Multivibrator Astabil adalah osilator berjalan bebas yang berosilasi antara dua keadaan secara terus-menerus menghasilkan dua bentuk gelombang output gelombang persegi. Rangkaian switching regeneratif seperti Multivibrator Astabil adalah jenis osilator relaksasi yang paling umum digunakan karena tidak hanya mereka yang sederhana, dapat diandalkan dan kemudahan konstruksi mereka juga menghasilkan bentuk gelombang output gelombang persegi yang konstan.

Tidak seperti Multivibrator Monostabil atau Multivibrator Bistabil yang kami lihat dalam tutorial sebelumnya yang membutuhkan pulsa pemicu “eksternal” untuk operasinya, Multivibrator Astabil memiliki pemicu bawaan otomatis yang secara terus-menerus mengaktifkannya antara dua kondisi tidak stabil yang di set dan reset.

Multivibrator Astabil adalah jenis lain dari Transistor sakelar rangkaian cross-coupled yang TIDAK memiliki keadaan output stabil karena perubahan dari satu keadaan ke yang lain sepanjang waktu. Rangkaian Astabil terdiri dari dua transistor sakelar-ing, jaringan umpan balik bersilangan, dan dua kapasitor waktu tunda yang memungkinkan osilasi antara kedua kondisi tanpa pemicu eksternal untuk menghasilkan perubahan dalam keadaan.

Dalam rangkaian elektronik, Multivibrator Astabil juga dikenal sebagai Multivibrator yang berjalan bebas karena mereka tidak memerlukan input tambahan atau bantuan eksternal untuk berosilasi. Osilator astabil menghasilkan gelombang persegi kontinu dari output atau outputnya, (dua output tanpa input) yang kemudian dapat digunakan untuk lampu flash atau menghasilkan suara dalam speaker.

Rangkaian dasar transistor untuk Multivibrator Astabil menghasilkan output gelombang persegi dari pasangan grounded emitter cross-coupled transistor. Kedua transistor baik transistor NPN atau transistor PNP, dalam Multivibrator bias untuk operasi linier dan dioperasikan sebagai Penguat Common-Emitter dengan umpan balik positif 100%.

Konfigurasi ini memenuhi syarat untuk osilasi ketika: ( βA = 1 ∠ 0° ). Hal ini menghasilkan satu tahap melakukan "sepenuhnya-ON" (Saturasi) sementara yang lain diaktifkan "sepenuhnya-OFF" (cut-off) memberikan tingkat saling memperkuat yang sangat tinggi antara kedua transistor. Konduksi dipindahkan dari satu tahap ke tahap lainnya dengan aksi pemakaian kapasitor melalui resistor seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Rangkaian Dasar Multivibrator Astabil

Asumsikan transistor itu, TR1 baru saja mematikan "OFF" (cut-off) dan tegangan Collector-nya meningkat ke arah Vcc, sementara transistor TR2 baru saja menghidupkan "ON". Plat “A” kapasitor C1 juga naik menuju rel supply +6 volt Vcc karena terhubung ke Collector TR1 yang sekarang terputus (cut-off). Sejak TR1 adalah di cut-off, itu berjalan tidak ada arus sehingga tidak ada penurunan volt seluruh beban resistor R1.

Sisi lain kapasitor, C1, plat “B”, terhubung ke terminal base transistor TR2 dan pada 0.6v karena transistor TR2 sedang berjalan (saturasi). Oleh karena itu, kapasitor C1 memiliki perbedaan potensial +5.4 volt di seluruh plat-nya, ( 6.0 - 0.6v ) dari titik A ke titik B.

Karena TR2 sepenuhnya aktif, Kapasitor C 2 mulai mengisi melalui Resistor R2 menuju Vcc. Ketika tegangan melintasi kapasitor C 2 naik menjadi lebih dari 0.6 v, itu bias transistor TR1 menjadi konduksi dan menjadi saturasi.

Begitu Transistor itu, TR1 mengaktifkan "ON", plat "A" dari kapasitor yang semula berpotensi Vcc, langsung jatuh ke 0.6 volt. Penurunan tegangan yang cepat ini pada plat "A" menyebabkan penurunan tegangan yang sama dan sesaat pada plat "B" karena itu plat "B" dari C1 ditarik ke -5.4v (muatan balik) dan ayunan tegangan negatif ini diterapkan pada dasar TR2 membuatnya sulit "OFF". Satu keadaan yang tidak stabil.

Transistor TR2 digerakkan ke cut-off sehingga kapasitor C1 sekarang mulai mengisi ke arah yang berlawanan melalui resistor R3 yang juga terhubung ke rel supply +6 volt, Vcc. Dengan demikian base transistor TR2 sekarang bergerak ke atas dalam arah positif menuju Vcc dengan konstanta waktu yang sama dengan kombinasi C1 x R3.

Namun, itu tidak pernah mencapai nilai Vcc karena begitu mendapat 0.6 volt positif, transistor TR2 berubah sepenuhnya "ON" menjadi saturasi. Tindakan ini memulai seluruh proses lagi tetapi sekarang dengan kapasitor C2 mengambil base transistor TR1 ke -5.4v sambil mengisi melalui resistor R2 dan memasuki keadaan tidak stabil kedua.

Kemudian kita dapat melihat bahwa rangkaian berganti-ganti antara satu keadaan tidak stabil di mana transistor TR1 "OFF" dan transistor TR2 "ON", dan yang kedua tidak stabil di mana TR1 "ON" dan TR2 "OFF" di tingkat yang ditentukan oleh nilai RC. Proses ini akan berulang berulang selama tegangan supply ada.

Amplitudo bentuk gelombang output kira-kira sama dengan tegangan supply, Vcc dengan periode waktu dari masing-masing keadaan pensakelaran ditentukan oleh konstanta waktu dari Jaringan RC yang dihubungkan melintasi terminal dasar dari transistor. Karena transistor mengalihkan "ON" dan "OFF", output pada kedua Collector akan menjadi gelombang persegi dengan sudut agak bulat karena arus yang mengisi kapasitor. Ini bisa diperbaiki dengan menggunakan lebih banyak komponen seperti yang akan kita bahas nanti.

Jika dua konstanta waktu yang dihasilkan oleh C2 x R2 dan C1 x R3 di rangkaian dasar adalah sama, rasio mark-to-space ( t1/t2 ) akan sama dengan satu-ke-satu sehingga bentuk gelombang output dalam bentuk simetris. Dengan memvariasikan kapasitor, C1, C2 atau resistor, R2, R3, rasio mark-to-space dan karenanya frekuensinya dapat diubah.

Kita melihat dalam tutorial Pengosongan RC bahwa waktu yang dibutuhkan untuk tegangan melintasi kapasitor turun menjadi setengah dari tegangan supply, 0.5Vcc sama dengan 0.69 konstanta waktu dari kombinasi kapasitor dan resistor. Kemudian dengan mengambil satu sisi Multivibrator Astabil, lamanya waktu transistor TR2 "OFF" akan sama dengan 0.69T atau 0.69 kali konstanta waktu C1 x R3. Demikian juga, panjang waktu transistor TR1 adalah "OFF" akan sama dengan 0.69T atau 0.69 kali konstanta waktu C2 x R2 dan ini didefinisikan sebagai.

Waktu Periodik (berkala) Multivibrator Astabil

Waktu Periodik,

T = t1 + t2

t1 =0.69C1 R3

t2 =0.69C2 R2

Di mana, R berada di Ω dan C di Farad.

Dengan mengubah konstanta waktu dari hanya satu jaringan RC, rasio mark-to-space dan frekuensi gelombang output dapat diubah tetapi biasanya dengan mengubah kedua konstanta waktu RC bersamaan pada saat yang sama, frekuensi output akan diubah dengan mempertahankan rasio mark-to-space yang sama pada satu-ke-satu.

Jika nilai kapasitor C1 sama dengan nilai kapasitor, C2, C1 = C2 dan juga nilai resistor base R2 sama dengan nilai resistor base, R3, R2 = R3 maka total panjang waktu Multivibrator siklus diberikan di bawah ini untuk bentuk gelombang output simetris.

Frekuensi Osilasi

Di mana, R = Ω, C = Farads, T = detik(second) dan ƒ = Hertz.

dan ini dikenal sebagai "Frekuensi Pengulangan Pulsa". Jadi Multivibrator Astabil dapat menghasilkan DUA bentuk gelombang output gelombang persegi yang sangat pendek dari masing-masing transistor atau output berbentuk persegi panjang yang lebih panjang baik simetris atau non-simetris tergantung pada konstanta waktu jaringan RC seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Bentuk Gelombang Multivibrator Astabil

Contoh: Multivibrator Astabil No.1

Sebuah Multivibrator Astabil rangkaian diperlukan untuk menghasilkan serangkaian pulsa pada frekuensi 500Hz dengan rasio mark-to-space 1:5. Jika R2 = R3 = 100kΩ, hitung nilai kapasitor, C1 dan C2 diperlukan.

dan dengan mengatur ulang rumus di atas untuk waktu periodik, nilai-nilai kapasitor yang diperlukan untuk memberikan rasio mark-to-space 1:5 diberikan sebagai:

Nilai 4.83nF dan 24.1nF masing-masing, adalah nilai yang dihitung, jadi kita perlu memilih nilai yang disukai terdekat untuk C1 dan C2 yang memungkinkan toleransi kapasitor. Bahkan karena berbagai toleransi yang terkait dengan kapasitor sederhana, frekuensi output aktual mungkin berbeda sebanyak ±20%, (400 hingga 600Hz dalam contoh sederhana kami) dari frekuensi aktual yang dibutuhkan.

Jika kita memerlukan bentuk gelombang Astabil output menjadi tidak simetris untuk digunakan dalam rangkaian waktu atau gerbang, dll, kita dapat secara manual menghitung nilai R dan C untuk masing-masing komponen yang diperlukan seperti yang kita lakukan pada contoh di atas. Namun, ketika dua R dan C keduanya sama, kita dapat membuat hidup kita sedikit lebih mudah untuk diri kita sendiri dengan menggunakan tabel untuk menunjukkan Multivibrator Astabil dihitung frekuensi untuk kombinasi atau nilai-nilai baik yang berbeda R dan C. Sebagai contoh,

Tabel Frekuensi Multivibrator Astabil

Tabel frekuensi pra-hitung dapat sangat berguna dalam menentukan nilai yang dibutuhkan baik R dan C untuk frekuensi output simetris tertentu tanpa perlu terus menghitung ulang setiap kali frekuensi yang berbeda diperlukan.

Dengan mengubah dua resistor tetap, R2 dan R3 untuk potensiometer kelompok-ganda dan menjaga nilai kapasitor tetap sama, frekuensi dari output Multivibrator Astabil dapat lebih mudah "disetel" untuk memberikan nilai frekuensi tertentu atau untuk mengimbangi toleransi komponen yang digunakan. 

Misalnya, memilih nilai kapasitor 10nF dari tabel di atas. Dengan menggunakan Potensiometer 100k untuk resistansi kami, kami akan mendapatkan frekuensi output yang dapat sepenuhnya disesuaikan dari sedikit di atas 71.4kHz hingga 714Hz, sekitar rentang frekuensi 3 decade. Demikian juga nilai kapasitor 47nF akan memberikan rentang frekuensi dari 152Hz hingga lebih dari 15kHz.

Contoh: Multivibrator Astabil No.2

Sebuah Multivibrator Astabil rangkaian dibangun menggunakan dua kapasitor waktu dengan nilai yang sama dari 3.3uF dan dua resistor dasar nilai 10kΩ. Hitung frekuensi osilasi minimum dan maksimum jika dua-kelompok potensiometer 100kΩ dihubungkan secara seri dengan dua resistor.

Dengan potensiometer pada 0%, nilai resistansi dasar sama dengan 10kΩ.

dengan potensiometer pada 100%, nilai resistansi dasar sama dengan 10kΩ + 100kΩ = 110kΩ.

Kemudian frekuensi output osilasi untuk Multivibrator Astabil dapat bervariasi dari antara 2.0 dan 22 Hertz.

Ketika memilih nilai resistansi dan kapasitansi untuk operasi yang andal, resistor dasar harus memiliki nilai yang memungkinkan transistor untuk mengaktifkan "ON" sepenuhnya ketika transistor lain mematikan "OFF". Misalnya, perhatikan rangkaian di atas. Ketika transistor TR2 sepenuhnya "ON", (saturasi) tegangan yang hampir sama dijatuhkan di resistor R3 dan resistor R4.

Jika transistor yang digunakan memiliki gain arus, β 100 dan resistor beban Collector, R4 sama dengan mengatakan 1kΩ nilai resistor base maksimum akan menjadi 100kΩ. Setiap yang lebih tinggi dan transistor mungkin tidak sepenuhnya "ON" yang menghasilkan Multivibrator memberikan hasil yang tidak menentu atau tidak berosilasi sama sekali. Demikian juga, jika nilai resistor base terlalu rendah, transistor mungkin tidak beralih "OFF" dan Multivibrator lagi tidak akan berosilasi.

Sinyal output dapat diperoleh dari terminal Collector dari masing-masing transistor di rangkaian Multivibrator Astabil dengan setiap gelombang output menjadi gambar cermin itu sendiri. Kita melihat di atas bahwa ujung depan dari bentuk gelombang output sedikit bulat dan tidak persegi karena karakteristik Pengisian Kapasitor dalam rangkaian lintas-berpasangan (cross-coupled).

Tetapi kita dapat memperkenalkan transistor lain ke dalam rangkaian yang akan menghasilkan pulsa output persegi yang hampir sempurna dan yang juga dapat digunakan untuk mengalihkan beban arus lebih tinggi atau beban impedansi rendah seperti LED atau speaker, dll tanpa mempengaruhi pengoperasian Multivibrator Astabil yang sebenarnya. Namun, sisi buruknya adalah bentuk gelombang output tidak simetris sempurna karena transistor tambahan menghasilkan penundaan yang sangat kecil. Perhatikan dua rangkaian di bawah ini.

Rangkaian Penggerak Multivibrator Astabil

Output dengan ujung terdepan persegi sekarang dihasilkan dari transistor ketiga, TR3 yang terhubung ke Emitter transistor, TR2. Transistor ketiga ini mengaktifkan "ON" dan "OFF" bersamaan dengan transistor TR2. Kita dapat menggunakan transistor tambahan ini untuk mengganti Light Emitting Diode, Relai atau untuk menghasilkan suara dari Transduser Suara seperti speaker atau piezo sounder seperti yang ditunjukkan di atas.

Resistor beban, Rx perlu dipilih dengan tepat untuk memperhitungkan penurunan volt ke depan dan untuk membatasi arus maksimum sekitar 20mA untuk rangkaian LED atau untuk memberikan impedansi beban total sekitar 100Ω untuk rangkaian speaker. Speaker dapat memiliki impedansi kurang dari 100Ω.

Dengan menghubungkan transistor tambahan, TR 4 ke rangkaian Emitter dari transistor lain, TR1 dengan cara yang sama kita dapat menghasilkan rangkaian Multivibrator Astabil yang akan mem-flash dua set lampu atau LED dari satu ke yang lain dengan kecepatan yang ditentukan oleh konstanta waktu dari jaringan pengaturan waktu RC.

Dalam tutorial berikutnya tentang Bentuk Gelombang dan Sinyal, kita akan melihat berbagai jenis Multivibrator Astabil yang digunakan untuk menghasilkan bentuk gelombang output berkelanjutan. rangkaian ini dikenal sebagai osilator relaksasi yang menghasilkan gelombang persegi atau persegi panjang pada outputnya untuk digunakan dalam rangkaian sekuensial sebagai pulsa clock atau sinyal timing. Jenis rangkaian ini disebut Bentuk Gelombang Generator.