На рисунке 1 изображен водяной бак с сифоном, питаемый от водопровода. Как только уровень воды в нем достигает перегиба сифонной трубки, бак начинает опорожняться.
Едва сифон опустеет, бак вновь начинает наполняться. Процесс протекает периодически, пока работает водопровод. Период колебаний воды в баке зависит от емкости самого бака, сопротивления воде, вытекающей из сифона, и напора водопровода.
По сходному принципу действуют различные электронные устройства (рис. 2).
Накопительный конденсатор С1 постепенно заряжается от источника постоянного напряжения Un через резистор R1. Растущее на конденсаторе напряжение поступает на порогово-спусковой элемент S1, находящийся в запертом (не проводящем тока) состоянии. При достижении порогового уровня Uc включается элемент S1, и происходит быстрый разряд конденсатора до остаточного уровня Uocт, определяемого внутренним сопротивлением спускового элемента. Последний при этом запирается, и начинается новый цикл заряд-разряд. Характер изменения выходного напряжения Uвых во времени иллюстрирует рисунок 3.
«История» релаксационных генераторов восходит к поре радиоламповой техники, когда пороговыми элементами служили неоновые лампы. Их периодическое включение сопровождалось свечением содержащегося в них неона. Но газоразрядные лампы требуют для работы напряжения порядка сотни вольт, что плохо согласуется с полупроводниковыми устройствами автоматики, обычно действующими при напряжении до 12 В. Одним из современных полупроводниковых пороговых элементов, имеющих два устойчивых состояния (включено — выключено), являются переключающие диоды — динисторы. На рисунке 4 показан генератор последовательности импульсов, в котором работает динистор VS1 типа КН102.
Его модификации отличаются различными уровнями срабатывания при общем токе самозапирания, имеющем разброс от 0,15 до нескольких миллиампер. Для надежности работы будем ориентироваться на ток самозапирания 0,1 мА — тогда не понадобится подбирать экземпляры по этому показателю. С приведенными параметрами элементов С и R генератор «выдает» импульсы длительностью порядка 0,01 с, с частотой следования около 1 Гц, которые снимаются с нагрузочного резистора R2. Импульсы имеют вид экспоненциально спадающих пиков; близкую к прямоугольной форму импульсов можно получить, снимая сигнал с кремниевого диода, включенного последовательно с резистором R2. Сопротивление резистора R1 подбирается так, чтобы при заданном напряжении питания максимальный ток заряда конденсатора С1 не превышал упомянутых 0,1 мА. Варьируя величину емкости С1, можно получать частоту генерации от долей герца до высоких звуковых частот, используемых в «голосовых» сигнализаторах.
Иногда возникает необходимость в импульсах, полярность которых обратна напряжению питания. Схема такого генератора изображена на рисунке 5.
Здесь заряд конденсатора происходит через знакомый по рисунку А резистор R1 и дополнительный диод VD1, при этом диод VD2 заперт и разобщает генератор с его выходом. При достижении порогового уровня на конденсаторе динистор VS1 скачком отпирается и замыкает положительную обкладку конденсатора на «землю» (общий провод), отчего правая по рисунку обкладка С1 приобретает отрицательный потенциал, который беспрепятственно поступает через диод VD2 на выход.
Помимо динистора, пороговым спусковым элементом может служить однопереходный транзистор (VT1 на рис. 6).
Пока заряжается конденсатор времязадающей цепочки R1, R2, С1, транзистор VT1 заперт и выходное напряжение, снимаемое с резистора R4, равно нулю. Достижение порогового уровня напряжения на конденсаторе вызовет переключение транзистора, и начнется разряд емкости С1 на резистор 4; на выходе появится импульс, продолжающийся, пока транзистор не запрется вновь, чтобы повторить цикл заряда.
Подбирая величину емкости конденсатора и сопротивления переменного резистора R1, можно в широких пределах изменять частоту следования импульсных сигналов. Как видите, и в этом случае конструкция релаксационного генератора получается проще, чем у традиционных мультивибраторов. Отдать предпочтение последним целесообразно, когда требуются выходные импульсы с плоской вершиной и относительно большой длительностью.