マルチバイブレータ

マルチバイブレータとは

マルチバイブレータは、2つの能動素子（トランジスタや真空管）を抵抗とコンデンサで組み合わせた電子回路であり、その名の通り、複数の安定状態を持ちます。主に発振回路、タイマー、ラッチ、フリップフロップなどの機能を実現するために利用されます。1919年にウィリアム・エクルズとF・W・ジョーダンによって考案されたこの回路は、電子工学の基礎をなす重要な回路の一つです。

マルチバイブレータの種類

マルチバイブレータは、その安定状態によって大きく3つのタイプに分類できます。

1. 非安定（無安定）マルチバイブレータ (Astable Multivibrator)
- このタイプの回路は、安定した状態を保持せず、2つの状態を交互に遷移し続けることで発振します。矩形波を生成するため、発振回路として広く利用されます。矩形波は多くの倍音成分を含むため、その名前の由来となっています。

2. 単安定マルチバイブレータ (Monostable Multivibrator)
- この回路は、通常は安定した状態にありますが、外部からのトリガー信号によって一時的に不安定な状態に遷移します。不安定な状態は一定時間経過後に安定状態に戻るため、ワンショットパルス発生回路やチャタリング対策などに用いられます。

3. 双安定マルチバイブレータ (Bistable Multivibrator)
- この回路は、2つの安定状態を持ち、外部からのトリガー信号によって一方の状態から他方の状態へと遷移します。ラッチやフリップフロップとして機能し、レジスタや記憶装置の基本要素として重要な役割を果たします。

マルチバイブレータの基本構造

最も単純なマルチバイブレータ回路は、2つのトランジスタをたすきがけに接続し、抵抗器とコンデンサの組み合わせによって各状態の持続時間を決定します。回路がシンプルであるため、タイミングの精度はそれほど高くありませんが、その汎用性の高さから多くの用途で利用されています。

非安定マルチバイブレータの詳細

回路構成

非安定マルチバイブレータの典型的な回路は、2つのトランジスタと、複数の抵抗、コンデンサで構成されます。この回路では、トランジスタが交互にON/OFFを繰り返すことで発振が起こります。

例えば、以下のような値の部品を用いることで、約100Hzの周波数を得ることができます。

• - R1, R4: 4.7kΩ
• - R2, R3: 100kΩ
• - C1, C2: 0.068μF
• - Q1, Q2: 2SC1815または同等のNPNトランジスタ

基本動作

この回路では、常にどちらかのトランジスタがONになり、もう一方がOFFになる状態が繰り返されます。初期状態としてQ1がON、Q2がOFFだと仮定すると、以下のような動作が繰り返されます。

状態1

• - Q1がONのため、R1の下端はほぼ接地状態。
• - R3はQ1のベースを引き上げようとするが、ベース・エミッタ間のPN接合により、電圧は0.6V以上に上がらない。
• - Q2がOFFのため、R4はC2の右端を充電し、電源電圧に近い電圧まで上昇させる。
• - C1はR2によって充電され、Q2のベース電圧は徐々に上昇し、0.6Vに達するとQ2がONになる。

状態2

• - Q2がONになると、C2の右端電圧がほぼ0Vまで下がる。
• - C2の左端の電圧は、変化を維持しようとしてマイナス側に下がる。
• - Q1のベース電圧が0.6V未満になり、Q1がOFFになる。
• - R1はC1の左端を充電し、電源電圧に近い電圧まで上昇させる。
• - C2の左端はR3によって充電され、Q1のベース電圧は徐々に上昇し、0.6Vに達するとQ1がONになる。

この動作が繰り返されることで発振が発生します。

発振周波数

マルチバイブレータの各半周期は、以下の式で表されます。


t = ln(2) R C


全体の周期は、以下のようになります。


T = t1 + t2 = ln(2) R2 C1 + ln(2) R3 C2


発振周波数fは、以下のようになります。


f = 1 / T ≈ 1 / (0.693 (R2 C1 + R3 C2))


特別なケースとして、t1 = t2、R2 = R3、C1 = C2の場合、発振周波数は次の式で近似できます。


f ≈ 0.721 / (R C)

電源投入時の動作

電源投入時には、トランジスタが両方ともOFFの状態ですが、わずかな非対称性からどちらかのトランジスタが先にONになり、発振が開始されます。しかし、まれに両方のコンデンサが完全に充電されるまで、両方のベース電圧が高いままになり、安定状態に陥る場合があります。特に、RとCの値が小さく、外乱要素がない場合に発生しやすいです。

発振周期の変動要因

発振周期は、各状態の持続時間がコンデンサの充電時間によって決まるため、コンデンサの初期状態（充電量）、抵抗値、電源電圧、温度などの影響を受けます。このため、特に高精度な発振が必要な場合には、他のタイプの発振回路が利用されます。

保護部品

トランジスタのベースやエミッタにダイオードを直列に接続することで、ベース-エミッタ接合の破壊を防ぐことができます。特に単安定回路では、保護が必要なトランジスタは一つです。

単安定マルチバイブレータ

単安定マルチバイブレータは、通常は安定した状態にありますが、外部からのトリガーパルスによって、一時的に不安定な状態に遷移します。この不安定状態の持続時間は、以下の式で表されます。


t = ln(2) R2 C1


不安定状態の間に再度パルスを入力できる場合、再トリガ可能、そうでない場合は、再トリガ不可能と分類されます。

双安定マルチバイブレータ

双安定マルチバイブレータは、2つの安定状態を持ち、外部からのトリガー信号（Set/Reset）によって状態を切り替えます。

回路構成

非安定マルチバイブレータに似た構成ですが、コンデンサがないため、充放電時間による状態遷移はありません。トランジスタのわずかな個体差などにより初期状態が決まり、その状態を安定に保ちます。外部からSet端子またはReset端子にトリガー信号を入力することで、それぞれの状態が切り替わります。

動作原理

例えばQ1がONの場合、コレクタ電圧が低くなり、Q2はOFFとなります。Set端子を接地することでQ2がON、Reset端子を接地することでQ1がONとなります。状態が切り替わると、その状態が保持され、次のトリガー信号を待機します。

応用例

マルチバイブレータは、その単純な構造と多様な機能から、電子オルガン、テレビの同期回路など、初期の電子機器で広く利用されてきました。近年では、集積回路の低価格化により、分周回路の構成に用いられることは減りましたが、その基本原理は電子回路を理解する上で重要です。

外部リンク

Astable Multivibrator (Oscillator): マルチバイブレータ回路のJavaScriptによるシミュレーション

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