Les circuits de commutation régénérative tels que le multivibrateur astable sont le type d’oscillateur de relaxation le plus couramment utilisé car, en plus d’être simples, fiables et faciles à construire, ils produisent également une forme d’onde carrée de sortie constante.

Contrairement au multivibrateur monostable ou au multivibrateur bistable que nous avons étudiés dans les tutoriels précédents et qui requièrent une impulsion de déclenchement « externe » pour fonctionner, le multivibrateur astable dispose d’un déclenchement automatique intégré qui permet de le commuter en continu entre ses deux états instables, à la fois défini et réinitialisé.

Le multivibrateur astable est un autre type de circuit de commutation à transistors couplés en croix qui n’a AUCUN état de sortie stable puisqu’il change constamment d’un état à l’autre. Le circuit astable se compose de deux transistors de commutation, d’un réseau de rétroaction couplé en croix et de deux condensateurs de retard qui permettent l’oscillation entre les deux états sans déclenchement externe pour produire le changement d’état.

Dans les circuits électroniques, les multivibrateurs astables sont également connus sous le nom de multivibrateurs fonctionnant librement car ils ne nécessitent aucune entrée supplémentaire ou assistance externe pour osciller. Les oscillateurs astables produisent une onde carrée continue à partir de leur sortie (deux sorties sans entrées), qui peut ensuite être utilisée pour faire clignoter des lumières ou produire un son dans un haut-parleur.

Circuit de Multivibrateur Astable de Base

Supposons une alimentation de 6 volts et que le transistor TR₁ vient de passer « OFF » (coupé) et que sa tension de collecteur augmente vers Vcc; pendant ce temps, le transistor TR₂ vient de s’allumer. La plaque « A » du condensateur C1 augmente également vers le rail d’alimentation de +6 volts de Vcc car elle est connectée au collecteur de TR₁, qui est maintenant coupé. Étant donné que TR₁ est en coupure, il ne conduit aucun courant, donc il n’y a aucune chute de tension à travers la résistance de charge R₁.

L’autre plaque du condensateur, la plaque « B », est connectée à la borne de base du transistor TR₂ et se situe à 0.6v car le transistor TR₂ est en conduction (saturation). Par conséquent, le condensateur C1 a une différence de potentiel de +5.4 volts à travers ses plaques, (6.0 – 0.6v) du point A au point B.

Étant donné que TR₂ est totalement activé, le condensateur C₂ commence à se charger à travers la résistance R₂ vers Vcc. Lorsque la tension à travers le condensateur C₂ augmente au-delà de 0.6v, cela polarise le transistor TR₁ en conduction et en saturation.

Le moment où le transistor TR₁ s’allume, la plaque « A » du condensateur, qui était initialement à potentiel Vcc, tombe immédiatement à 0.6 volts. Cette chute rapide de tension sur la plaque « A » entraîne une baisse égale et instantanée de la tension sur la plaque « B », entraînant ainsi une chute de la plaque « B » de C1 jusqu’à -5.4v (une charge inverse) et cette oscillation négative est appliquée à la base de TR₂, le mettant en statut « OFF » total. C’est un état instable.

Le transistor TR₂ est amené en coupure, donc le condensateur C1 commence maintenant à se charger dans la direction opposée à travers la résistance R3, qui est également connectée au rail d’alimentation de +6 volts, Vcc. Ainsi, la base du transistor TR₂ se déplace à une direction positive vers Vcc avec une constante de temps égale à la combinaison C1 x R3.

Cependant, il n’atteint jamais la valeur de Vcc car dès qu’il passe à 0.6 volts positifs, le transistor TR₂ se met entièrement « ON » en saturation. Cette action redémarre tout le processus, mais maintenant avec le condensateur C2 prenant la base du transistor TR₁ à -5.4v pendant sa charge à travers la résistance R2 et entre dans le deuxième état instable.

On peut alors voir que le circuit alterne entre un état instable dans lequel le transistor TR₁ est « OFF » et le transistor TR₂ est « ON », et un second instable où TR₁ est « ON » et TR₂ est « OFF » à un rythme déterminé par les valeurs RC. Ce processus se répète indéfiniment tant que la tension d’alimentation est présente.

L’amplitude de la forme d’onde de sortie est d’environ la même valeur que la tension d’alimentation, Vcc, avec la période de chaque état de commutation déterminée par la constante de temps des réseaux RC connectés aux bornes de base des transistors. Comme les transistors alternent entre les états « ON » et « OFF », la sortie à chaque collecteur sera une onde carrée avec des coins légèrement arrondis en raison du courant qui charge les condensateurs. Cela pourrait être corrigé en utilisant plus de composants, comme nous en discuterons plus tard.

Si les deux constantes de temps produites par C2 x R2 et C1 x R3 dans les circuits de base sont les mêmes, le rapport marque-à-espace ( t1/t2 ) sera de un à un, ce qui rendra la forme d’onde de sortie symétrique. En variant les condensateurs, C1, C2 ou les résistances R2, R3, le rapport marque-à-espace et donc la fréquence peuvent être modifiés.

Temps Périodique des Multivibrateurs Astables

Où R est en Ω et C en Farads.

En modifiant la constante de temps d’un seul réseau RC, le rapport marque-à-espace et la fréquence de l’onde de sortie peuvent être changés, mais normalement en changeant les deux constantes de temps RC en même temps, la fréquence de sortie sera modifiée tout en maintenant les rapports marque-à-espace à un à un.

Si la valeur du condensateur C1 est égale à la valeur du condensateur C2, C1 = C2, et que la valeur de la résistance de base R2 est égale à la valeur de la résistance de base R3, R2 = R3, alors la durée totale du cycle des multivibrateurs est donnée ci-dessous pour une forme d’onde de sortie symétrique.

Fréquence de l’Oscillation

Où R est en Ω, C est en Farads, T est en secondes et ƒ est en Hertz.

et cela est connu comme la “Fréquence de Répétition d’Impulsions”. Ainsi, les multivibrateurs astables peuvent produire DEUX formes d’onde carrées très courtes à partir de chaque transistor ou une sortie rectangulaire beaucoup plus longue, soit symétrique soit non-symétrique selon la constante de temps du réseau RC tel que montré ci-dessous.

Formes d’Ondes du Multivibrateur Astable

Exemple de Multivibrateur Astable n°1

Un circuit de multivibrateurs astables est nécessaire pour produire une série d’impulsions à une fréquence de 500 Hz avec un rapport marque-à-espace de 1:5. Si R2 = R3 = 100kΩ, calculez les valeurs des condensateurs, C1 et C2 nécessaires.

Et en réarrangeant la formule ci-dessus pour le temps périodique, les valeurs des condensateurs nécessaires pour donner un rapport marque-à-espace de 1:5 sont données comme suit :

Les valeurs de 4.83nF et 24.1nF respectivement sont des valeurs calculées, donc nous devrions choisir les valeurs préférées les plus proches pour C1 et C2, en tenant compte de la tolérance des condensateurs. En fait, en raison de la large gamme de tolérances associées au humble condensateur, la fréquence de sortie réelle peut différer de ±20% (de 400 à 600 Hz dans notre exemple simple) de la fréquence réelle nécessaire.

Si nous souhaitons que la forme d’onde astable de sortie soit non symétrique pour une utilisation dans des circuits de temporisation ou de verrouillage, etc., nous pourrions calculer manuellement les valeurs de R et C pour les composants individuels comme nous l’avons fait dans l’exemple ci-dessus.

Cependant, lorsque les deux résistances de temporisation et les condensateurs ont tous deux la même valeur, nous pouvons nous faciliter un peu la tâche en utilisant des tableaux de temporisation. Les tableaux de temporisation montrent les fréquences calculées du multivibrateur astable pour différentes combinaisons ou valeurs de R et C pertinentes à notre circuit. Par exemple :

Tableau de Fréquence du Multivibrateur Astable

Les tableaux de fréquence pré-calculés peuvent être très utiles pour déterminer les valeurs requises de R et C pour une fréquence de sortie symétrique particulière sans avoir à recalculer chaque fois qu’une fréquence différente est requise.

En modifiant les deux résistances fixes, R₂ et R₃, par un potentiomètre double ganged et en conservant les valeurs des condensateurs, la fréquence de sortie des multivibrateurs astables peut être plus facilement « accordée » pour donner une valeur de fréquence particulière ou compenser les tolérances des composants utilisés.

Par exemple, en sélectionnant une valeur de condensateur de 10nF dans le tableau ci-dessus. En utilisant un potentiomètre de 100kΩ pour notre résistance, nous obtiendrions une fréquence de sortie qui peut être complètement ajustée de légèrement au-dessus de 71.4kHz jusqu’à 714Hz, soit une plage de fréquence de 3 décennies. De même, une valeur de condensateur de 47nF donnerait une plage de fréquence de 152Hz à bien plus de 15kHz.

Exemple de Multivibrateur Astable n°2

Un circuit de multivibrateur astable est construit avec deux condensateurs de temporisation de valeur égale de 3.3μF et deux résistances de base de valeur 10kΩ. Calculez les fréquences minimales et maximales d’oscillation si un potentiomètre double-gang de 100kΩ est connecté en série avec les deux résistances.

Avec le potentiomètre à 0%, la valeur de la résistance de base est égale à 10kΩ.

Avec le potentiomètre à 100%, la valeur de la résistance de base est égale à 10kΩ + 100kΩ = 110kΩ.

La fréquence de sortie d’oscillation pour le multivibrateur astable peut donc varier entre 2.0 et 22 Hertz.

Lors de la sélection des valeurs de résistance et de capacité pour un fonctionnement fiable, les résistances de base doivent avoir une valeur permettant au transistor de s’allumer totalement « ON » lorsque l’autre transistor est « OFF ». Par exemple, considérons le circuit ci-dessus. Lorsque le transistor TR₂ est totalement « ON » (saturation), presque la même tension est chutée à travers la résistance R3 et la résistance R4.

Si le transistor utilisé a un gain de courant β de 100 et que la résistance de charge de collecteur R4 est égale à 1kΩ, la valeur maximale de la résistance de base serait par conséquent de 100kΩ. Toute valeur plus élevée et le transistor pourrait ne pas s’allumer complètement, entraînant des résultats erratiques du multivibrateur, voire l’absence d’oscillation. De même, si la valeur de la résistance de base est trop faible, le transistor peut ne pas se couper « OFF » et le multivibrateur ne s’oscillera pas non plus.

Un signal de sortie peut être obtenu à partir de la borne collecteur de n’importe quel transistor dans le circuit des Multivibrateurs Astables, chaque forme d’onde de sortie étant le miroir de soi-même. Nous avons vu ci-dessus que le bord montant de la forme d’onde de sortie est légèrement arrondi et non carré, en raison des caractéristiques de charge du condensateur dans le circuit couplé en croix.

Mais nous pouvons introduire un autre transistor dans le circuit qui produira une impulsion de sortie presque parfaite et qui pourra également être utilisé pour commuter des charges de courant plus élevées ou des charges de faible impédance telles que des LED ou des haut-parleurs, etc., sans affecter le fonctionnement du véritable multivibrateur astable.

Cependant, l’inconvénient à cela est que la forme d’onde de sortie n’est pas parfaitement symétrique car le transistor supplémentaire produit un très léger retard. Considérez les deux circuits ci-dessous.

Circuit de Pilotage des Multivibrateurs Astables

Une sortie avec un bord montant carré est désormais produite par le troisième transistor, TR₃, connecté à l’émetteur du transistor TR₂. Ce troisième transistor commute « ON » et « OFF » en synchronisation avec le transistor TR₂. Nous pouvons utiliser ce transistor supplémentaire pour commuter des diodes électroluminescentes, des relais ou pour produire un son à partir d’un transducteur sonore tel qu’un haut-parleur ou un émetteur piezoélectrique, comme montré ci-dessus.

La résistance de charge, R_x, doit être choisie adéquatement pour tenir compte des chutes de tension directes et pour limiter le courant maximum à environ 20mA pour le circuit LED ou pour donner une impédance de charge totale d’environ 100Ω pour le circuit du haut-parleur. Le haut-parleur peut avoir n’importe quelle impédance inférieure à 100Ω.

En connectant un transistor supplémentaire, TR₄, au circuit de l’émetteur de l’autre transistor, TR₁, de manière similaire, nous pouvons produire un circuit de multivibrateur astable qui fera clignoter deux ensembles de lumières ou LED d’un à l’autre à un rythme déterminé par la constante de temps du réseau de temporisation RC.

Dans le prochain tutoriel sur les Formes d’Onde et les Signaux, nous examinerons les différents types de multivibrateurs astables qui sont utilisés pour produire une forme d’onde de sortie continue. Ces circuits, connus sous le nom d’oscillateurs de relaxation, produisent soit une onde carrée soit une onde rectangulaire à leurs sorties pour utilisation dans des circuits séquentiels en tant que pulse d’horloge ou signal de temporisation. Ces types de circuits sont appelés Générateurs de Formes d’Onde.