Generator fali prostokątnej na tranzystorach NPN i RC – podłączenie do CD4013

Pytanie

Generator fali prostokątnej na tranzystorze , oporniku , kondensatorze i jak go podłaczyć do CD4013

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Najprościej i stabilnie uzyskasz prostokąt z układu RC na tranzystorach jako astabilny multiwibrator (2× NPN + rezystory + kondensatory).
• Wyjście z kolektora jednego z tranzystorów podajesz na wejście CLK układu CD4013. Zasilanie i masa muszą być wspólne.
• Aby CD4013 pracował jako dzielnik przez 2 (stabilne 50% wypełnienia): D połącz z Q̄, SET i RESET do GND, a sygnał z generatora – na CLK.

Szczegółowa analiza problemu

• Działanie i topologia

  • Klasyczny astabilny multiwibrator to dwa wzajemnie sprzężone tranzystory NPN (np. BC547, 2N3904) z emiterami do GND. Każdy kolektor ma rezystor do VCC (RC1, RC2), a z kolektora jednego tranzystora kondensator (C1/C2) idzie na bazę drugiego. Dwa rezystory bazowe (RB1, RB2) do VCC domykają polaryzację.
  • Układ samoczynnie przełącza stany, dając na kolektorach dwa prostokąty w przeciwfazie o amplitudzie bliskiej VCC.

• Schemat połączeń (opis)

  • VCC —[RC1]— kolektor Q1; VCC —[RC2]— kolektor Q2.
  • C1: kolektor Q1 → baza Q2; C2: kolektor Q2 → baza Q1.
  • RB1: baza Q1 → VCC; RB2: baza Q2 → VCC.
  • Emitery Q1, Q2 → GND.
  • Wyjście do CD4013 pobierz z kolektora Q1 lub Q2.

• Dobór elementów i wzory

  • Dla konfiguracji symetrycznej (RB1=RB2=R, C1=C2=C):
    \[
    T \approx 1{,}386 \cdot R \cdot C,\quad f \approx \frac{1}{1{,}386 \cdot R \cdot C}
    \]
  • Typowe zakresy:
    • RC1, RC2: 1 kΩ…10 kΩ (zwykle 4,7 kΩ).
    • RB1, RB2: 22 kΩ…220 kΩ (zwykle 47–100 kΩ).
    • C1, C2: 1 nF…10 µF (folia/ceramika dla ≤1 µF; elektrolit dla niskich częstotliwości).
  • Przykłady:
    • ~1 kHz: R = 47 kΩ, C = 15 nF → f ≈ 1/(1,386·47k·15nF) ≈ 1,02 kHz.
    • ~10 Hz: R = 68 kΩ, C = 1 µF → f ≈ 10,6 Hz.

• Podłączenie do CD4013 (DIP‑14, „lewa” połówka)

  • Pin 14 (VDD) → VCC; Pin 7 (VSS) → GND; 100 nF odsprzęgające między VDD–VSS blisko układu.
  • Pin 3 (CLK1) ← wyjście z kolektora Q1/Q2 przez rezystor szeregowy 220–1 kΩ.
  • Pin 4 (RESET1) → GND; Pin 6 (SET1) → GND (wejścia asynchroniczne aktywne stanem „1” – nie mogą „wisieć”).
  • Pin 5 (D1) ← Pin 2 (Q̄1), aby uzyskać tryb „toggle” (dzielenie przez 2, idealne 50%).
  • Pin 1 (Q1) → Twoje wyjście (częstotliwość f/2). Pin 2 (Q̄1) – przeciwny stan.
  • Nieużywaną drugą połówkę CD4013 zdefiniuj (SET2, RESET2 do GND; CLK2 do GND; D2 do GND).

• Kompatybilność sygnałów i zbocza

  • CD4013 próbkowany zboczem narastającym CLK. Multiwibrator tranzystorowy daje bardzo szybkie zbocze opadające i wystarczająco szybkie narastające (dla rozsądnych RC), co zwykle jest akceptowalne dla CMOS 4000.
  • Jeśli krawędzie okażą się zbyt wolne (drgania, fałszywe takty), zmniejsz RC1/RC2 (np. do 2,2–4,7 kΩ), RB1/RB2 (np. 33–68 kΩ) lub wstaw bufor Schmitta (np. CD40106/CD4093) między generator a CLK.

• Zasilanie i poziomy

  • VCC multiwibratora = VDD CD4013 (3–15 V typowo 5–12 V). Wspólna masa jest konieczna.
  • Odsprzęgaj zasilanie: 100 nF + 1–10 µF blisko CD4013 i przy generatorze.

Aktualne informacje i trendy

• W praktyce amatorskiej częściej stosuje się dziś:
  • układy z wejściem Schmitta (CD40106, CD4093) do zrobienia generatora RC na pojedynczej bramce,
  • klasyczny 555 (CMOS TLC555/TS555) – prosty, stabilny, szeroki zakres częstotliwości,
  • małe mikrokontrolery do precyzyjnych zegarów.
• Jeśli jednak chcesz „tylko” tranzystor, rezystor i kondensator – dwutranzystorowy multiwibrator pozostaje najpewniejszym rozwiązaniem.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Regulacja częstotliwości: zastąp RB1 lub RB2 potencjometrem (np. 100 kΩ + szeregowo 10 kΩ) – unikniesz „martwego” zakresu i ograniczysz wpływ pojemności przewodów.
• Kształt impulsu: wyjście z kolektora ma 0…~VCC. Jeśli chcesz mniejsze poziomy, użyj dzielnika rezystorowego lub tranzystora wtórnika/bufora.
• Duty cycle: nie musi być 50% na wejściu CLK – po sprzężeniu D=Q̄ CD4013 zapewni 50% na wyjściu Q.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo pracy: odłącz zasilanie podczas zmian połączeń; uważaj na ESD przy CMOS; nie pozostawiaj wejść SET/RESET „w powietrzu”.
• Zgodność EMC: krótkie przewody, odsprzęganie przy zasilaniu – ogranicza emisję zakłóceń.

Praktyczne wskazówki

• Start „od strzału”: jeśli układ nie rusza, zamień miejscami C1–C2 lub lekko dotknij jednej bazy przez rezystor 100 kΩ do VCC/GND (wprowadzenie asymetrii startowej).
• Rezystor szeregowy 220–1 kΩ w linii CLK tłumi dzwonienia i ogranicza prąd przez wewnętrzne diody wejściowe.
• Daj rezystor 100 kΩ do GND na CLK (pull‑down), aby stan był zdefiniowany przy braku sygnału.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• „Jednotranzystorowy” RC‑generator bez elementu progowego (Schmitta) zwykle daje piłę/sawtooth i wrażliwe działanie; dla CD4013 (wejścia bez histerezy) nie jest to zalecane.
• Tolerancje elementów (szczególnie kondensatorów elektrolitycznych) mogą zmieniać f o kilkanaście–kilkadziesiąt procent.
• Dla wyższych częstotliwości (≥100 kHz) rozważ 555/CMOS lub bramki Schmitt – multiwibrator tranzystorowy traci kształt z powodu pojemności pasożytniczych.

Sugestie dalszych badań

• Jeśli zależy Ci na minimalnej liczbie elementów – rozważ CD40106 (6× inwerter Schmitt) jako generator RC + bufor do CLK.
• Dla precyzji: generator kwarcowy + licznik (np. CD4060) i dalej dzielenie CD4013.

Krótkie podsumowanie

• Zbuduj astabilny multiwibrator na 2×NPN, 2×RC w kolektorach i 2×(RB, C) w sprzężeniu krzyżowym. f ≈ 1/(1,386·R·C).
• Wyjście z kolektora podaj na CLK CD4013, D połącz z Q̄, SET i RESET do GND. Odsprzęgnij zasilanie, zdefiniuj nieużywane wejścia.
• To proste, stabilne i kompatybilne rozwiązanie, dające po podziale przez 2 idealne 50% wypełnienia na wyjściu CD4013. Jeśli chcesz, dobiorę wartości pod konkretną częstotliwość.

Pytanie

Chcę generator na 1 tranzystorze ,1 oporniku ,1 kondensatorze , i podłaczyć ten generator do CD4013 , aby na wyjści CD4013 mieć na 1 pinie ttan niski około 64 sekund , stan wysoki około 64 sekund , okres około128 sekund.

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Taki generator (1 tranzystor + 1 opornik + 1 kondensator) nie zapewni samonapędzanych, powtarzalnych impulsów o okresie 64 s w sposób niezawodny. Brakuje elementu progowego/histerezy oraz… drugiego rezystora (co najmniej rezystora obciążającego kolektor).
• Aby otrzymać na wyjściu CD4013 stan niski ~64 s i wysoki ~64 s (okres ~128 s), praktyczne minimum to:
  • wariant A (najprostszy i stabilny): 1 bramka Schmitta (CD40106/74HC14) + 1R + 1C → CLK; CD4013 jako dzielnik /2,
  • wariant B (bez dodatkowych układów scalonych): klasyczny astabilny 2×BJT (2R + 2C) → CLK; CD4013 jako dzielnik /2.

Szczegółowa analiza problemu

• Dlaczego 1T + 1R + 1C nie działa stabilnie:

  • Sam tranzystor bipolarny bez sprzężenia dodatniego nie tworzy oscylatora. Potrzebny jest element progowy z histerezą (Schmitt, UJT, neonówka) albo drugi tranzystor.
  • Nawet improwizowane układy „lawinowe”/negistorowe wymagają rezystora kolektorowego oraz precyzyjnego biasu. Przy czasach rzędu 64 s dominują prądy upływu kondensatora i prąd bazowy, co gasi oscylacje lub powoduje dryft.
  • CD4013 ma wejścia CMOS bez przerzutnika Schmitta. Wolne zbocza z prostego RC powodują fałszywe przełączenia (drgania kontaktów na poziomie mikrosygnałów).

• Co musi zrobić CD4013:

  • Skonfigurowany jako „toggle” (D = Q̄) przełącza stan wyjścia przy każdym narastającym zboczu CLK.
  • Jeśli na CLK dostarczysz sygnał o okresie 64 s, to na Q otrzymasz przebieg 50% o okresie ~128 s (64 s LOW, 64 s HIGH).

• Dwa sprawdzone warianty projektowe

  Wariant A — generator RC na bramce Schmitta (CD40106) + CD4013

  • Zasada: bramka Schmitta zapewnia próg i histerezę, więc jeden rezystor i jeden kondensator wystarczają do stabilnych, bardzo wolnych oscylacji.
  • Równanie (typowo): f ≈ 1 / (2,2·R·C), więc T ≈ 2,2·R·C.
  • Wymagania czasowe: TCLK ≈ 64 s. Zatem R·C ≈ 64 / 2,2 ≈ 29,1 s.
  • Przykładowy dobór elementów (z zapasem regulacji):
    • R = 3,9 MΩ + trymer 1 MΩ w szereg (zakres 3,9–4,9 MΩ),
    • C = 6,8 µF (nisko-upływowy; najlepiej foliowy/MLCC X7R o dużej pojemności, a jeśli elektrolit – dobrej jakości).
    • Daje to T ≈ 2,2·(4,3 MΩ)·(6,8 µF) ≈ 64 s po zestrojeniu.
  • Połączenia:
    • CD40106: R między wyjściem a wejściem bramki, C z wejścia do GND. Wyjście bramki → CLK (pin 3) CD4013.
    • CD4013 (połówka 1): D (pin 5) = Q̄ (pin 2), SET (pin 6) = GND, RESET (pin 4) = GND, Q (pin 1) = wyjście 64 s/64 s.
    • Zasilanie: VDD (pin 14) = +5…12 V, VSS (pin 7) = GND.
    • Odsprzęganie: 100 nF + 10 µF blisko pinów zasilania obu układów.
  • Zalety: minimalna liczba elementów zewnętrznych, czyste zbocza, bardzo duża impedancja wejściowa → małe błędy przy dużych R.

  Wariant B — wolnobieżny multiwibrator astabilny 2×BJT + CD4013

  • Klasyczny układ z dwiema sekcjami RC i krzyżowym sprzężeniem.
  • Okres pojedynczego generatora: T ≈ 1,386·R·C. Dla R = 1 MΩ, C = 47 µF → T ≈ 65 s.
  • Elementy zalecane:
    • Q1, Q2: BC547C lub 2N3904 (klasa C – duże wzmocnienie),
    • Rkolektor: 10 kΩ (dla obu tranzystorów),
    • Rbaza: 1 MΩ (dla obu),
    • C1, C2: 47 µF/16 V (nisko-upływowe; rozważyć tantal/folia).
  • Wyjście z kolektora jednego tranzystora → CLK (pin 3) CD4013 (szeregowo 1 kΩ dla ochrony).
  • CD4013 w trybie „toggle” jak wyżej.
  • Zalety: brak dodatkowego układu scalonego; dobre, strome zbocza.
  • Wady: więcej elementów pasywnych niż w wariancie A; większy rozrzut czasu przez tolerancje.

• Dlaczego nie rekomenduję „1 tranzystor, 1R, 1C” wprost:

  • Nawet jeśli dobudujesz brakujący rezystor kolektorowy, nadal nie masz histerezy; układ będzie losowo łapał zakłócenia i „pływał” z temperaturą i zasilaniem. Przy R rzędu megaomów upływ kondensatora i zanieczyszczenia PCB są porównywalne z prądem ładowania.

Aktualne informacje i trendy

• Do bardzo długich czasów preferuje się: bramki Schmitta CMOS (CD40106/74HC14), timery 555 w wersjach CMOS o ultra‑małym poborze oraz kondensatory foliowe/nisko‑upływowe.
• Coraz częściej stosuje się mikrokontrolery z wewnętrznym RTC/timerem (dokładność, kompensacja temperatury), ale to wykracza poza minimalizm elementów.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Budżet błędu: typowe tolerancje C elektrolitycznych ±20% + upływność zależna od temperatury → błąd okresu łatwo >±10%. Dlatego: trymer w R, dobry kondensator, czyste PCB (mycie po lutowaniu).
• Progi: CD4013 przełącza na zboczu dodatnim CLK; bez Schmitta wymaga stromego impulsu. Wariant A/B to zapewnia.
• Zasilanie: seria 4000 pracuje 3–15 V; dla długich czasów i odporności na zakłócenia wygodnie 9–12 V.
• EMC: prowadzić węzły o bardzo wysokiej impedancji (RC) krótko, daleko od przewodów sygnałowych; dodać masę „ekran” pod RC jeśli to możliwe.

Aspekty etyczne i prawne

• Nie łącz układu bezpośrednio z siecią 120/230 V. Zapewnij właściwą izolację i zabezpieczenia. Zadbaj o zgodność z napięciami dopuszczalnymi układów CMOS, ESD oraz poprawne odsprzęganie.

Praktyczne wskazówki

• Daj 100 nF + 10 µF przy zasilaniu CD4013/CD40106.
• SET i RESET CD4013 nie mogą „wisieć” – prowadź je do GND (np. bezpośrednio lub przez 100 kΩ).
• Jeśli pojawią się fałszywe impulsy na CLK, dodaj 1 kΩ w szereg oraz 100 pF–1 nF do GND (snubber) przy pinie CLK.
• Do strojenia okresu: trymer 0,5–1 MΩ w szeregu z rezystorem stałym.
• Dla lepszego 50% wypełnienia na wyjściu: użyj CD4013 jako dzielnika /2 – to już masz w założeniach.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Dokładność 64/64 s bez kalibracji będzie ograniczona tolerancją RC. Jeśli potrzebujesz ±1%, rozważ generator kwarcowy + dzielniki.
• Bardzo duże R (≥5 MΩ) uwidaczniają upływy laminatu/kalafonii – mycie PCB izopropanolem pomaga.

Sugestie dalszych badań

• Zasymuluj w SPICE oba warianty (szczególnie wpływ upływności C i temperatury).
• Przejrzyj noty aplikacyjne do CD40106 (oscylatory RC) i CD4013 (konfiguracja toggle).
• Porównaj różne typy kondensatorów pod kątem upływu i stabilności pojemności.

Krótkie podsumowanie

• Z 1 tranzystorem, 1R i 1C nie uzyskasz pewnego, długookresowego generatora dla CD4013.
• Najprostsze, mało‑elementowe i stabilne rozwiązanie: CD40106 (1R, 1C) → CLK, a CD4013 jako dzielnik /2. Ustaw R·C ≈ 29 s (np. 4,3 MΩ i 6,8 µF) dla 64 s na CLK i 64/64 s na Q.
• Alternatywa bez dodatkowego układu scalonego: astabilny 2×BJT (R=1 MΩ, C=47 µF) ≈ 65 s → CD4013 /2 → 64/64 s.