หน่วยที่ 8 อะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์

เอกสารประกอบการเรียน วชิ า วงจรพัลส์และสวิตชงิ รหสั วิชา 2105-2006 หน่วยการเรยี นท่ี 8 อะสเตเบลิ มัลตไิ วเบรเตอร์ จดั ทาโดย ครปู ราณทิพย์ ชนวีรจ์ ารณุ ฐัสาขาวิชาอิเลก็ ทรอนิกส์ วทิ ยาลยั เทคนิคจนั ทบรุ ีสานกั งานคณะกรรมการการอาชวี ศกึ ษา กระทรวงศึกษาธิการ

อะสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอร์แนวคดิ วงจรทางอิเล็กทรอนกิ สท์ ที่ าให้เกิดสญั ญาณรปู คล่ืนสี่เหลย่ี ม เรยี กว่า วงจรมลั ตไิ วเบรเตอร์(Multivibrator Circuit) แบง่ ออกได้ 3 ชนิด คอื วงจรอะสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอร์ วงจรโมโนสเตเบลิมัลติไวเบรเตอร์ และวงจรไบสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอร์ วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ เป็นวงจรมัลติไวเบรเตอร์ชนิดหน่ึง มีสภาวะการทางาน 2สภาวะ คือ สภาวะนากระแส “ON” กบั สภาวะหยุดนากระแส “OFF” ซึง่ สภาวะท้งั สองสภาวะนี้จะทางานสลับไปสลับมาตลอดเวลา โดยที่ไม่ต้องมีสัญญาณมากระตุ้นให้กับวงจร ระยะเวลาในการเกิดสภาวะแตล่ ะสภาวะจะข้นึ อย่กู ับคา่ ของ ตวั R และตวั C วงจรอะสเตเบิลมัลตไิ วเบรเตอร์สร้างได้จากอุปกรณ์สารกึ่งตัวนา เช่น ทรานซิสเตอร์ ไอซีออปแอมป์ และไอซี 555 มักนิยมนามาใช้งานเป็นวงจรกาเนดิ ความถ่ี ในหนว่ ยนี้จะกล่าวถงึ วงจรอะสเตเบลิ ท่ใี ช้ทรานซิสเตอร์ และไอซเี บอร์ 555สาระการเรยี นรู้ 1. วงจรอะสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอร์ 2. วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ที่ใช้ทรานซสิ เตอร์ 3. วงจรอะสเตเบลิ มัลตไิ วเบรเตอร์ทใี่ ช้ไอซีเบอร์ 555จุดประสงค์การเรียนรู้ จดุ ประสงค์ทั่วไป 1. เพื่อใหม้ ีความรู้ และเขา้ ใจเก่ยี วกบั วงจรอะสเตเบิลมลั ติไวรเบรเตอร์ 2. เพ่อื ให้มีกจิ นิสยั ในการพัฒนาคณุ ธรรม จริยธรรม จดุ ประสงค์เชงิ พฤติกรรม 1. บอกความหมายของวงจรอะสเตเบลิ มลั ตไิ วเบรเตอรไ์ ด้ 2. อธิบายการทางานของวงจรอะสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอร์ทีใ่ ชท้ รานซสิ เตอรไ์ ด้ 3. อธิบายการทางานของวงจรอะสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอร์ที่ใชไ้ อซเี บอร์ 555 ได้ 4. มีการพัฒนาคณุ ธรรม จรยิ ธรรม และคุณลกั ษณะอนั พึงประสงค์ทผ่ี สู้ อนสามารถสังเกตเหน็ ได้ในดา้ นมนษุ ยสัมพนั ธ์ มีวนิ ัยใชว้ ัสดอุ ปุ กรณ์ ความรับผดิ ชอบ ตรงต่อเวลาละเอยี ดรอบคอบ มคี วามกระตือรอื ร้นในการทางาน เชอื่ มน่ั ในตนเอง ซอื่ สัตย์สจุ รติ สนใจใฝร่ ู้ รกั สามคั คี

1.วงจรอะสเตเบลิ มัลติไวเบรเตอร์ วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ (Astable Multivibrator) เป็นวงจรที่ไม่มีสภาวะคงที่วงจรจะเปลี่ยนสลับไปมาจากสภาวะหน่ึงไปยังสภาวะหนึ่ง และกลับสู่สภาวะเดิมอย่างนี้ตลอดเวลาระยะเวลาของแต่ละสภาวะจะขึ้นอยู่ค่าเวลาคงท่ี (Time Constant) ซึ่งกาหนดได้จากค่าของตัว Rและค่าของตัว C ทป่ี ระกอบวงจร แสดงดงั รปู ที่ 8.1 V01 +VCC ON OFF ONVin วงจร t อะสเตเบลิ มัลติไวเบรเตอร์ V01 V02 V02 OFF ON OFF t สภาวะ1 สภาวะ2 สภาวะ3 รปู ท่ี 8.1 การทางานของวงจรอะสเตเบลิ มลั ตไิ วเบรเตอร์ ท่มี า : กมั พล ทองเรือง. ทฤษฎีและการออกแบบวงจรพลั ส์. (หน้าที่ 244) จากรูปท่ี 8.1 แสดงการทางานของวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ ท่ีมีการเปลี่ยนสภาวะการทางานสลับไปมาโดยไม่ต้องมีสัญญาณพัลส์อินพุตเข้ามากระตุ้นการทางาน ท่ีสภาวะ 1 ขณะที่เอาต์พุต V01 อยู่ในสภาวะทางาน “ON” เอาต์พุต V02 จะอยู่ในสภาวะหยุดทางาน “OFF” และเวลาต่อมา ท่สี ภาวะ 2 ขณะทีเ่ อาตพ์ ุต V01 อยู่ในสภาวะหยุดทางาน “OFF” เอาต์พุต V02 จะอยู่ในสภาวะทางาน “ON” จากนั้น ท่ีสภาวะ 3 เอาต์พุต V01 อยู่ในสภาวะทางาน “ON” อีกคร้ังหนึ่ง เอาต์พุต V02จะอยู่ในสภาวะหยุดทางาน “OFF” อกี เชน่ กันวงจรจะ ทางานสลบั กนั อย่างนี้ตลอดไป จึงเรียกว่า ฟรีรันนิ่งมัลติไวเบรเตอร์ (Free Running Multivibrator) อีกชื่อหนึ่งก็ได้ เพราะเป็นวงจรมัลติไวเบรเตอร์ที่สามารถกาเนิดความถ่ีสัญญาณรูปคล่ืนพัลส์ได้ด้วยตัวเอง วงจรอะสเต-เบิลมัลติไวเบรเตอร์สร้างได้จากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชนิด เช่น ทรานซิสเตอร์ ไอซีออปแอมป์ และไอซี 555เปน็ ตน้

2.วงจรอะสเตเบลิ มัลติไวเบรเตอร์ทใ่ี ชท้ รานซิสเตอร์ วงจรอะสเตเบลิ มัลติไวเบรเตอร์ที่ใช้ทรานซสิ เตอร์ ประกอบดว้ ย วงจรทรานซิสเตอร์สวิตช์2 วงจร มีตัว R และตัว C ตอ่ วงจรแบบคปั เปิล (Coupler) แสดงดังรปู ท่ี 8.2 +VCC VB1 0 t -VCC VCE(sat) t RC1 RB2 RB1 RC2 +VCC Q1 Q1 +C2- V01 0 OFF ON - C1 + VB2 0 VBE t V01 Q1 VB1 VB2 Q2 V02 -VCC +VCC Q2 Q2 VCE(sat) OFF t4 t V02 0 ON t2 t3 t1 tp1 tp2 รปู ท่ี 8.2 วงจรอะสเตเบลิ มัลตไิ วเบรเตอรท์ ่ใี ชท้ รานซสิ เตอร์ ท่ีมา: พันธศ์ ักดิ์ พุฒมิ านิตพงศ์. วงจรพัลสแ์ ละดิจติ อล. (หน้าท่ี 110) จากรูปท่ี 8.2 แสดงวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ท่ีใช้ทรานซิสเตอร์ ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สวิตช์ 2 วงจร โดยที่เอาต์พุต V01 ของวงจรทรานซิสเตอร์สวิตช์วงจรแรกจะเป็นอนิ พตุ Vin ของวงจรทรานซิสเตอร์สวติ ชว์ งจรทีส่ อง และเอาตพ์ ตุ V02ของวงจรทรานซิสเตอร์สวิตช์วงจรท่ีสองจะเป็นอินพุต Vin ของวงจรทรานซิสเตอร์สวิตช์วงจรแรก วงจรทรานซิสเตอร์สวิตช์จะทาการต่อตัว R และตัว C ในลักษณะของวงจร RC คปั เปิลอธิบายการทางานไดด้ ังรูปท่ี 8.3 และ 8.4 RB1 +VCCOFF - +VCC Q1 C1 + VC1 0 t ON ชว่ งเวลาที่ Q1 = OFF Q2 -VCC รปู ท่ี 8.3 สภาวะของทรานซิสเตอร์เมื่อ Q1หยุดทางาน “OFF” และ Q2 ทางาน “ON” ทม่ี า: พันธ์ศกั ด์ิ พฒุ มิ านติ พงศ.์ วงจรพลั ส์และดิจติ อล. (หนา้ ท่ี 111)

จากรปู ที่ 8.3 แสดงสภาวะของทรานซิสเตอร์ Q1 หยุดทางาน “OFF” และ Q2 ทางาน “ON”เม่ือป้อนแรงดัน VCC ผ่านตัว RB1 จะทาให้ตัว Q2 ทางาน “ON” ขั้วบวกของตัว C1 เสมือนต่อลงกราวด์ ตัว C1 จะเสมือนต่อขนานระหว่างขาอิมิตเตอร์ (E) กับขาเบส (B) ของตัว Q1 ซ่ึงตัว C1 จะประจแุ รงดันเท่ากบั แรงดัน VCC แต่จะมศี ักยไ์ ฟเปน็ - VCC เนือ่ งจากข้ัวลบของ C1 ต่อเข้ากับ VCC จึงเกิดแรงดันไบแอสกลับที่ขาเบส (B) ของตัว Q1 มีค่าเท่ากับแรงดัน - VCC ทาให้ตัว Q1 หยุดทางาน“OFF” ไปจนกระท่ังตัว C1 คายประจุหมดมีค่าแรงดันเท่ากับ 0 V ขาอิมิตเตอร์ (E) กับขาเบส (B)ของตัว Q1 ก็จะได้รบั แรงดนั ไบแอสตรงทาให้ Q1 เริม่ ทางาน “ON” อกี คร้ัง แสดงการทางานดงั รปู ที่ 8.4+VCC RB1 ON - OFF +VCC t + C2 Q2 VC2 0 ชว่ งเวลาท่ี Q2 =OFF -VCC Q1 รูปที่ 8.4 สภาวะของทรานซิสเตอร์เม่ือ Q1 ทางาน “ON” และ Q2 หยดุ ทางาน “OFF” ทีม่ า: พนั ธศ์ ักดิ์ พุฒิมานติ พงศ์. วงจรพัลส์และดจิ ิตอล. (หน้าที่ 111) จากรูปที่ 8.4 แสดงสภาวะของทรานซิสเตอร์ Q1 ทางาน “ON” และ Q2 หยุดทางาน“OFF”จากรูปท่ี 8.3 เมื่อตัว Q1 หยุดทางาน “OFF” ไปจนกระทั่งตัว C1 คายประจุแรงดันไฟลบจนหมดเท่ากับมีค่าแรงดันเท่ากับ 0 V ขา E กับขา B ของตัว Q1 จะเร่ิมได้รับแรงดันไบแอสตรงทาให้ ตัวQ1 ทางาน “ON” ข้ัวบวกของตัว C2 เสมือนต่อลงกราวด์ แรงดันท่ีขั้วลบของตัว C2 ป้อนเป็นแรงดันไบแอสกลับให้ตัว Q2 ทาให้ตัว Q2 หยุดทางาน “OFF” ไปช่ัวขณะเวลาหนึ่งจนกระทั่งตัว C2คายประจแุ รงดันไฟลบจนเหลือแรงดนั เทา่ กับ 0 V จึงทาให้ตัว Q2 เร่ิมทางาน “ON” ใหม่อกี ครง้ั ตวั Q1 และตัว Q2 จะสลับกันทางานตลอดเวลา เพราะวงจรมสี ภาวะการทางานในลักษณะนี้จงึ ถกู นาไปสร้างเป็นวงจรท่ีเรยี กวา่ วงจรไฟกระพรบิ3.วงจรอะสเตเบลิ มัลตไิ วเบรเตอร์ท่ใี ชไ้ อซีเบอร์ 555 เรานิยมนาเอาไอซีเบอร์ 555 มาสร้างเป็นวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ ท่ีเรียกอีกช่ือหนึ่งว่า วงจรกาเนิดความถี่ (Oscillator Circuit) เพราะการออกแบบสามารถทาได้ง่าย สะดวกวงจรไม่ยุ่งยากซับซ้อน มีอุปกรณ์เพิ่มเติม เช่น ตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุ โครงสร้างภายในของไอซีเบอร์ 555 แสดงดงั รูปที่ 8.5

+VCC 8 Control voltage 5 R1 Comparator 1 Q2 5kΩ Rest 4Threshold 6 -+ Trigger 2 R2 Flip-Flop Output Output 3 5kΩ Stage Discharge 7 -+ IC Q1 555 R3 Comparator 2 5kΩ Ground 1 รูปท่ี 8.5 โครงสร้างภายในของไอซีเบอร์ 555 ทม่ี า : http://www.oocities.org/siliconvalley/station/3169/555.htm จากรูปที่ 8.5 แสดงโครงสร้างของไอซีเบอร์ 555 มีขาต่อใช้งานดงั นี้ ขาท่ี 1 กราวด์ (Ground) ขาที่ 2 ทริกเกอร์ (Trigger) ถ้าแรงดันมีค่า 1/3 ของแหล่งจ่าย + VCC จะเกิดการจุดชนวนของอินพตุ ทาใหเ้ อาตพ์ ตุ เปลี่ยนจากระดบั ต่าเป็นระดบั สูง ขาที่ 3 เอาตพ์ ุต (Output) ขาท่ี 4 รีเซต (Reset) ถ้าต้องการให้เอาต์พุตอยู่ในระดับต่า ต้องป้อนศักย์ไฟฟ้าที่ขาน้ีน้อยกวา่ 0.8 V ขาท่ี 5 คอนโทรลโวลต์เตจ (Control Voltage) ปกติค่าแรงดันไฟขานี้จะมคี า่ 2/3 ของ+ VCC ซง่ึ เปน็ แรงดนั ระดับสงู ทใี่ ชใ้ นการเปรียบเทียบ ขาที่ 6 เทรสโฮล (Threshold) เมื่อแรงดันไฟฟ้าท่ีขาน้ีสูงถึง 2/3 ของ + VCC จะทาให้สภาวะเอาตพ์ ตุ เปลีย่ นแปลงจากระดับสงู เป็นระดบั ตา่ ขาท่ี 7 ดสิ ชาร์จ (Discharge) ขาน้ีตอ่ กบั ขาคอลเล็กเตอร์ของทรานซิสเตอร์ ท่ีอยู่ในตัวไอซีโดยขาอิมิตเตอรต์ ่อลงกราวด์ ทรานซิสเตอร์นจ้ี ะทาหน้าท่ีกาหนดเวลาของระดับเอาตพ์ ตุ ขาท่ี 8 ไฟเลี้ยง (+VCC) ต้องการแหล่งจ่ายไฟตรงท่ีมีศักย์บวกมีค่าอยู่ระหว่าง 5 โวลต์ ถึง15 โวลต์

วงจรอะสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอร์ทใี่ ชไ้ อซีเบอร์ 555 และหลักการทางานของวงจรแสดงดงั รูปที่ 8.6R1 7 4 83 +VCC +VCC VoutR2 IC Vout 555 R3 0A 6 LEDC1 + 21 5 2 VCC VC1 3 t - C2 1 VCC 30 0 ก. วงจรจรอะสเตเบิลมลั ติไวเบรเตอร์ ข. สัญญาณ รปู ที่ 8.6 วงจรอะสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอร์ท่ใี ช้ไอซเี บอร์ 555 ท่ีมา: พนั ธศ์ กั ด์ิ พฒุ มิ านิตพงศ.์ วงจรพลั สแ์ ละดจิ ติ อล. (หน้าท่ี 114)จากรูปท่ี 8.6 แสดงวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ท่ีใช้ไอซีเบอร์ 555 เม่ือจ่ายแรงดัน+ VCC ให้กับวงจรแรงดนั จะไหลผ่านตัว R1 และตวั R2 ตวั C1 จะทาการเก็บประจุแรงดัน จนกระท่ังแรงดันท่ีจุด A เพ่ิมขึ้นเท่ากับ 2 VCC ซ่ึงเป็นจุดทางานของตัวเปรียบเทียบท่ี 1 (Comparator 1) มี 3สัญญาณออกเอาตพ์ ุตไปกระตนุ้ ฟลิปฟลอปในตัวไอซีเบอร์ 555 ป้อนไฟบวกให้ขา B ของตัว Q1 ท่ีอยู่ภายในตัวไอซีเบอร์ 555 ตัว Q1 ทางาน มีแรงดัน Vout ออกท่ีขา 3 (ขาเอาต์พุต) ทาให้ LED สว่างและจากน้ันตวั C1 จะทาการคายประจุออกมาผ่านตัว R2 เพียงตัวเดียว ไปที่ขา 7 (ขาดิสชาร์จ) ของตัวไอซีเบอร์ 555 ตัว C1 จะทาการคายประจุไปจนกระท่ังแรงดันท่ีจุด A ลดลงถึงค่า 1 VCC ซ่ึงเป็น 3จุดกาหนดการทางานของตัวเปรียบเทียบท่ี 2 (Comparator 2) มีสัญญาณเอาต์พุตไปกระตุ้นฟลปิ ฟลอบในตวั ไอซเี บอร์ 555 ปอ้ นศกั ย์ลบให้ขา B ของตัว Q1 ตัว Q1 จะหยุดทางาน ทาให้แรงดันVout ทีข่ า 3 (ขาเอาตพ์ ตุ ) มีคา่ ลดลงจนเป็น 0 V ทาให้ LED ดับ เมอื่ ตวั C1 ทาการคายประจุทาใหแ้ รงดนั ท่ีขา 2 ซงึ่ เปน็ ขาทริกเกอร์มแี รงดันลดลง จึงทาให้ตัว C1 กลับมาเก็บประจุแรงดันอีกครั้ง มีการทางานสลับไปสลับมาเช่นนี้ตลอดเวลาทาให้สภาวะการทางานของ LED ติดและดับสลับกันไป เรยี กว่า วงจรไฟกระพริบ

สรุป อะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ เป็นวงจรมัลติไวเบรเตอร์ท่ีทางานได้ด้วยตัวเอง เรียกว่าเป็นมลั ตไิ วเบรเตอร์แบบไม่มีสภาวะเสถียร คือตัวมันเองสามารถทางานและหยุดทางานสลับกันไปมาตลอดเวลา จึงมชี อ่ื เรียกอกี อยา่ งหนง่ึ ว่า ฟรีรันนง่ิ มลั ตไิ วเบรเตอร์ วงจรอะสเตเบลิ มลั ตไิ วเบรเตอร์ท่ีใชท้ รานซิสเตอร์ ประกอบด้วย วงจรทรานซิสเตอร์สวิตช์2 วงจร ตัวต้านทาน และตวั เก็บประจตุ ่อวงจรแบบคัปเปิล นยิ มนาเอาไอซีเบอร์ 555 มาสร้างเปน็ วงจรอะสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอร์ ท่ีเรียกอีกชื่อหนึ่งว่าวงจรกาเนิดความถ่ี เพราะการออกแบบสามารถทาไดง้ า่ ยและวงจรไม่ยงุ่ ยากซับซ้อน นาวงจรอะสเตเบลิ มลั ตไิ วเบรเตอร์มาประยุกตใ์ ช้ในงานทางอเิ ลก็ ทรอนิกส์คือ วงจรกาเนิดสัญญาณรูปสี่เหลี่ยม วงจรกาเนิดสัญญาณนาฬิกาเพ่ือใช้ควบคุมการทางานของวงจรอื่น ๆ และวงจรไฟกระพรบิ