Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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Signets :
  Définition d'une onde carrée   Multivibrateur Astable à Tubes Électroniques "la Triode"   Multivibrateur ABRAHAM BLOCH  
  Multivibrateur Astable à Couplage Cathodique   Multivibrateur CHARBONNIER

    Bas de page



Multivibrateurs à Tubes Électroniques :



Après avoir vu les fonctionnements des triodes à tubes électroniques exposées dans les leçons précédentes, nous allons étudier une catégorie de circuits extrêmement importante en électronique : Les Multivibrateurs.

Les multivibrateurs sont des générateurs d'ondes carrées.

On les répartit en trois catégories : multivibrateurs astables, monostables, bistables.

Les premiers produisent une forme d'onde carrée sans aucun signal de commande.

Les seconds délivrent une impulsion carrée, après l'application d'une impulsion de commande.

Les derniers produisent une variation brusque de tension, chaque fois qu'ils sont commandés par un signal impulsif d'entrée.

Avant de commencer l'étude de ces circuits, il est nécessaire de donner quelques précisions concernant les ondes carrées ou rectangulaires.

HAUT DE PAGE 1. - DÉFINITION D'UNE ONDE CARRÉE

Si un phénomène se reproduit exactement dans des intervalles de temps réguliers, il est dit PÉRIODIQUE.

L'intervalle de temps T séparant deux phénomènes identiques est appelé PÉRIODE.

La fréquence caractérise la rapidité avec laquelle le phénomène se reproduit (F = 1 / T).

La figure 1 représente une onde carrée.

Onde_carree.GIF  

Sur ce graphique, nous avons reporté les temps T, T1 et T2.

T représente la période du signal (intervalle de temps séparant deux créneaux consécutifs).

T1 correspond au temps de travail, c'est-à-dire à la partie positive du signal.

T2 représente le temps de repos, c'est-à-dire le temps pendant lequel la tension reste nulle.

L'onde carrée représentée à la figure 1 est caractérisée par son facteur de forme, son rapport cyclique et son amplitude.

Le facteur de forme s'applique aux signaux présentant une forte dissymétrie.

Pour le signal de la figure 1, le facteur de forme est égal à T1 / T et il représente la durée du signal bref par rapport à la période totale.

Si le temps T2 était plus court que T1, il serait égal au rapport T2 / T.

Le rapport cyclique est obtenu en divisant le temps de travail par le temps de repos (T1 / T2).

HAUT DE PAGE 2. - MULTIVIBRATEUR ASTABLE

Il a été inventé en 1918 par ABRAHAM BLOCH.

C'est un générateur d'ondes carrées formé par un amplificateur à deux étages, à liaisons RC, mais dont la sortie est reliée directement à l'entrée.

La figure 2 donne le schéma d'un multivibrateur astable, souvent appelé multivibrateur ABRAHAM BLOCH, équipé de deux triodes.

Multivibrateur_astable.GIF

DÉMARRAGE DU MONTAGE :

Dès que l'on applique la haute tension, les deux tubes V1 et V2 se mettent à conduire.

Bien que le montage soit symétrique, les courants Ia1 et Ia2 ne sont pas égaux.

En effet, il faut tenir compte des tolérances des éléments qui font que leurs valeurs ne sont pas rigoureusement identiques.

Supposons que Ia1 augmente plus vite que Ia2, Va1 diminue donc plus rapidement que Va2.

Le condensateur C1 transmet instantanément la variation de tension DVa1 aux bornes de la résistance Rg2 et C2 transmet la variation de tension DVa2 aux bornes de Rg1.

Ces variations de tension sont négatives et nous pouvons dire que Vg2 est plus négative que la tension Vg1.

Il en résulte que le tube V1 conduit beaucoup plus que le tube V2.

Le phénomène s'amplifie rapidement (effet cumulatif) et V2 se bloque, tandis que V1 conduit à saturation.

Simultanément, dès que le montage est sous tension, le condensateur C1 se charge rapidement à travers Ra1 et à travers la résistance équivalente à Rg2 et à la résistance interne grille-cathode du tube V2.

De même, le condensateur C2 se charge à travers Ra2 et à travers la résistance équivalente à Rg1 et à la résistance interne grille-cathode du tube V1.

Les charges de C1 et de C2 sont très rapides, car elles s'effectuent à travers des résistances de faibles valeurs (résistances anodiques et résistances grille-cathode de chaque tube).

La figure 3 montre les circuits de charge des condensateurs C1 et C2, ainsi que les polarités des tensions apparaissant aux bornes de Rg1 et Rg2.

Circuits_de_charge_de_C1_et_de_C2.GIF




FONCTIONNEMENT DÉTAILLÉ DU MONTAGE

Pour expliquer le fonctionnement du multivibrateur, nous allons nous servir de la figure 4 où sont représentées les tensions Va1, Va2, Vg1, Vg2, et, décomposer une période en intervalles de temps correspondants aux différentes phases du fonctionnement.

Fonctionnement_detaille_du_multivibrateur_astable.GIF

Considérons le montage à l'instant t0, c'est-à-dire juste après la période de démarrage.

- V1 conduit fortement et Va1 est égale à Vo - Ra1 x Ia1 c'est-à-dire une valeur plus faible que Vo (Va1 mini).

- V2 est bloqué, donc Va2 est égale à Vo.

- Vg1 est très proche du potentiel de masse, puisque Rg1 ne reçoit aucune variation provenant de l'anode de V2.

- Vg2 est fortement négative (très en-dessous de la tension de blocage).

- Les condensateurs C1 et C2 sont chargés à une valeur proche de la haute tension.

Entre t0 et t1 :

Le condensateur C1 chargé à la haute tension voit la tension de son armature positive diminuer brutalement, dès que le tube V1 se met à conduire.

Il peut alors se décharger à travers la résistance interne de V1 et la résistance Rg2.

Cette décharge est lente, car la résistance de grille Rg2 a une valeur élevée.

Le courant de décharge Id1 provoque une chute de tension aux bornes de Rg2, suivant les polarités indiquées sur la figure 5.

 Circuits_de_decharge_de_C1_et_de_C2.GIF

Cette tension négative sur la grille de V2 maintient le tube bloqué, mais elle diminue au fur et à mesure que la charge se prolonge.

Les tensions Va1 et Va2 gardent respectivement leur valeur Va1 mini et Vo.

A l'instant t1 :

La tension de grille Vg2, qui remonte lentement vers le potentiel masse, atteint la tension de cut-off du tube V2.

Le tube V2 se met donc à conduire et de ce fait la tension Va2 passe de la valeur Vo à la valeur Va2 mini.

Cette brusque variation négative de la tension anodique de V2 est transmise instantanément à la grille de V1 par le condensateur C2.

Le tube V1 est bloqué et la tension anodique Va1 remonte de Va1 mini à Vo.

En réalité, le changement de tension sur l'anode de V1 se fait suivant une forme exponentielle.

En effet, dès que la tension Va1 augmente, le condensateur C1 se charge à travers le circuit décrit figure 3.

Le courant de charge Id1 freine la remontée de la tension anodique et provoque l'apparition du petit pic positif aux bornes de la résistance Rg2.

A l'instant t1 à t2 :

Le tube V1 est bloqué et le tube V2 conduit.

Le condensateur C2 peut se décharger à travers le tube V2 et la résistance de grille Rg1 du tube V1 (voir figure 5).

Le courant de décharge Id2 détermine une tension négative sur la grille de V1 et maintient ce dernier bloqué.

Cette tension négative (Vg1) remonte lentement vers le potentiel masse jusqu'à l'instant t2.

Entre les instants t1 et t2, nous constatons que Va1 reste égale à Vo et Va2 à Va2 mini.

A l'instant t2 :

le condensateur C2 est presque déchargé et la tension négative de grille Vg1 atteint la tension de cut-off du tube V1.

Ce dernier se met à conduire et voit sa tension anodique Va1 diminuer brutalement.

La variation négative est transmise instantanément à Rg2 par le condensateur C1.

Le tube V2 est bloqué et la tension anodique Va2 passe de la valeur Va2 mini à la valeur Vo.

Cette remontée se fait exponentiellement car pendant ce temps, le condensateur C2 se charge de nouveau à la haute tension à travers son circuit indiqué figure 3.

De même qu'à l'instant t1, la charge du condensateur C2 provoque l'arrondi de la tension Va2 et le petit pic positif de la tension Vg1.

Cette tension positive de la tension de grille du tube V1 se répercute sur la tension anodique Va1.

En effet, à cet instant précis, la grille devenant positive, le tube conduit encore plus fortement et la tension anodique diminue légèrement.

A l'instant t2 à t3 :

Le tube V1 conduit et Va1 est égale à Va1 mini.

Le tube V2 est bloqué et Va2 est égale à Vo.

La tension de grille Vg1 reste au voisinage de la masse.

La tension de grille Vg2 remonte lentement suivant la constante de temps du circuit de décharge du condensateur C1.

Au moment où cette tension est égale à la tension de cut-off du tube V2 (instant t3), celui-ci se débloque et le cycle peut recommencer.

Sur l'anode du tube V2, on recueille une tension de forme carrée.

La fréquence de cette onde dépend des constantes de temps des circuits de décharge des condensateurs C1 et C2.

Nous avons vu en effet que les décharges successives de ces condensateurs provoquent les déblocages des tubes et par conséquent les basculements du montage.

Si les circuits de décharge des condensateurs C1 et C2 ne sont pas identiques, le rapport cyclique de l'onde carrée obtenue en sortie sera différent de 1.

Par exemple, si C1 est plus grand que C2, le tube V2 restera bloqué plus longtemps que le tube V1.

Si nous prélevons le signal de sortie sur l'anode de V2, nous aurons un temps de travail plus long que le temps de repos et, par conséquent, un rapport cyclique T1 / T2 supérieur à 1.

HAUT DE PAGE 2. 1. - AMÉLIORATIONS DU MULTIVIBRATEUR ABRAHAM BLOCH

Nous avons vu que la tension carrée délivrée par ce montage est assez déformée (fronts avants arrondis et fronts arrières présentant un pic négatif par rapport à la tension Va mini).

Ce pic est dû au fait que la grille reçoit une tension positive pendant la charge du condensateur qui lui est relié.

Pour éviter que la tension de grille devienne positive, on monte des résistances stoppeuses comme sur la figure 6.

Multivibrateur_astable1.GIF

Ces résistances doivent avoir une valeur très supérieure à celle de l'espace grille-cathode. De cette façon, la presque totalité de l'impulsion positive est chutée aux bornes de Rs.

Ce système a néanmoins un grave inconvénient.

Les résistances stoppeuses sont mises en série avec les circuits de charges des condensateurs C1 et C2.

La constante de temps du circuit est donc plus longue et il en résulte que les fronts avants de l'onde carrée sont plus arrondis.

Pour remédier à cet inconvénient, nous pouvons utiliser des tubes penthodes.

La charge des condensateurs C1 et C2 ne se fait plus à travers les résistances anodiques mais à travers les résistances d'écrans RE1 et RE2.

Puisqu'il n'y a plus de charge par Ra1 et Ra2, les fronts de montée sont pratiquement rectilignes et non plus exponentiels.

La figure 7 montre un multivibrateur équipé de deux penthodes.

 Multivibrateur_astable_avec_2_penthodes.GIF

Malgré toutes les améliorations apportées au multivibrateur ABRAHAM BLOCH, celui-ci présente encore un important défaut : l'instabilité en fréquence.

L'instabilité est due à l'angle que présente la remontée exponentielle de la tension de grille, avec la ligne représentant la tension de cut-off du tube (figure 8).

Instabilite_en_frequence.GIF  

Lorsque les résistances de grille sont reliées à la masse, la remontée exponentielle se fait en direction du potentiel 0.

Une faible variation extérieure, fait couper la ligne de la tension de cut-off, plus tôt ou plus tard et provoque de grands écarts en fréquence.

En reliant les résistances de grille directement à la haute tension, le circuit de décharge passe à travers la source de haute tension et la remontée exponentielle se fait en direction de la haute tension Vo.

De cette façon, de faibles variations extérieures ne provoquent que de faibles déplacements du point de coupure entre la tension de grille et la ligne représentant la tension de cut-off.

Avec ce moyen, la stabilité de l'ensemble est nettement améliorée.

La figure 9 montre un multivibrateur astable, dont les résistances de fuite de grille Rg1 et Rg2 sont reliées à la haute tension.

Multivibrateur_astable_modifie.GIF

Avec ce montage, il faut repenser la valeur des éléments, car les résistances de grille Rg1 et Rg2 doivent avoir des valeurs très élevées, afin que les potentiels de grille voisins de 0 Volt.

HAUT DE PAGE 3. - MULTIVIBRATEUR ASTABLE À COUPLAGE CATHODIQUE

Ce multivibrateur est un montage astable et dissymétrique.

Les cathodes sont réunies et reliées à la masse par une résistance de polarisation Rk.

Le schéma de principe d'un tel circuit est représenté sur la figure 10.

Multivibrateur_astable_a_couplage_cathodique.GIF

Dès que l'on applique la haute tension, les deux triodes se mettent à conduire, mais la chute de tension de Va1 est transmise à Rg2 par le condensateur C.

Comme cette variation est négative, nous avons sur la grille de V2 une tension également négative.

Très rapidement, nous obtenons V2 bloqué et V1 conduisant normalement. 

Simultanément à ceci, le condensateur C se charge à la haute tension à travers Ra1 et Rg2.

La grille de V1 est reliée à la masse par une résistance de faible valeur et se trouve pratiquement à la masse.

V1 conduisant, le condensateur C peut se décharger exponentiellement à travers la résistance interne de V1 et la résistance Rg2.

Le courant dans V1, crée une chute de tension Vk dans la résistance Rk et les cathodes se trouvent à un potentiel positif par rapport à la masse.

Dès que Vg2 atteint le point critique de cut-off, un courant s'établit dans V2. La chute de tension dans Rk devient plus positive et cela revient à dire que la grille de V1 devient plus négative.

Le courant Ia1 dans V1 diminue et la tension Va1 augmente.

Cette variation du potentiel de Va1 est reportée sur la grille de V2 au travers du condensateur C, ce qui augmente encore le courant dans V2 ; d'où, nouvelle augmentation de Vk et diminution plus rapide du courant dans V1.

L'effet étant cumulatif, V1 est rapidement bloqué alors que V2 conduit au maximum.

Dès que V1 est bloqué (Va1 = Vo), le condensateur C se charge à travers Ra1 et Rg2. Lorsque cette charge est terminée, la grille de V2 est ramenée au potentiel de la masse ; le courant dans V2 diminue alors légèrement, ce qui provoque une diminution de la tension de cathode.

Cette diminution est suffisante pour débloquer le tube V1 qui recommence à conduire.

Le courant Ia1 crée une chute de tension dans Ra1, qui se trouve reportée sur la grille de V2. L'action cumulative amène rapidement V2 à l'interdiction et V1 à la conduction maximum.

Le condensateur C peut se décharger à travers V1 et Rg2 et un nouveau cycle recommence.

Sur la figure 11, vous trouverez les différentes formes d'ondes présentes dans le circuit que nous venons de décrire.

Differentes_formes_d_ondes_multivibrateur_astable.GIF

HAUT DE PAGE 4. - MULTIVIBRATEUR CHARBONNIER

Ce multivibrateur à couplage cathodique, représenté figure 12, est une variante du montage précédent.

Multivibrateur_Charbonnier.GIF

La tension de grille du tube V1 apparaît aux bornes du condensateur C, qui forme avec R2 un RC long.

Dès que l'on applique la haute tension, les deux tubes se mettent à conduire. Mais la grille de V2 est portée à un potentiel positif par le pont de résistances Ra1, R1 et Rg2 placé entre la haute tension et la masse.

Le tube V2 conduit donc beaucoup plus que le tube V1.

La grille de V1 est à un potentiel voisin de la masse (le condensateur C n'a reçu aucune charge) et le courant Ia2 crée une tension positive aux bornes de Rk.

Très rapidement, nous obtenons V1 bloqué et V2 conduisant fortement.

La tension positive Vg2 apparaissant aux bornes de Rg2 est également appliquée aux bornes du circuit RC, formé par la résistance R2 et le condensateur C.

Le condensateur C va donc se charger lentement à travers R2 à la tension Vg2. Dès que son armature reliée à la grille de V1 est à un potentiel positif correspondant à la tension de déblocage du tube V1 (Vg1 = Vk - V cut-off), ce dernier se met à conduire et sa tension anodique Va1 diminue.

La diminution de Va1 provoque une diminution de Vg2 (grâce aux résistances R1 et Rg2) suffisante pour bloquer le tube V2.

La chute de tension de Vg2 est également présente aux bornes de R2. Le condensateur C peut donc se décharger à travers R2 et Rg2. (Il est à noter que la décharge ne peut pas s'effectuer à travers l'espace grille-cathode de V1 et Rk, car la tension Vk est plus élevée que la tension Vg1).

La tension Vg1 diminuant exponentiellement, le tube V1 conduit de moins en moins et la tension Vk est de moins en moins importante.

Au bout d'un certain temps, la tension grille Vg1 n'est plus suffisante pour maintenir le tube en conduction et celui-ci se bloque. En même temps, la tension Va1 remonte au potentiel Vo.

Cette variation positive est transmise par le pont de résistances R1 et Rg2 à la grille de V2.

L'augmentation du potentiel de grille et la faible tension de polarisation cathode, font que le tube V2 se débloque très facilement.

Le courant Ia2, très important, provoque une chute de tension élevée dans Rk qui maintient le tube V1 à l'interdiction.

Le montage est revenu aux conditions de départ (V2 conduit, V1 bloqué) et un nouveau cycle peut recommencer.

Le signal recueilli sur l'anode de V1 présente des déformations, dues au fait que le courant Ia1 suit les variations de la tension grille Vg1.

Par contre, le signal recueilli sur l'anode de V2 est parfaitement rectangulaire.

La fréquence de l'onde carrée délivrée par un multivibrateur CHARBONNIER est relativement stable et en grande partie déterminée par la constante de temps du circuit R2 C.

De par sa conception, ce montage ne peut fournir que des créneaux parfaitement symétrique (rapport cyclique égal à 1).

Pour transmettre plus facilement les variations de la tension anodique Va1 sur la grille de commande de V2, on peut améliorer le montage, en branchant un petit condensateur aux bornes de R1. Ce condensateur est marqué en pointillé sur la figure 12.

 




  

    






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