Elektronica-hobby blog van Jos Verstraten (627 artikelen): Op-amp cursus 27: monostabiele multivibrator

(gepubliceerd op 08-06-2018)

Een monostabiele multivibrator is een schakeling die op commando van een ingangspuls met willekeurige duur een uitgangspuls van constante, maar instelbare duur, opwekt. Als u rekening houdt met de begrenzingen van op-amp schakelingen (alleen bruikbaar in systemen met lage frequenties), kunt u MMV's met succes opbouwen met deze geïntegreerde versterkers.

Het principe van een monostabiele multivibrator

Constante uitgangspuls
Zoals reeds in de inleiding gesteld wekt een monostabiele multivibrator, koosnaampje MMV, een puls op aan zijn uitgang waarvan de breedte of tijdsduur onafhankelijk is van de breedte van de puls aan zijn ingang. De werking van zo'n schakeling kunt u kort en krachtig samenvatten door onderstaande figuur.

De basiswerking van een monostabiele multivibrator.
(© 2018 Jos Verstraten)

De MMV met een op-amp
Onderstaande figuur geeft een voorbeeld van een schakeling rond een 741 op-amp, die op bevel van een smalle positieve puls een bredere positieve puls opwekt. De ingangspuls kunt u weer simuleren door een 9 V batterijtje door middel van een drukknop aan de ingang van de schakeling aan te sluiten. De op-amp werkt alweer als comparator. De negatieve ingang is door middel van de spanningsdeler R4-R3 ingesteld op een positieve spanning van ongeveer 1 V. Dat doet u om er zeker van te zijn dat in rust, dus zonder puls aan de ingang, ook de uitgang op 0 V staat. De diode D2 aan de uitgang zorgt voor het begrenzen van de negatieve uitgangsspanning van de op-amp op -0,7 V, gelijk aan logisch 'L'.

Het basisschema van een monostabiele multivibrator met een 741 op-amp.
(© 2018 Jos Verstraten)

Experimenteer mee met deze cursus!

U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:

Hobby-lab: bouw een analoge trainer

De monostabiele multivibrator op uw experimenteerprinten
In onderstaande figuur is de schakeling op uw experimenteerprinten voorgesteld. Omdat er aan de positieve ingang van de op-amp zoveel componenten hangen, kunt u dat niet op één printje voor elkaar krijgen. U schakelt dus de tweede print in, die u in vorige artikelen uit deze reeks ook al nodig had. De linker print wordt alleen gebruikt als soldeerhulpmiddel om alle onderdelen kwijt te raken. De op-amp op deze print wordt uiteraard niet gebruikt. Vandaar dat op de plaats van de onderdelen E, G en I geen draadbrug aanwezig mag zijn.

Werking van de schakeling
Aan de hand van de grafieken van onderstaande figuur kunt u de werking van de schakeling doorgronden. Op tijdstip t1 drukt u even op de drukknop die de ingangspuls simuleert. Er verschijnt een positieve puls op de ingang. Deze puls wordt door het RC-netwerkje C1-R1 gedifferentieerd. Alleen de snelle voor- en achterflank worden door de condensator doorgelaten. Over de weerstand ontstaan dus twee zeer smalle naaldpulsjes, een positief pulsje bij het verschijnen van de ingangspuls en een negatief pulsje bij het verdwijnen van het signaal. Het negatief naaldpulsje zijn we liever kwijt dan rijk, vandaar de diode D1, die alleen de positieve naald doorkoppelt naar de positieve ingang van de op-amp.
Op tijdstip t1 wordt de positieve ingang dus heel even veel positiever dan de negatieve ingang. De comparator reageert dadelijk, de schakeling klapt om en de uitgang wordt positief. Tussen de uitgang en de positieve ingang van de op-amp staat ook een differentiator geschakeld. De tijdconstante van de kring C2-R2 is echter zeer groot. De positieve flank van de uitgang wordt doorgekoppeld naar de positieve ingang. Door de grote tijdconstante van de kring gaat de elco zeer langzaam ontladen via R2.
Gevolg: ook na het wegvallen van het smalle naaldpulsje, afgeleid van de ingang, blijft de positieve ingang van de op-amp positief. Ook de spanning op de uitgang van de schakeling blijft dus op logisch 'H' staan.

De condensator C2 gaat nu ontladen. De spanning op de positieve ingang daalt en na een bepaalde tijd wordt deze spanning gelijk aan de +1 V op de negatieve ingang. De comparator klapt om, de uitgang gaat naar nul (tijdstip t3). Ook deze negatieve sprong wordt door de elco doorgekoppeld naar de positieve ingang. De spanning op dit punt gaat dus opeens naar -9 V. Deze spanning moet u zo snel mogelijk zien kwijt te raken. Immers, zou dit potentiaal zich even traag afbouwen (via het ontladen van C2 door R2) als de positieve spanning na t1, dan zou het een hele tijd duren alvorens de schakeling reageert op de nieuwe ingangspuls. De korte positieve naaldpuls, afgeleid van deze nieuwe ingangspuls, zou dan verdrinken in de hoge negatieve spanning op de positieve ingang van de op-amp en de schakeling zou geen uitgangspuls opwekken. Gelukkig gaat D1 nu geleiden, want de kathode is negatief ten opzichte van de anode. De negatieve spanning op de positieve ingang van de op-amp vloeit dus zeer snel af via D1 en R1.
Vandaar op tijdstip t3 een smal negatief pulsje op Ua. Het is dus van belang de waarde van R1 zo laag mogelijk te kiezen. Op tijdstip t4 is de condensator ontladen, de schakeling is in rust en bereid een nieuwe monostabiele puls op te wekken.


De grafische verklaring van de werking van de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten)

Een toepassing van een MMV

Vertragen van een puls
Een toepassing van de combinatie MMV en de in het artikel 'Op-amp cursus: delay' geeft onderstaande figuur. Een korte positieve ingangspuls moet een bepaalde tijd vertraagd worden. De vertragingstijd is groter dan de duur van de ingangspuls. Door middel van de in dit artikel beschreven MMV zet u de ingangspuls om in een bredere puls. Nadien gaat u de voorflank van deze puls vertragen met de in het genoemde artikel beschreven delay-schakeling. Door de juiste keuze van de tijdbepalende onderdelen kunt u er voor zorgen dat de vertraagde puls net zo breed is als de oorspronkelijke puls.