หน่วยที่ 9 โมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์

เอกสารประกอบการเรียน วิชา วงจรพลั ส์และสวิตชิง รหัสวชิ า 2105-2006 หนว่ ยการเรียนท่ี 9 โมโนสเตเบลิ มัลตไิ วเบรเตอร์ จดั ทาโดย ครปู ราณทิพย์ ชนวีรจ์ ารุณฐัสาขาวิชาอเิ ล็กทรอนิกส์ วทิ ยาลัยเทคนคิ จันทบรุ ีสานักงานคณะกรรมการการอาชีวศกึ ษา กระทรวงศกึ ษาธิการ

โมโนสเตเบิลมลั ติไวเบรเตอร์แนวคดิ วงจรทางอิเลก็ ทรอนกิ ส์ทีท่ าให้เกิดสญั ญาณรปู คล่นื สเี่ หลี่ยม เรยี กวา่ วงจรมลั ตไิ วเบรเตอร์(Multivibrator Circuit) แบง่ ออกได้ 3 ชนิด คอื วงจรอะสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอร์ วงจรโมโนสเตเบิลมัลตไิ วเบรเตอร์ และวงจรไบสเตเบิลมลั ติไวเบรเตอร์ โมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ เป็นวงจรทางอิเล็กทรอนิกส์ ซ่ึงเป็นวงจรมัลติไวเบรเตอร์ชนิดหนง่ึ มีสภาวะการทางาน 2 สภาวะ คือ สภาวะเสถียรและสภาวะไม่เสถียร เมื่อไม่มีสัญญาณมากระตุ้นวงจรจะมีสภาวะเสถียร เมื่อมีสัญญาณจากภายนอกมากระตุ้น วงจรจึงจะเปล่ียนเป็นสภาวะไม่เสถียร ระยะเวลาท่ีเปลี่ยนแปลงสภาวะข้ึนอยู่กับค่าของอุปกรณ์ และเม่ือหมดเวลาของสภาวะไมเ่ สถียร วงจรจะกลับสู่สภาวะเสถียรเช่นเดิม วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ สร้างได้จากอุปกรณ์สารก่ึงตัวนา เช่น ทรานซิสเตอร์ ไอซีออปแอมป์ และไอซีเบอร์ 555 ในหน่วยนี้จะกล่าวถึงวงจรโมโนสเตเบิลทีส่ ร้างจากทรานซิสเตอร์ และไอซีเบอร์ 555สาระการเรยี นรู้ 1. วงจรโมโนสเตเบิลมัลตไิ วเบรเตอร์ 2. วงจรโมโนสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอรท์ ใ่ี ช้ทรานซิสเตอร์ 3. วงจรโมโนสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอรท์ ่ใี ช้ไอซเี บอร์ 555จุดประสงค์การเรียนรู้ จุดประสงค์ทัว่ ไป 1. เพื่อใหม้ ีความรู้ และเขา้ ใจเกย่ี วกับวงจรโมโนสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอร์ 2. เพ่ือให้มกี จิ นสิ ยั ในการพัฒนาคณุ ธรรม จรยิ ธรรม จุดประสงค์เชิงพฤตกิ รรม 1. บอกความหมายของวงจรโมโนสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอร์ได้ 2. อธิบายการทางานของวงจรจดุ ชนวนได้ 3. อธิบายการทางานของวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ท่ใี ช้ทรานซสิ เตอรไ์ ด้ 4. อธบิ ายการทางานของวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ทีใ่ ชไ้ อซีเบอร์ 555 ได้ 5. มีการพัฒนาคุณธรรม จรยิ ธรรม และคณุ ลกั ษณะอนั พึงประสงคท์ ่ีผ้สู อนสามารถสงั เกตเห็นได้ในด้านมนษุ ยสมั พนั ธ์ มีวินัยใช้วัสดุอปุ กรณ์ ความรับผิดชอบ ตรงต่อเวลาละเอยี ดรอบคอบ มคี วามกระตือรอื ร้นในการทางาน เชื่อมั่นในตนเอง ซอ่ื สัตย์สุจริต สนใจใฝ่รู้ รักสามัคคี

1.วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ วงจรโมโนสเตเบลิ มลั ตไิ วเบรเตอร์ (Monostable Multivibrator) เป็นวงจรมัลติไวเบรเตอร์ที่มีสภาวะเสถียร (Stable State) และสภาวะไม่เสถียร (Unstable State) วงจรจะเปล่ียนแปลงการทางานต้องมีสัญญาณอินพุตจากภายนอกมาควบคุมการทางาน วงจรมี 2 ส่วน คือ ส่วนที่ทางานตลอดเวลา และส่วนที่หยุดทางานตลอดเวลา วงจรท้ังสองส่วนจะทางานอยู่ในสภาวะเช่นนี้ไปตลอด จนกระท่ังมีสัญญาณอินพุตเข้ามากระต้นุ วงจร สภาวะการทางานของวงจรทัง้ สองส่วนจะเกิดการเปล่ียนแปลงไปช่ัวขณะหน่ึง นั่นก็คือวงจรส่วนท่ีทางานอยู่จะหยุดทางาน และวงจรส่วนท่ีหยุดทางานอยู่จะเร่ิมทางาน หลังจากหมดช่วงเวลาท่ีกาหนดไว้แล้ว วงจรท้ังสองส่วนจะกลับไปสู่สภาวะการทางานเหมือนเดิมก่อนที่จะมีสญั ญาณอนิ พตุ เขา้ มากระตุ้น ชว่ งเวลาการเปล่ียนแปลงท่ีเกิดข้ึนกาหนดได้จากค่าของตัว R และตัวC ท่ีประกอบอยู่ในวงจร จากสภาวะการทางานที่เปลี่ยนสภาวะไปช่ัวขณะหนึ่งแล้วกลับมาในสภาวะเดิมท่ีเป็นอยู่ จึงมีอีกชื่อหน่ึงว่า วงจรวันชอตมัลติไวรเบรเตอร์ (One – Shot Multivibrator)แสดงดังรูปที่ 9.1 Vin t V01+VCC ON OFF ON tVin วงจร V01 V02 โมโนสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอร์ V02 OFF ON OFF t สภาวะ สภาวะ สภาวะ เสถยี ร ไมเ่ สถยี ร เสถยี ร รปู ที่ 9.1 การทางานของวงจรโมโนสเตเบิลมลั ติไวเบรเตอร์ที่มา : กัมพล ทองเรือง. ทฤษฎีและการออกแบบวงจรพัลส์. (หนา้ ท่ี 214-215) จากรูปที่ 9.1 แสดงการทางานของวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ ท่ีมีสภาวะเสถียรและสภาวะไม่เสถียร ขณะที่วงจรมีสภาวะเสถียรนั่นคือ เอาต์พุต V01 อยู่ในสภาวะ “ON” เอาต์พุต

V02 จะอยู่ในสภาวะ “OFF” เมื่อมีสัญญาณกระตุ้นจาก Vin วงจรจะเปล่ียนเป็นสภาวะไม่เสถียร น่ันคือ เอาต์พุต V01 อยู่ในสภาวะ “OFF” เอาต์พุต V02 จะอยู่ในสภาวะ “ON” ชั่วขณะหน่ึงจนกระทั่งหมดชว่ งเวลาของสภาวะไม่เสถยี ร วงจรจะกลับสูส่ ภาวะเดมิ คือสภาวะเสถียรอกี ครง้ั ชว่ งสภาวะไม่เสถียรจะข้ึนอยคู่ า่ ของตัว R และตัว C ทีป่ ระกอบวงจร การจุดชนวนหรือการกระตุ้นวงจรโมโนสเตเบิล คือ การทาให้วงจรเปล่ียนสภาวะในการทางานปจั จบุ นั ไปยงั สภาวะใหม่ จะใช้สญั ญาณจดุ ชนวนซงึ่ มีลกั ษณะเปน็ สัญญาณพัลส์ท่ีเกิดข้ึนในเวลาสั้น ๆ โดยที่สัญญาณจุดชนวนจะเป็นสัญญาณพัลส์บวกหรือสัญญาณพัลส์ลบ หรือเป็นสัญญาณสเ่ี หล่ยี ม สญั ญาณสามเหลย่ี มก็ได้ แสดงดงั รูปท่ี 9.2 t t (ก) (ข) t t t(ค) (ง) (ฉ) รูปที่ 9.2 รปู รา่ งสัญญาณจุดชนวนของวงจรโมโนสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอร์แบบต่าง ๆ ท่มี า : กัมพล ทองเรือง. ทฤษฎแี ละการออกแบบวงจรพัลส์. (หน้าท่ี 224)2.วงจรโมโนสเตมลั ติไวเบรเตอร์ที่ใช้ทรานซสิ เตอร์ วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ท่ีใช้ทรานซิสเตอร์ จะใช้ทรานซิสเตอร์มาต่อเป็นวงจรกลับสัญญาณ 2 วงจร โดยท่ีเอาต์พุตของวงจรแรกต่อเข้าเป็นอินพุตของวงจรท่ีสองโดยวิธี อาร์-ซีคัปปล้งิ (R – C coupling) และเอาตพ์ ุตของวงจรท่ีสองจะถูกนาเอามาเป็นอินพุต ของวงจรแรกโดยวิธีรีซิสทีฟคัปปลิ้ง (Resistive coupling) สัญญาณท่ีใช้เป็นสัญญาณทริกเกอร์ของวงจรในรูปนี้ จะเปน็ รูปคลนื่ ดฟิ เฟอเรนชิเอตในช่วงครึ่งลบ ทาให้ได้สัญญาณเอาต์พุตมีรูปร่างเป็นคลื่นรูปสี่เหล่ียมมุมฉาก (Rectangular) สัญญาณเอาต์พุตที่ได้จากวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์นี้ มักถูกนาไปใชใ้ นการควบคมุ วงจรพลั ส์อ่นื ๆ เชน่ วงจรเกต (Gate circuit) เป็นต้น แสดงดังรปู ที่ 9.3

+VCCRL1 R C1 RL2 Vin 0 R1 C Vout +- Q2 ON Q1 R2 C2 +VCC TOFF Vin Vout 0 t+1 t2 t-1t1 t3 -VBB Triger inputก. วงจรโมโนสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอร์ ข. สญั ญาณรูปคล่ืน รปู ท่ี 9.3 วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ จากรูปท่ี 9.3 ก. วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ท่ีใช้ทรานซิสเตอร์ ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ 2 ตัว คือ ตัว Q1 และตัว Q2 ในการทางานสภาวะปกติท่ียังไม่มีสัญญาณ Vin ป้อนเข้ามาตัว Q1 จะหยุดทางาน “OFF” ส่วนตัว Q2 จะทางาน “ON” เป็นสภาวะเสถียรภาพของวงจร ตัว Cจะประจแุ รงดนั ถงึ ค่า + VCC มีขั้วแรงดนั ซา้ ยบวกขวาลบ อธิบายการทางานของวงจรได้ดงั น้ี จากรูปที่ 9.3 ข. ทเ่ี วลา t-1 - t1 ขณะท่ยี ังไม่มีสัญญาณ Vin ป้อนเข้ามาวงจรแบ่งแรงดันตัว R1และตัว R2 ร่วมกับแหล่งจ่ายแรงดัน -VBB จ่ายแรงดันไบแอสกลับให้ขา B ของตัว Q1 ทาให้ตัว Q1หยุดทางาน “OFF” และตัว C มีการประจุแรงดันถึงค่า +VCC จ่ายเป็นไบแอสบวกป้อนไปให้ขา Bของตัว Q2 ทาให้ตวั Q2 ทางาน “ON” เปน็ สภาวะเสถยี รภาพของวงจร ท่ีช่วงเวลา t1 เม่ือมีสัญญาณทริกเกอร์ป้อนเข้ามากระตุ้นที่ขา B ของตัว Q2 ทาให้ตัว Q2กลับไปอยู่ในสภาวะหยุดทางาน “OFF” ขา C ของตัว Q2 จะมีแรงดันค่อย ๆ เพ่ิมข้ึนจนถึงค่า +VCCมีผลทาให้ ขา B ของตัว Q1 ได้รับไบแอสตรงตัว Q1 จะทางาน“ON” และทางานจนกระท่ังถึงจุดอิม่ ตัวเสมอื นขา C ของตวั Q1 ถกู ตอ่ ลงกราวด์ ขั้วบวกของตัว C จะถูกต่อลงกราวด์ด้วย แสดงได้ดังรปู ท่ี 9.4

+VCC R V VCC - Q2 +VCC + OFF VC 0VCE1(sat) = 0 -VCC Time (sec) t1 t2 Q1 T ON ก. วงจรทางานในช่วงเวลา t+1 ข. การเปล่ียนแปลงการเก็บประจุของตวั C รูปที่ 9.4 แสดงสภาวะการคายประจุของ C ผา่ น Q1 ทม่ี า : พันธ์ศักด์ิ พุฒิมานติ พงศ์. วงจรพัลสแ์ ละดิจติ อล. (หนา้ ที่ 116) จากรูปที่ 9.4 ก. แสดงวงจรทางานในช่วงเวลา t+1 ขณะตัว Q2 ได้รับแรงดันท่ีประจุให้กับตัว C มีค่าเท่ากับ -VCC ป้อนให้กับขา B ของตัว Q2 ทาให้ตัว Q2 ได้รับไบแอสกลับ ตัว Q2 จึงอยู่ในสภาวะหยุดทางาน “OFF” ไปจนกระท่ัง เม่ือแรงดันท่ีถูกประจุไว้ท่ีตัว C มีค่าแรงดันเท่ากับ 0 Vและเริ่มประจุแรงดันเป็นบวกป้อนให้กับขา B ของตัว Q2 ตัว Q2 ก็จะกลับมาอยู่ท่ีสภาวะทางาน“ON” อีกครั้ง ดังน้ันขณะท่ี ตัว Q2 หยุดทางาน “OFF” จะได้สัญญาณพัลส์ช่วงเวลา T แสดงดังรูปท่ี 9.4 ข. จากคุณสมบัติข้อนี้ของวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ จึงมักนาไปสร้างเป็นวงจรตั้งเวลา (Timer Circuit) และวงจรหนว่ งเวลา (Delay Circuit)3.วงจรโมโนสเตมัลติไวเบรเตอร์ทใ่ี ชไ้ อซีเบอร์ 555 การทางานของวงจรโมโนสเตเบิลท่ีใชไ้ อซีเบอร์ 555 แสดงดงั รูปท่ี 9.5 +VCCR1 +VCC 7 4 83 VinC1 IC Vout 0 555 +VCC 6 21 5 Vout 0 T 2/3VCCTrigger C2 VC1 0 Vin t1 t2 t3 t t4ก. วงจรจรโมโนสเตเบลิ มัลติไวเบรเตอร์ ข. สญั ญาณรปู คล่นื

+VCC 8 Control voltage 5 R1 Comparator 1 Q2 5kΩ Rest 4 Threshold 6 -+ Trigger 2 R2 Flip-Flop Output Output 3 5kΩ Stage Discharge 7 -+ IC Q1 555 R3 Comparator 2 5kΩ Ground 1 ค. โครงสรา้ งภายในตัวไอซีเบอร์ 555 รูปท่ี 9.5 วงจรโมโนสเตเบิลมัลตไิ วเบรเตอร์ที่ใช้ไอซเี บอร์ 555 จากรูปท่ี 9.5 แสดงวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ที่ใช้ไอซีเบอร์ 555 อธิบายการทางานได้ดงั นี้ จากวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ที่ใช้ไอซีเบอร์ 555 จะใช้ตัว R1 และ C1 เป็นตัวกาหนดช่วงเวลา T ซ่ึงเป็นค่าความกว้างของช่วงเวลาที่เกิดรูปคล่ืนพัลส์ท่ี Vout ในวงจร วงจรจะเรม่ิ ทางานกต็ ่อเม่อื ได้รับสัญญาณกระตุ้นเข้ามาท่ีขา 2 ซ่ึงสัญญาณที่นามากระตุ้นนี้ต้องมีค่าแรงดันต่ากว่าค่าแรงดัน 1 VCC จึงจะใช้งานได้ เพราะว่าแรงดันท่ีขั้วบวกอินพุตของตัวเปรียบเทียบ 2 3(Comparator 2) ในวงจรสมมลู ย์ภายในตวั ไอซีเบอร์ 555 จะมคี า่ คงท่ีประมาณ 1 VCC 3 เม่ือยังไม่มีสัญญาณทริกเกอร์จาก Vin ป้อนเข้ามากระตุ้นที่ขา 2 ตัว Q1 ที่อยู่ภายในตัวไอซีเบอร์ 555 จะอยู่ในสภาวะทางาน “ON” ทาให้มีกระแสไหลจาก +VCC ผ่าน ตัว R1 ไปท่ีตัว Q1 และลงกราวด์ ตัว C1 ท่ตี อ่ ในวงจรจึงยงั ไมป่ ระจแุ รงดัน แต่เม่ือมสี ญั ญาณทริกเกอร์ จาก Vin ป้อนเข้ามากระตุ้นท่ีขา 2 (ขาทริกเกอร์) ของไอซีเบอร์ 555 จะทาให้ฟลิปฟลอปภายในตัวไอซีเบอร์ 555 ถูกกระตุ้นให้มีไฟลบจ่ายไบแอสให้ขา B ของตัว Q1 ทาให้ตัว Q1 หยุดทางาน “OFF” ด้วยเอาต์พุตของตวั เปรยี บเทยี บตวั ท่ี 1 และตัวท่ี 2 ตัวภายในตัวไอซีเบอร์ 555 ในขณะท่ีตวั Q1 ภายในตัวไอซเี บอร์ 555 มีสภาวะหยุดทางาน “OFF” จะมีกระแสไหลจาก+ VCC ผ่านตัว R1ไปประจแุ รงดันท่ีตัว C1 แรงดัน C1 จะค่อย ๆ เพ่ิมขึ้นไปจนถึงค่าแรงดันประมาณ2 VCC ซ่ึงมีผลทาให้ขั้วบวกของตวั เปรียบเทียบตัวที่ 1 ภายในตัวไอซีเบอร์ 555 มีศักย์เป็นบวก ตัว3

เปรียบเทียบตัวท่ี 1 ทางานมีสัญญาณออกเอาต์พุตไปกระตุ้น ฟลิปฟลอปให้มีสถานะกลับมาอย่างเดิม คือมีไฟบวกปอ้ นใหข้ า B ของตัว Q1 ทาให้ Q1 อยู่ในสภาวะทางาน “ON” อกี ครง้ั ในขณะท่ีตัว Q1 ภายในตัวไอซีเบอร์ 555 อยู่ในสภาวะทางาน “ON” ขา 7 (ขาดิสชาร์จ)ของตัวไอซีเบอร์ 555 จะเสมือนถูกต่อลงกราวด์ ทาให้ตัว C1 เริ่มคายประจุผ่าน ขา 7 (ขาดิสชาร์จ)ลงกราวด์จนหมดมีค่าเท่ากับ 0 V รอการประจุในคร้ังต่อไป ในช่วงเวลาท่ีตัว C1 เร่ิมเก็บประจุไปจนถงึ ชว่ งเวลาที่ตัว C1 คายประจุ จะเรียกว่า ช่วงเวลา T ความกว้างของพัลส์จะถูกกาหนดด้วยค่าR1 และ C1 ท่ตี ่อในวงจร ชว่ งเวลา T หาได้จากสมการดังนี้T = 1.1R1C1 (สมการท่ี 9-1)เม่อื T คือค่าความกว้างของพัลส์ มหี นว่ ยเป็นวินาที (sec) R1 คือคา่ ตวั ตา้ นทาน มีหนว่ ยเป็นโอห์ม () C1 คือค่าตัวเก็บประจุ มีหน่วยเปน็ ฟารัด (F)สรปุ โมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ เป็นวงจรมัลติไวเบรเตอร์ที่มีสภาวะเสถียรและสภาวะไม่เสถียร วงจรจะมีการเปล่ียนแปลงการทางานต้องมีสัญญาณอินพุตจากภายนอกมาควบคุมการทางาน วงจรจะมี 2 สว่ น คอื สว่ นทที่ างานตลอดเวลา และสว่ นที่หยดุ ทางานตลอดเวลา วงจรทั้งสองส่วนจะทางานอยู่ในสภาวะเช่นนี้ไปตลอดจนกระท่ังมีสัญญาณอินพุตเข้ามากระตุ้นวงจรสภาวะการทางานของวงจรทั้งสองส่วนจะเกิดการเปลี่ยนแปลงไปขณะหน่ึง โดยท่ีวงจรส่วนที่ทางานอยู่จะหยุดทางาน และวงจรส่วนท่ีหยุดทางานอยู่จะเร่ิมทางาน แต่หลังจากหมดช่วงเวลาท่ีกาหนดไว้ วงจรทงั้ สองส่วนจะกลบั ไปส่สู ภาวะการทางานเดิม เรากาหนดเวลาการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นได้ด้วยการกาหนดค่าตัว R และค่าตัว C เราเรียกวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์อีกช่ือหน่ึงว่า วงจรวันชอตมัลติไวรเบรเตอร์ อุปกรณ์ที่นามาสร้างเป็นวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวรเบร-เตอร์ ได้แก่ ทรานซิสเตอร์ ไอซีออปแอมป์ ไอซไี ทม์เมอร์ 555 เปน็ ตน้ นาวงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์มาประยุกต์ใช้ในงานทางอิเล็กทรอนิกส์คือ ใช้เป็นวงจรตง้ั เวลา วงจรตรวจจับวัตถุ