การทำความเข้าใจและการใช้งานวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์

วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ (Astable Multivibrator) เป็นออสซิลเลเตอร์ที่ทำงานต่อเนื่อง โดยสลับระหว่างสองสถานะอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างเอาต์พุตเป็นรูปคลื่นสี่เหลี่ยม วงจรนี้ยังรู้จักกันในชื่อ ออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลาย (Relaxation Oscillator) และเป็นวงจรที่ได้รับความนิยมอย่างมากเนื่องจากมีความเรียบง่าย น่าเชื่อถือ และสร้างได้ไม่ยาก ไม่เหมือนกับ วงจรมัลติไวเบรเตอร์แบบโมโนสเตเบิลหรือบิสเตเบิล ที่ต้องใช้ทริกเกอร์จากภายนอก วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์มีทริกเกอร์อัตโนมัติในตัวที่ช่วยให้วงจรสามารถสลับระหว่างสองสถานะที่ไม่เสถียรได้เอง

การออกแบบและการทำงานของวงจร

วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ประกอบด้วย ทรานซิสเตอร์ สองตัวที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ โดยมีการต่อข้ามกันผ่านเครือข่ายฟีดแบ็ค และใช้ ตัวเก็บประจุ สองตัวในการหน่วงเวลา วงจรนี้ไม่มีสถานะเอาต์พุตที่เสถียร และสามารถสลับระหว่างสองสถานะได้โดยไม่ต้องพึ่งพาทริกเกอร์ภายนอก

ทรานซิสเตอร์ ทั้งสองตัวในวงจรสามารถเป็นแบบ NPN หรือ PNP และถูกปรับให้ทำงานในช่วงเชิงเส้น โดยมีฟีดแบ็คบวก 100% เมื่อทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งเปิดเต็มที่ (saturated) อีกตัวหนึ่งจะปิดสนิท (cut-off) การสลับสถานะจะถูกขับเคลื่อนโดยการคายประจุของ ตัวเก็บประจุ ผ่าน ตัวต้านทาน

ตัวอย่างวงจรและการทำงาน

ให้พิจารณาวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ที่ใช้แหล่งจ่ายไฟ 6V เมื่อ ทรานซิสเตอร์ TR1 ปิดลง แรงดันไฟฟ้าที่ ตัวสะสม จะเพิ่มขึ้นไปที่ Vcc ขณะที่ ทรานซิสเตอร์ TR2 เปิดอยู่ เนื่องจาก TR1 อยู่ในสถานะตัดการทำงาน กระแสไฟฟ้าจะไม่ไหลผ่าน ตัวต้านทานโหลด R1 ทำให้ ตัวเก็บประจุ C1 เริ่มชาร์จและเกิดความต่างศักย์ระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุ ในขณะเดียวกัน TR2 ที่เปิดอยู่จะทำให้ ตัวเก็บประจุ C2 ชาร์จผ่าน ตัวต้านทาน R2

เมื่อแรงดันไฟฟ้าข้าม C2 เกิน 0.6V จะทำให้ TR1 เริ่มนำกระแสและเข้าสู่สถานะอิ่มตัว เมื่อ TR1 เปิด แรงดันไฟฟ้าบนแผ่น "A" ของตัวเก็บประจุ C1 ที่เคยอยู่ที่ Vcc จะลดลงอย่างรวดเร็ว ทำให้แรงดันไฟฟ้าบนแผ่น "B" ของ C1 ลดลงตามไปด้วย แรงดันไฟฟ้าที่ลดลงนี้ทำให้ TR2 ปิด และวงจรจะสลับสถานะอีกครั้งเมื่อตัวเก็บประจุ C1 เริ่มชาร์จในทิศทางตรงกันข้ามผ่าน ตัวต้านทาน R3

กระบวนการสลับสถานะนี้ทำให้วงจรสลับระหว่างสองสถานะที่ไม่เสถียร โดย TR1 และ TR2 จะเปิดและปิดสลับกัน อัตราการสลับของวงจรถูกกำหนดโดยค่าเวลาคงที่ของ RC คลื่นเอาต์พุตมีความกว้างใกล้เคียงกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย Vcc และมีลักษณะเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีขอบโค้งเล็กน้อยเนื่องจากการชาร์จของตัวเก็บประจุ

การปรับคลื่นเอาต์พุต

คลื่นเอาต์พุตสามารถทำให้สมมาตรหรือไม่สมมาตรได้ ขึ้นอยู่กับค่าเวลาคงที่ของเครือข่าย RC หากค่าเวลาคงที่ของ C2 x R2 และ C1 x R3 เท่ากัน อัตราส่วนระหว่างช่วงเปิดกับช่วงปิดของคลื่นจะเป็น 1:1 ทำให้คลื่นมีความสมมาตร การปรับเปลี่ยนค่าตัวเก็บประจุหรือตัวต้านทานสามารถเปลี่ยนความถี่และรูปร่างของคลื่นเอาต์พุตได้

ตัวอย่างเช่น หากต้องการสร้างพัลส์ที่ความถี่ 500Hz ด้วยอัตราส่วนช่วงเปิดต่อช่วงปิดเป็น 1:5 โดยมีค่า R2 = R3 = 100kΩ ค่า C1 และ C2 ที่ต้องการสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรเวลาคาบ ซึ่งค่า C1 และ C2 ที่คำนวณได้อาจเป็น 4.83nF และ 24.1nF ตามลำดับ แต่ค่าดังกล่าวอาจต้องปรับให้ใกล้เคียงกับค่าที่มีขายทั่วไปเพื่อชดเชยความคลาดเคลื่อนของอุปกรณ์

ตารางความถี่ที่คำนวณไว้ล่วงหน้า สามารถช่วยในการหาค่า R และ C ที่ต้องการสำหรับความถี่เอาต์พุตที่สมมาตร โดยไม่ต้องคำนวณใหม่ทุกครั้ง ตารางเหล่านี้ช่วยให้ง่ายต่อการปรับจูนวงจร โดยเฉพาะเมื่อใช้ โพเทนชิโอมิเตอร์แบบแกนคู่ ในการปรับความถี่เอาต์พุตในช่วงกว้าง

การใช้งานในทางปฏิบัติ: โพเทนชิโอมิเตอร์แบบแกนคู่

การใช้โพเทนชิโอมิเตอร์แบบแกนคู่ทำให้สามารถปรับความถี่เอาต์พุตของวงจรอะสเตเบิลมัลติ          ไวเบรเตอร์ได้อย่างง่ายดาย โดยการเปลี่ยนค่าความต้านทานในเครือข่าย RC  ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ตัวเก็บประจุ 3.3uF สองตัวและตัวต้านทาน 10kΩ สองตัว ความถี่ของการสลับสามารถปรับได้ตั้งแต่ 2Hz ถึง 22Hz โดยการปรับโพเทนชิโอมิเตอร์ ทำให้สามารถควบคุมความถี่เอาต์พุตได้อย่างแม่นยำ ซึ่งมีประโยชน์ในแอปพลิเคชันต่าง ๆ เช่น การจับเวลาหรือการสร้างสัญญาณ

การปรับปรุงสัญญาณเอาต์พุต

สัญญาณเอาต์พุตสามารถดึงมาจากตัวสะสมของทรานซิสเตอร์ ใดก็ได้ในวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ โดยคลื่นเอาต์พุตแต่ละคลื่นจะเป็นภาพสะท้อนของกันและกัน อย่างไรก็ตาม คลื่นอาจมีขอบที่โค้งเล็กน้อย ซึ่งสามารถทำให้คมชัดขึ้นได้โดยการเพิ่มอุปกรณ์เพิ่มเติม เช่น การเพิ่มทรานซิสเตอร์ตัวที่สามในวงจรเพื่อสร้างพัลส์เอาต์พุตที่มีลักษณะเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมมากขึ้น ซึ่งจะเป็นประโยชน์สำหรับการสวิตช์โหลดกระแสสูงหรือโหลดที่มีความต้านทานต่ำ เช่น ไฟ LED หรือลำโพง

แม้ว่าทรานซิสเตอร์ตัวที่สามจะช่วยปรับปรุงสัญญาณเอาต์พุต แต่ก็อาจทำให้เกิดความล่าช้าเล็กน้อย ทำให้คลื่นไม่สมมาตร การเลือกตัวต้านทานโหลดที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อลดกระแสสำหรับไฟ LED หรือให้ความต้านทานที่เหมาะสมสำหรับลำโพง

สรุป

วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์เป็นส่วนประกอบที่มีความหลากหลายในการใช้งานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ สามารถผลิตคลื่นสี่เหลี่ยมต่อเนื่องได้โดยไม่ต้องพึ่งพาทริกเกอร์ภายนอก การเข้าใจการทำงานของวงจร การปรับคลื่นเอาต์พุต และการปรับปรุงคุณภาพสัญญาณเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพ ไม่ว่าจะเป็นในวงจรไฟกระพริบแบบง่าย ๆ หรือในแอปพลิเคชันที่ซับซ้อน เช่น การจับเวลาหรือการสร้างสัญญาณ