままです。


安定状態においてTr₁はON、Tr₂はOFFです。
負極性トリガ・パルス(Tn)が入るとTr₁のベース電圧が下がりTr₁と
Tr₂のON/OFFが入れ替わります。Tr₂がONとなるのでコレクタ電圧(V_C2)は
ほぼ0となります。このとき、安定状態において(Vcc-0.6)まで充電されていた
コンデンサ(C_B1)によりTr₁のベース電圧はマイナスとなり
Tr₁がOFFとなります。この時の状態が下図となります。


その後、赤線に示す電流によりコンデンサ(C_B1)が放電するに従いTr₁の
ベース電圧が上昇するとTr₁が再びONとなり、安定状態に戻ると
出力パルスが終了します。

単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 単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)出力パルスの幅：約1.5[ms]
(4)入力矩形波の周波数：約500[Hz]
(5)入力矩形波のデューティー：約50[%]
(6)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の選定
R_B1とともにパルス幅を決定するコンデンサです。
パルス幅(T₁)は下記の式で決まります。
T₁ = 0.7 * (C_B1 * R_B1)

パルス幅は仕様により1.5[ms]と決めたので
C = T₁ / (0.7 * R_B1) = 1.5[ms] / (0.7 * 33[kΩ]) ≒ 0.065[μF]

E6系列より選定し C_B1 = 0.068[μF]としました。
この定数でのパルス幅の理論値は
T₁ = 0.7 * (C_B1 * R_B1) = 0.7 * (0.068[μF] * 33[kΩ]) ≒ 1.51[ms]

となります。



5. D₁の選定
汎用の1S1588としました。



6. R_T1の選定
R_B1、R_B1と同程度とし、33[kΩ]としました。



7. C_T1の選定
トリガ・パルスの周波数は約500[Hz]ですので、パルス幅は周期の半分の約1[ms]です。
この1/10の時間よりやや短い時定数(τ)を目安に設定することとしτ=0.1[ms]とします。
CR微分回路の時定数は
τ = C * R

となります。R_T1は前項で33[kΩ]と決めたので、
C = τ / R_T = 0.1[ms] / 33[kΩ] ≒ 0.003[μF]

となります。E6系列より選定すると
C_T1 = 0.0033[μF]となりますが、あいにく手元にないため少し小さめの
C_T1 = 0.001[μF]としました。(^^;
(実際の時定数の決定には、R_T1のみではなく、R_B1やR_C2が
　影響しそうですが、とりあえず無視しました。) (-_-;




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. 安定状態における各部の電圧
Tn端子に信号を入れないと、単安定マルチバイブレータは安定状態となります。
このとき下図に示したVcc、V_C1、V_B1、V_C2、V_B2を
ディジタル・テスターで測定します。



3. 出力波形の観測
矩形波の信号源として 非安定マルチバイブレータの実験で使用した電子ブロックを
流用します。全体の接続図は下記となります。


2チャンネル・オシロでTn端子とQp端子の波形を観測します。




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. 安定状態における各部の電圧



2. 波形観測
Tn端子とQp端子の波形
　　パルス幅はほぼ1.5[ms]です。

上：Tn、 2V/div、0.5ms/div
下：Qp、2V/div、0.5ms/div

この後、信号源である非安定マルチバイブレータのコンデンサC_B2を
0.1[μF]に変更し、周期:約3.5[ms]の非対称な矩形波にして波形を観測しました。
パルス幅はほぼ1.5[ms]のままでした。





9. 測定結果・考察

1. 安定状態における各部の電圧
トランジスタTr₁がON、Tr₂がOFF状態となっていることを
確認しました。


2. 波形観測
Tn端子からの矩形波入力の立ち下がりでパルスがスタートし、
パルス幅がほぼ設計値の1.5[ms]経過したのち、パルスが終了することを
確認しました。




10. 今後の課題

1. 単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-102〜105 単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− 単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− 非安定マルチバイブレータの実験
3. トランジスタ・パルス回路の解析− CR微分回路
   
4. 自作電子ブロック
   
5. 簡易安定化電源