คู่มือใช้งาน Monostable Multivibrator

Monostable Multivibrator เป็นวงจรรีเจนเนอเรทีฟแบบลำดับที่ใช้กันแพร่หลายในแอปพลิเคชันการจับเวลาอิเล็กทรอนิกส์ เป็นหนึ่งในรีแลกเซชัน ออสซิลเลเตอร์ (Relaxation Oscillator) ประเภทหนึ่ง ที่สร้างคลื่นเอาท์พุตในรูปแบบของคลื่นสี่เหลี่ยม ซึ่งอาจเป็นแบบสมมาตรหรือไม่สมมาตรก็ได้ Monostable Multivibrator เป็นองค์ประกอบสำคัญในการสร้างพัลส์จับเวลาที่แม่นยำ

การออกแบบและการทำงานของวงจร

Monostable Multivibrator สร้างขึ้นจากวงจรสวิตช์แบบข้ามเชื่อมกับทรานซิสเตอร์สองตัว โดยเอาท์พุตหนึ่งในนั้นจะย้อนกลับเป็นอินพุตให้ทรานซิสเตอร์อีกตัวหนึ่ง มีเครือข่ายตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุใช้เป็นวงจรย้อนกลับ วงจรนี้มีสถานะทางไฟฟ้าสองสถานะ: สถานะ HIGH และสถานะ LOW ซึ่งสถานะเหล่านี้จะทำให้รูปแบบการทำงานของวงจรให้เสถียรหรือเกือบเสถียร ขึ้นกับการตั้งค่า

รูปแบบการทำงานของ Monostable Multivibrator

Monostable Multivibrator มีเพียงสถานะเดียวที่เสถียร มันผลิตพัลส์เอาท์พุตเพียงพัลส์เดียว เมื่อได้รับการกระตุ้นจากภายนอก หลังช่วงเวลาที่กำหนดโดยวงจร RC วงจรจะกลับสู่สถานะที่เสถียร

พิจารณาวงจรพื้นฐานที่ใช้ MOSFET แบบ N-channel enhancement mode, ตัวต้านทาน (R), และตัวเก็บประจุ (C) ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุจะสร้างวงจรจับเวลา RC ในตอนแรก MOSFET จะเปิด เนื่องจากแรงดันที่ข้ามตัวเก็บประจุ ซึ่งทำให้ LED ที่เชื่อมต่อกับการระบาย (Drain) สว่างขึ้น

เมื่อปิดสวิตช์ ตัวเก็บประจุจะคายประจุออก และเกตของ MOSFET จะถูกลัดวงจรไปที่กราวด์ ทำให้ MOSFET และ LED ปิดการทำงาน ขณะที่สวิตช์ปิดอยู่ วงจรจะอยู่ในสถานะที่ไม่เสถียร เมื่อเปิดสวิตช์ ตัวเก็บประจุจะเริ่มชาร์จผ่านตัวต้านทาน และเมื่อแรงดันที่ข้ามตัวเก็บประจุถึงเกณฑ์การเปิดเกต MOSFET MOSFET จะเปิด ทำให้ LED สว่าง และวงจรกลับไปมีสถานะที่เสถียร

กระบวนการนี้สร้าง Monostable Multivibrator เรียบง่าย เรียกว่า "วงจรหนึ่งพัลส์" วงจรนี้จะผลิตพัลส์เอาท์พุตเพียงพัลส์เดียว เมื่อได้รับการกระตุ้น โดยระยะเวลาของพัลส์จะถูกควบคุมโดยค่าคงที่เวลาของเครือข่าย RC

การประยุกต์ใช้งานและวงจรจับเวลา 

Monostable Multivibrator สร้างพัลส์เอาท์พุตเพียงพัลส์เดียว โดยอาจเป็น HIGH หรือ LOW เมื่อได้รับกระตุ้นจากภายนอก วงจรจับเวลาจะเริ่มต้นด้วยสัญญาณกระตุ้น และเปลี่ยนสถานะเอาท์พุต เอาท์พุตจะคงอยู่ในสถานะที่สองนี้ตามระยะเวลาที่กำหนดด้วยค่าคงที่เวลา RC จนกว่าจะรีเซ็ตกลับไปสู่สถานะเดิม วงจรจะอยู่ในสถานะเสถียรนี้จนกว่าจะได้รับพัลส์กระตุ้นใหม่อีกครั้ง วงจรจะทำงานซ้ำเมื่อได้รับพัลส์กระตุ้น ทำให้ Monostable Multivibrator เป็นส่วนสำคัญในการสร้างพัลส์จับเวลาที่ควบคุมได้ในแอปพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ 

วงจร Monostable Multivibrator ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ 

การออกแบบพื้นฐานของMonostable Multivibrator ที่ใช้ทรานซิสเตอร์รวมถึงวงจรที่มีตัวเก็บประจุเชื่อมต่อกับคอลเลกเตอร์และคลื่นรูปแบบเฉพาะ เมื่อเปิดใช้พลังงาน ทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่ง (TR2) จะเปิดด้วยตัวต้านทานที่ตั้งค่าไว้ (RT) ทำให้อยู่ในสถานะอิ่มตัว (Saturation) และทำให้ทรานซิสเตอร์อีกตัว (TR1) ปิดลง ซึ่งแสดงถึงสถานะเสถียรของวงจรที่มีเอาท์พุตเป็นศูนย์

หากกระตุ้นด้วยพัลส์ลบ  ขอบเขตของพัลส์ที่ลดลงอย่างรวดเร็วจะลดถึงฐาน TR1 ทำให้มันเปิดทำงาน คอลเลกเตอร์ของ TR1 ที่เดิมอยู่ตรงแรงดันไฟฟ้า Vcc จะลดลง ทำให้มีการชาร์จย้อนกลับข้ามตัวเก็บประจุที่จับเวลา (CT) การกระทำนี้จะปิด TR2  ทำให้วงจรเข้าสู่สถานะไม่เสถียร มีแรงดันเอาท์พุตเท่ากับ Vcc

ตัวเก็บประจุจับเวลาจะค่อยๆ คายประจุผ่านตัวต้านทาน เพื่อเพิ่มแรงดันฐาน TR2 ทีละน้อย เมื่อแรงดันฐานถึงแรงดันไฟฟ้า Vcc  TR2 จะเริ่มทำงาน ทำให้ TR1 ปิดลง และวงจรจะกลับสู่สถานะเสถียรอัตโนมัติ รอพัลส์กระตุ้นครั้งต่อไป

Monostable Multivibrator สามารถผลิตพัลส์สั้น หรือรูปคลื่นสี่เหลี่ยมผืนผ้าได้ ขึ้นอยู่กับค่าคงที่เวลา RC ซึ่งสามารถปรับได้ โดยการเปลี่ยนค่า R และ C เพื่อผลิตพัลส์ที่มีเวลาหน่วงควบคุมได้

วงจร Monostable Multivibrator ที่ใช้ลอจิกเกต

Monostable Multivibrator สร้างได้โดยการใช้ลอจิกเกต เช่น เกต NOR มีวงจรพื้นฐานประกอบด้วยเกต NOR ที่มีอินพุต 2 ตัว ในขั้นต้น อินพุตกระตุ้นจะอยู่ในสถานะ LOW และเอาท์พุตของเกต NOR ตัวแรก (U1) จะอยู่ในสถานะ HIGH ตัวต้านทาน (RT) ที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าจะรักษาแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ (CT) ที่แรงดันเดียวกัน เอาท์พุตของเกต NOR ตัวที่สอง (U2) จะอยู่ในสถานะ LOW ซึ่งแสดงสถานะเสถียรของวงจร

เมื่อกระตุ้นพัลส์บวก เอาท์พุตของ U1 จะกลายเป็น LOW ทำให้ตัวเก็บประจุคายประจุ แผ่นของตัวเก็บประจุทั้งสองจะอยู่ที่ระดับลอจิก "0" ส่งผลให้เอาท์พุต U2 เป็น HIGH สร้างสถานะวงจรไม่เสถียร  ตัวเก็บประจุจะชาร์จผ่านตัวต้านทานจนกว่าแรงดันไฟฟ้าจะถึงเกณฑ์ขั้นต่ำของ U2 ซึ่งทำให้เอาท์พุตกลับไปเป็น LOW และวงจรกลับไปสู่สถานะเสถียร

Monostable Multivibrator ที่ใช้ IC 

เครื่องกำเนิดพัลส์ Monostable สามารถสร้างได้ โดยใช้วงจรรวม (IC) เช่น 74LS121 IC สามารถผลิตพัลส์เอาท์พุตได้ทั้งจากการกระตุ้นขอบขึ้น (rising-edge) หรือการกระตุ้นขอบตก(falling-edge) โดย IC 74LS121 สามารถสร้างความกว้างของพัลส์ได้ตั้งแต่ 10 นาโนวินาทีถึง 10 มิลลิวินาที ขึ้นกับค่าของส่วนประกอบการจับเวลา (RT และ CT) ที่เชื่อมต่อภายนอก

Monostable Multivibrator เป็นสิ่งสำคัญในวงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการสร้างพัลส์จับเวลาที่แม่นยำ ไม่ว่าจะใช้ส่วนประกอบแยกต่างหาก, ลอจิกเกต หรือวงจรรวม