เจาะลึก Astable Multivibrator: วงจรกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมสุดเบสิก ทำงานอย่างไรโดยไม่ต้องพึ่งทริกเกอร์?

Highlight

Astable Multivibrator หรือ Free-running Multivibrator คือวงจรกำเนิดสัญญาณชนิด Relaxation Oscillator (วงจรออสซิลเลเตอร์ที่สร้างสัญญาณจากการชาร์จและคายประจุของตัวเก็บประจุ) ซึ่งสามารถทำงานและสร้างสัญญาณได้เองอย่างต่อเนื่อง โดยไม่ต้องมีสัญญาณภายนอกมากระตุ้น

วงจรจะสลับสถานะ ON/OFF ไปมาอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าที่มีลักษณะเป็น คลื่นสี่เหลี่ยม (Square Wave) ออกมาอย่างสม่ำเสมอ

หลักการทำงานสำคัญอาศัย การชาร์จและคายประจุของตัวเก็บประจุ (Capacitor) ร่วมกับค่าความต้านทาน (Resistor) ภายในวงจร ซึ่งค่าของ R และ C จะมีผลต่อความถี่หรือความเร็วในการสลับสถานะของสัญญาณ

ด้วยคุณสมบัตินี้ Astable Multivibrator จึงนิยมนำไปประยุกต์ใช้ในงานต่าง ๆ เช่น วงจรไฟกะพริบ วงจรเสียงเตือน วงจรสร้างพัลส์ และวงจรกำหนดจังหวะเวลา (Timing Circuit)

พูดง่าย ๆ คือ วงจรนี้สามารถสร้างสัญญาณ ON/OFF สลับกันได้เองอย่างต่อเนื่อง โดยไม่ต้องมีสัญญาณ Trigger จากภายนอก

หลักการทำงาน Astable Multivibrator:

ในการออกแบบและศึกษาเกี่ยวกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ Astable Multivibrator ถือเป็นหนึ่งในวงจรพื้นฐานที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยวงจรชนิดนี้มีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Free-running Multivibrator (วงจรสร้างสัญญาณอิสระ) เนื่องจากตัววงจรจะสร้างสัญญาณเอาต์พุตสลับไปมาระหว่างระดับแรงดันไฟฟ้าสองระดับได้อย่างต่อเนื่องโดยที่ไม่ต้องมีสัญญาณอินพุตจากภายนอกมาคอยกระตุ้นเลย
ในบทความนี้ เราจะมาทำความเข้าใจโครงสร้าง หลักการทำงานทีละขั้นตอน และลักษณะของสัญญาณเอาต์พุตที่ได้จากวงจรนี้กันครับ

โครงสร้างพื้นฐานของวงจร Astable Multivibrator

หากพิจารณาโครงสร้างภาพรวมดังแสดงใน รูปที่ 1 ตัววงจรจะประกอบด้วยวงจรขยายสัญญาณ 2 ชุดที่เชื่อมต่อกันในลักษณะป้อนกลับเชิงบวก (Regenerative Feedback)

อุปกรณ์หลักๆ ในวงจรประกอบด้วย:

• ทรานซิสเตอร์ ( ${\large Q_1}$, $\large Q_2$ ) : สลับกันทำหน้าที่นำกระแส (ON / Saturated) และหยุดนำกระแส (OFF / Cutoff)
• ตัวเก็บประจุ ( $\large C_1, C_2$ ) และ ตัวต้านทาน ( $\large R_2, R_3$ ) : กำหนดช่วงเวลาในการสลับสถานะ
• จุดสังเกตสำคัญ: วงจรนี้มีจุดต่อเอาต์พุต 2 ช่อง (Output 1 และ Output 2) แต่ไม่มีอินพุตป้อนเข้ามาเลย

วงจรเริ่มทำงานได้อย่างไร?

เนื่องจากวงจรถูกออกแบบให้มีความสมมาตร (Symmetrical) กล่าวคือ $\large R_2 = R_3, C_1 = C_2$ และ $\large Q_1 = Q_2$เมื่อเราจ่ายไฟเข้าวงจร จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะระบุได้แน่นอนว่าทรานซิสเตอร์ตัวใดจะเริ่มนำกระแสก่อน
เพื่อประโยชน์ในการวิเคราะห์วงจร เราจะสมมติให้ $\large Q_1$ เริ่มทำงานจนอิ่มตัว (Saturate) และ $\large Q_2$ หยุดนำกระแส (Cutoff) ทันทีที่จ่ายไฟเข้าวงจร

ขั้นตอนที่ 1: ช่วงเวลาที่ Q1 นำกระแส (Q1 Saturated)

พิจารณาสภาวะจาก Q1 นำกระแส :

1. การไหลของกระแส: กระแสหลักทั้งหมดในวงจรจะไหลผ่าน $\large Q_1$ เนื่องจาก $\large Q_1$ อยู่ในสภาวะอิ่มตัว จึงแทบไม่มีความต้านทานต่อการไหลของกระแส
2. การชาร์จของ $\large \textbf Q_1$ : ตัวเก็บประจุ $\large C_1$ จะเริ่มทำการประจุไฟฟ้า (Charge) โดยอัตราเร็วในการชาร์จของ $\large C_1$ จะขึ้นอยู่กับค่าคงที่เวลา (Time Constant) ของคู่ $\large R_2$และ $\large C_1$ ตามสูตร
   
   $\large \mathbf {\tau = RC}$
   
3. การเพิ่มขึ้นของแรงดันที่เบส $\large \textbf Q_2$ : เมื่อ $\large Q_1$ นำกระแส กระแสไฟจะไหลผ่าน $\large R_2$ เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุ $\large C_1$ทำให้แรงดันไฟฟ้าคร่อม $\large C_1$ ค่อย ๆ เพิ่มขึ้น ดังนั้นแรงดันที่ด้านซึ่งต่อกับขาเบส (Base) ของ $\large Q_2$ จึงค่อย ๆ สูงขึ้นเป็นบวกเรื่อย ๆ จนมากพอที่จะทำให้ Q2 เริ่มนำกระแส
4. ถึงจุดที่ $\large \textbf Q_2$เปิดการทำงาน: เมื่อเวลาผ่านไปตามค่าคงที่เวลา $\large R_2$$\large C_1$ แรงดันบวกที่ขาเบสของ $\large Q_2$ จะสูงพอที่จะทำให้ $\large Q_2$ เปลี่ยนสถานะจากหยุดนำกระแส (Cutoff) มาเป็นเริ่มนำกระแส (Saturated)

ขั้นตอนที่ 2: สลับสภาวะไปยัง Q2 (Q2 Saturated)

เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ฝั่งขวาของ $\large C_1$ สูงขึ้นจนกระตุ้นให้ $\large Q_2$ เริ่มนำกระแส เหตุการณ์ถัดไปจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเกือบจะทันที ดังแสดงใน รูปที่ 3:

1. $\large \textbf Q_2$ อิ่มตัว: $\large Q_2$ นำกระแสและเข้าสู่สภาวะอิ่มตัว (Saturate) อย่างรวดเร็ว ทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ Output 2 ตกลงจากประมาณ $\large V_{CC}$ ไปอยู่ที่ประมาณ 0 โวลต์
2. $\large \textbf Q_1$ หยุดนำกระแส: เมื่อ $\large Q_2$ เริ่มนำกระแส แรงดันที่เอาต์พุตจะลดลงอย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้แรงดันที่ขาเบสของ $\large Q_1$ ลดลงตามผ่านการทำงานของตัวเก็บประจุ $\large C_2$ ส่งผลให้ $\large Q_1$ หยุดนำกระแส (Cutoff) ทันที
3. สถานะของทรานซิสเตอร์สลับกัน: เมื่อ $\large Q_2$นำกระแส วงจรจะเข้าสู่อีกสถานะหนึ่ง ซึ่งเป็นตรงข้ามกับช่วงก่อนหน้า โดยตอนนี้ $\large Q_1$ หยุดนำกระแส (Cutoff) ขณะที่ $\large Q_2$ นำกระแสเต็มที่ (Saturation)
4. การชาร์จของ $\large \textbf C_2$ : ฝั่งซ้ายของตัวเก็บประจุ $\large C_2$ จะเริ่มสะสมแรงดันบวกเพิ่มขึ้นด้วยอัตราเร็วที่กำหนดโดยค่าคงที่เวลา $\large R3C2$
5. วนกลับสภาวะเดิม: เมื่อขาเบสของ $\large Q_1$ มีแรงดันบวกสูงพอ $\large Q_1$ จะกลับมานำกระแส (Saturate) อีกครั้ง และดันให้ $\large Q_2$ กลับไปอยู่ในสถานะ Cutoff วงจรจะสลับไปมาเช่นนี้เรื่อยๆ ตราบใดยังมีไฟเลี้ยง

---

หากเรานำออสซิลโลสโคปไปจับสัญญาณที่เอาต์พุตของทรานซิสเตอร์ ดังเช่นสัญญาณจาก Q2 ในรูปที่ 4 จะพบว่า:
– แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจะแกว่งสลับไปมาระหว่างประมาณ 0 โวลต์ กับ $\large V_{CC}$ โดยจะแช่อยู่ในแต่ละระดับแรงดันเป็นระยะเวลาหนึ่งที่แน่นอน
– รูปแบบคลื่น: สัญญาณที่ได้จะมีลักษณะเป็น คลื่นรูปสี่เหลี่ยม (Square Wave หรือ Rectangular Wave)

การประยุกต์ใช้งาน:
◦ หากวงจรถูกออกแบบให้ช่วงเวลาที่แรงดันอยู่ในระดับสูง($\large V_{CC}$) เท่ากับช่วงเวลาของแรงดันต่ำ (0 โวลต์) จะได้ Duty Cycle 50%
◦ หากต้องการให้ช่วงเวลาในระดับสูงและระดับต่ำแตกต่างกัน สามารถปรับค่าของตัวต้านทาน R และตัวเก็บประจุ C เพื่อกำหนดช่วงเวลาของแต่ละระดับได้ตามต้องการ

การคำนวณคาบเวลาและความถี่ (Time Period and Frequency)

วงจร Astable Multivibrator จะสลับการทำงานระหว่างทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัว โดยในแต่ละช่วงเวลาจะมีทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวนำกระแส ขณะที่อีกตัวหยุดนำกระแส

ระยะเวลาที่วงจรอยู่ในแต่ละสถานะจะขึ้นอยู่กับการชาร์จของตัวเก็บประจุผ่านตัวต้านทาน โดยสามารถคำนวณได้จากค่า RC ดังนี้:

• ระยะเวลาที่ $\large Q_1$นำกระแส (t1​):
  $\large t_1 = 0.69 \times C_1 \times R_2$
  
• ระยะเวลาที่ $\large Q_2$นำกระแส (t2​):
  $\large t_2 = 0.69 \times C_2 \times R_3$

เมื่อครบทั้งสองช่วง จะถือว่าวงจรทำงานครบหนึ่งรอบ ดังนั้นคาบเวลาของสัญญาณคือ:

• คาบเวลาของสัญญาณ ($\large \textbf T$):
  
  $\large T = t_1 + t_2$

หากกำหนดให้ $\large C_1 = C_2 = C$ และ $\large R_2 = R_3 = R$ทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวจะนำกระแสเป็นระยะเวลาเท่ากัน ทำให้สัญญาณเอาต์พุตมีช่วง High และ Low เท่ากัน หรือเรียกว่า สัญญาณแบบสมมาตร (Symmetrical Waveform) และสูตรคำนวณความถี่

$\Huge {f = \frac{1}{T} = \frac{1}{1.38 \times R \times C}}$

หมายเหตุ:
$\large R$ มีหน่วยเป็น โอห์ม $\large (\Omega)$
$\large C$ มีหน่วยเป็น ฟารัด $\large(F)$
$\large T$ มีหน่วยเป็น วินาที$\large (s)$
$\large f$ มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ ($\large Hz$)

หากกำหนดให้ $\large C_1 \neq C_2$​ และ/หรือ $\large R_2 \neq R_3$ ทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวจะนำกระแสเป็นระยะเวลาไม่เท่ากัน ทำให้สามารถกำหนด Duty Cycle ของสัญญาณเอาต์พุตได้ ดังแสดงในรูปที่ 6

Bunpajarn Insight

จุดเด่นสำคัญของ Astable Multivibrator คือความง่ายและประหยัด เนื่องจากใช้อุปกรณ์พื้นฐานเพียงทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุ ก็สามารถสร้างวงจรกำเนิดความถี่สี่เหลี่ยมได้ทันทีโดยไม่ต้องพึ่งพาไอซีซับซ้อน เหมาะมากสำหรับงานไฟกระพริบ วงจรเสียงสัญญาณเตือน หรือใช้เป็น Clock สำหรับวงจรดิจิทัลระดับเริ่มต้น อย่างไรก็ตาม วงจรนี้มีข้อจำกัดด้านความแม่นยำสูง เพราะความถี่ขึ้นอยู่กับค่า R และ C ซึ่งมีความคลาดเคลื่อนตามอุณหภูมิและคุณภาพของอุปกรณ์ค่อนข้างมาก อีกทั้งรูปคลื่นตรงขา Collector มักไม่เป็นสี่เหลี่ยมแบบคมกริบเนื่องจากจังหวะชาร์จประจุ หากนำไปใช้ในงานที่ต้องการความถี่เสถียรสูงหรือต้องการสัญญาณนาฬิกาเป๊ะๆ การขยับไปใช้ไอซีสำเร็จรูปอย่าง IC 555 หรือวงจร Crystal Oscillator จะตอบโจทย์ได้สมบูรณ์แบบกว่า

Written by Pawinphat Charoenrat

Reference :
Electronics-tutorials.ws
Ecstudiosystems.com

---

Bunpajarn | Learn • Share • Grow Together.
พื้นที่สำหรับคนที่รักและสนใจ Electronics & Embedded