Программа для расчета простого мультивибратора на микросхеме CD4011
В радиолюбительской практике очень часто бывает необходимо собрать простой и дешевый генератор импульсов. Проще всего собрать его на одной из самых распространённых КМОП микросхем типа CD4011 (советский аналог К561ЛА7). Такой генератор импульсов можно использовать в различных импульсных устройствах, таких как преобразователи напряжения, тестеры для проверки различных радиосхем, генераторы для прозвони электрических цепей и т.д.
Микросхема CD4011 очень дешева. Набор из 10 штук стоит в районе $1
Микросхема CD4011 входит в состав очень распространенной и очень старой 4000-й серии микросхем (в СССР это серия К561). 4011 — это наверно самая распространенная среди радиолюбителей микросхема данной серии, так как содержит в одном корпусе четыре логических элемента 2И-НЕ (NAND). А как известно из теории цифровой техники, на логических элементах 2И-НЕ можно построить абсолютно любые более сложные логические схемы, то есть элемент NAND представляет собой универсальный «кирпичик» цифровой техники.
Микросхема CD4011 очень удобна тем, что работает в относительно широком диапазоне питающих напряжений. Теоретически, работоспособность сохраняется при изменении напряжения питания от 3 до 18 вольт. Но в реальных схемах желательно использовать эти микросхемы при напряжении питания не ниже 5 и не выше 15 вольт. Из недостатков серии 4000 — не очень высокое быстродействие. Реальная граничная рабочая частота зависит от напряжения питания.
При максимальном напряжении рабочая частота не выше 10..15 мегагерц. При напряжении питания 3..5 вольт — это примерно 2 — 3 мегагерца. Тем не менее для многих применений этого вполне достаточно. Мне нравится использовать генератор прямоугольных импульсов на этой микросхеме в дешевых повышающих преобразователях напряжения для управления ключевым MOSFET транзистором. Мультивибратор на логической микросхеме обеспечивает лучшую форму выходных прямоугольных импульсов, чем например известная схема мультивибратора на двух транзисторах, и кроме того, содержит меньше деталей.
Распиновка микросхемы CD4011 (К561ЛА7)
Генератор прямоугольных импульсов на 4011. Схема 1
Это первый вариант схемы мультивибратора на чипе 4011. Она использует 3 элемента из четырех, входящих в состав микросхемы. С указанными номиналами C1 и R1 и при напряжении питания 5 В частота импульсов на выходе — примерно 10 кГц. Рассчитать генератор на другую частоту можно с помощью небольшой программы — калькулятора, о которой речь пойдет чуть позже.
Генератор прямоугольных импульсов на 4011. Схема 2
Второй вариант схемы использует только 2 логических элемента из четырех. Стабильность работы первой схемы несколько выше. Также частот генерации обеих схем в некоторой степени зависит от напряжения питания. При изменении напряжения питания от 5 до 15 вольт выходная частота увеличивается примерно на 10 процентов.
Программа для расчета элементов мультивибратора на микросхеме 4011 (К561ЛН7)
Для расчета номиналов резистора и конденсатора мультивибратора в зависимости от заданной частоты импульсов написал маленькую программу. Программа написана в бесплатной среде программирования Lazarus 2.2.0
Радиокнопками Type1 и Type2 вы можете выбрать первый или второй вариант схемы генератора.
В Поле F= задаем нужную частоту в килогерцах (можно использовать дробные значения.
В полях R= и C= можно задать желаемое сопротивление резистора в килоомах или емкость конденсатора в пикофарадах.
поле Vdd позволяет выбрать напряжение питания мультивибратора. От этого напряжения в некоторой степени зависит частот на выходе схемы. Можно выбрать напряжение от 5 до 15 вольт с шагом в 1В.
Что будет вычислено в итоге, зависит от того, какую кнопку вы нажмете. Если нажать Calculate C то будет вычислена емкость конденсатора. Если нажать Calculate R то программа посчитает сопротивление резистора. Результат вычисления будет подсвечен зеленым цветом до следующего ввода нового значения.
В мультивибраторе по этим схемам не рекомендуется использовать резистор сопротивлением менее 10 кОм. Расчет с помощью программы приблизительный и ориентировочный. Программа позволяет вам выбрать примерные отправные значения емкости и сопротивления. Подгонять частоту нужно в реальном устройстве точным подбором сопротивления резистора или емкости конденсатора.
Скачать программу расчета мультивибратора можно по этой ссылке…
Пример использования мультивибратора на микросхеме 4011
На рисунке ниже приведена схема простого преобразователя постоянного напряжения на выходное напряжение 90 — 120 В
Генератор прямоугольных импульсов здесь выполнен по первой схеме и работает на частоте 2.5 — 3 кГц. Частоту можно настроить подбором резистора R1 или/и конденсатора C1.
Четвертый логический элемент D1.4 используется как буфер между генератором импульсов и затвором ключевого транзистора VT1. В качестве этого транзистора можно использовать любой MOSFET, рассчитанный на напряжение, не меньшее чем выходное напряжение преобразователя.
Катушку L1 (дроссель) я намотал на ферритовой «гантельке» от катушки, выпаянной из старого электронного балласта для люминесцентной лампы. Намотка проводом диаметром 0.1мм до заполнения «гантельки».
Выходное напряжение зависит от напряжения питания а также от частоты импульсов на выходе мультивибратора. При попадании частоты в резонанс катушки (и ёмкости монтажа) напряжение значительно возрастает. В моем случае это была частота в районе 2.5 кГц. При этом напряжение было примерно 130 вольт. При увеличении частоты до 4..5 кГц выходное напряжение было в районе 65 — 80 вольт. Индуктивность катушки на «Гантельке» получилась равной 5mH. Индуктивность можно измерить вот этим прибором.
Генератор импульсов с регулировкой скважности
При необходимости схему 1 можно легко преобразовать в генератор импульсов с регулировкой скважности. Для этого потребуется добавить переменный (или подстроечный) резистор и два диода. Переменным резистором можно будет изменять скважность прямоугольных импульсов на выходе генератора.
Схема генератора импульсов на CD4011 с регулировкой скважности