Шаг за шагом. Транзисторы

Одна из самых важных схем электронной автоматики — это так называемый триггер (рис. 122), который осуществляет деление на два.

Рис. 122. Триггер, переходя из одного устойчивого состояния в другое, может выполнять операцию «деление на два».

Триггер широко используется в вычислительных машинах, и различные сочетания триггеров позволяют производить самые различные математические операции, такие, как сложение, умножение, возведение в степень, извлечение корня, логарифмирование и др.

По своей схеме триггер очень напоминает мультивибратор: в нем также работают два транзистора и коллектор одного из них связан с базой другого. Главное отличие триггера лишь в том, что в нем не происходит «самовольного» переключения транзисторов, и если уж один из транзисторов заперт, а другой открыт, то никакие внутренние силы не могут вывести триггер из этого устойчивого состояния. Для того чтобы триггер переключился, нужно подать на его вход откуда-нибудь «со стороны» отпирающий импульс.

Каждый отпирающий импульс переводит триггер из одного устойчивого состояния в другое. Если, например, до появления отпирающего импульса триод Т₁ был закрыт, а триод Т₂ открыт, то под действием внешнего импульса картина переменится на обратную — открытым окажется Т₁, а закрытым Т₂.

Под действием следующего импульса триггер опять «перебросится» в первоначальное состояние, и транзистор Т₂ опять окажется открытым, а Т₁ закрытым и т. д. Триггер может находиться в устойчивом состоянии сколь угодно долго, потому что, коллекторы и базы транзисторов связаны не только по переменному току через емкость, как в мультивибраторе, но еще и по постоянному току через резисторы. Если один из триггеров окажется открытым, то «минус» на его коллекторе почти исчезнет (из-за падения напряжения на нагрузке). При этом исчезнет и постоянное отпирающее смещение на втором транзисторе, и он запрется (постоянным напряжением, которое открытый транзистор создает на общем резисторе R_э) и будет находиться в таком запертом состоянии до тех пор, пока не пройдет следующий внешний отпирающий импульс. На первый транзистор отпирающий импульс не повлияет — тот уже и без импульса открыт. А вот второй транзистор, который был закрыт, под действием отпирающего импульса откроется. Как только второй транзистор откроется, то «минус» на его базе исчезнет и одновременно исчезнет «минус» на базе первого транзистора. Теперь уже он окажется закрытым и будет дожидаться очередного отпирающего импульса.

Из этого краткого описания можно сделать такой вывод: триггер делит на два частоту поступающих на его вход отпирающих импульсов. То есть один из транзисторов триггера будет открываться только от четных импульсов, второй — только от нечетных. Если, например, на вход триггера поступает двадцать импульсов в. секунду, то на каждом из двух выходов триггера будут появляться чередующиеся импульсы с половинной частотой — десять импульсов в секунду. Ну, а если эти импульсы подать еще на один триггер, то мы получим деление на четыре: первый триггер разделит частоту входных импульсов на два, второй еще на два, а дважды два, как известно, четыре. С помощью цепочки триггеров можно осуществить деление на 8, 16, 32, 64 и т. д.

На рис. 123 приведена схема переключателя елочных гирлянд, который поочередно включает четыре группы лампочек, причем две из них «мигают» в два раза реже, чем две другие.

Рис. 123. Переключатель гирлянд с триггерами.

Основа переключателя, — тактовый генератор отпирающих импульсов. За ним следуют два триггера, один из которых делит частоту тактового генератора на два, а второй — еще на два. Каждый из транзисторов обоих триггеров управляет работой другого, мощного транзистора — своего рода транзисторного реле, которое и включает свою гирлянду.

Гирлянда лампочек является нагрузкой мощного транзистора. Когда транзистор открыт, то сопротивление его коллекторной цепи очень мало, все питающее напряжение, по сути дела, приложено к гирлянде, и лампочки горят. Когда же мощный транзистор заперт, то напряжение на нагрузке (на гирлянде) равно нулю, и лампочки не горят.

Роль тактового генератора выполняет уже знакомый нам мультивибратор (T₂T₃). Элементы его схемы подобраны так, что тактовая частота составляет примерно один герц. То есть отпирающий импульс появляется примерно раз в секунду. С тактового генератора сигнал подается на так называемую дифференцирующую цепочку R₈C₅. Она превращает прямоугольный импульс в два остроконечных импульса, так как ток в цепи конденсатора, а значит, и напряжение на R₈ появляется только во время изменения напряжения, проводимого к этой цепочке (рис. 25). Поэтому остроконечные импульсы на выходе дифференцирующей цепочки будут созданы только передним и задним фронтом прямоугольного импульса, который идет с мультивибратора.

Отрицательный остроконечный импульс отпирает триод усилителя (T₄), и после усиления сигнал подается на вход первого триггера (T₅T₆).

С коллекторной нагрузки каждого из транзисторов триггера постоянное напряжение подается на базу транзисторного реле (T₉T₁₀), в котором работает мощный триод, например, П201. На эмиттер этого мощного триода всегда подается отрицательное (относительно общего провода) напряжение с делителя R₁R₂. Это напряжение приложено «плюсом» к базе и поэтому запирает мощный транзистор. Необходимо сравнительно большое отрицательное напряжение, чтобы его отпереть, и именно такое отпирающее напряжение поступает с триггера. Когда какой-нибудь транзистор триггера закрыт, то на его коллекторе оказывается сравнительно большой «минус» — почти полное питающее напряжение, которое и отпирает мощный триод. Поскольку «минусы» на коллекторах появляются поочередно и держатся довольно долго — около одной секунды, — то и мощный транзистор оказывается открытым целую секунду в ожидании следующей «переброски» триггера.

Аналогично действует и следующий триггер, но он уже включает свои транзисторы-реле в два раза реже, и они остаются включенными по две секунды.

В коллекторную цепь мощных транзисторов включены гирлянды лампочек, которые зажигаются только при отпирании транзисторов (рис. 52). Таким образом, эти гирлянды мигают с частотой переключения триггеров.

Чтобы система работала устойчиво, питание на тактовый генератор импульсов и на триггеры подается с простейшего стабилизатора напряжения, в котором используются один транзистор Т₁ и стабилитрон Д₆. Это кремниевый диод, специально устроенный так, что он работает в области электрического пробоя (рис. 19), сопротивление которого поэтому, сильно меняется при изменении приложенного напряжения. Причем сопротивление это меняется таким образом, что напряжение на диоде остается почти неизменным. В данном случае это напряжение управляет триодом (Т₁), и ток через него остается неизменным при изменениях подводимого напряжения, потому что коллекторный ток практически зависит только от управляющего напряжения (рис. 57), а оно стабилизировано.

Питающее напряжение около 8 в для управляющей части (тактовый генератор, усилитель импульсов, триггеры) получают от мостикового выпрямителя, к которому подводится переменное напряжение 6,3 в. Потребление тока в этом блоке невелико, и обмотка II силового трансформатора Тр₁ может быть намотана сравнительно тонким проводом 0,3–0,5 мм².

Напряжение на исполнительную часть (мощные транзисторы) подается с отдельного выпрямителя, который не должен давать более 20 в, то есть подводимое к выпрямителю эффективное переменное напряжение не должно быть больше 14 в. Ограничение связано с тем, что сам транзистор П201 не допускает большего напряжения между коллектором и эмиттером (см. таблицу 10). Можно, конечно, применить транзисторы с более высоким допустимым коллекторным напряжением (например, П214, допускающие напряжение на коллекторе до 65 в) и тем самым повысить напряжение, подводимое к исполнительному блоку. А это, в свою очередь, позволит включать в каждую гирлянду большее число последовательно соединенных лампочек.

Вообще число лампочек подбирается таким образом, чтобы полностью использовать подводимое напряжение. В данном случае, когда это напряжение составляет 20 в, в каждую гирлянду нужно включить четыре лампочки на 6,3 в, или шесть лампочек на 3,5 в, или, наконец, восемь лампочек на 2,5 в.

Без дополнительного теплоотвода для транзистора П201 допустимый ток коллектора составляет 1,5 а. Это позволяет в коллекторную цепь каждого триода включить параллельно несколько групп последовательно соединенных лампочек. Так, например, если применены лампочки, потребляющие ток 0,3 а, то можно соединить параллельно пять групп таких лампочек (для спокойствия лучше четыре) или десять групп (лучше восемь) лампочек, потребляющих ток 0,15 а. Уменьшить число параллельных групп можно как угодно, так как транзистору от этого только легче.

Мы не приводим данных вторичных обмоток трансформатора. Число витков для них легко рассчитать, если известно число витков первичной обмотки, а значит, и число витков на один вольт (см. стр. 109). Общая потребляемая мощность для четырех переключающих транзисторов не превышает 60 вт.

Мощные транзисторы работают поочередно, и каждая пара потребляет примерно 30 вт (22 в·1,5 а), а значит, трансформатор Тр₁ можно изготовить из небольшого силового трансформатора от сетевого приемника. С трансформатора удаляют все обмотки, кроме сетевой, и располагают ни их месте обмотки II и III. Обмотку III нужно намотать довольно толстым проводом, диаметром 1,0–1,2 мм.