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1. 단안정 멀티바이브레이터란?
단안정 멀티바이브레이터 회로는 외부에서 특정한 신호(트리거)가 입력될 때만 일시적으로 출력 상태가 변하고, 일정 시간이 지나면 다시 원래 상태로 자동으로 복귀하는 회로입니다.
이름에서 알 수 있듯이 “단안정”이란 안정된 상태가 단 하나뿐인 것을 의미합니다.
이 회로는 전원이 켜진 상태에서는 안정된 출력 상태를 유지하다가, 외부에서 입력되는 트리거 신호가 들어오면 출력이 일정 시간 동안 다른 상태로 변화한 후, 다시 원래 상태로 돌아옵니다.
이 동작 원리 덕분에 단안정 멀티바이브레이터 회로는 특정한 시간 동안만 신호를 유지하고 싶을 때, 예를 들어 타이머 기능이나 펄스 생성기에서 자주 사용됩니다.
1-1) 기본 개념 설명
단안정 멀티바이브레이터는 두 가지 상태를 가집니다.
첫 번째 상태는 안정된 상태로, 이때 회로는 외부에서 특별한 신호가 없으면 변하지 않습니다.
두 번째 상태는 불안정 상태로, 외부 신호에 의해 순간적으로 변동되지만 일정 시간이 지나면 다시 안정된 상태로 돌아갑니다.
쉽게 비유하자면, 전등 스위치를 눌렀을 때 일정 시간 동안 전등이 켜졌다가 자동으로 꺼지는 것과 비슷합니다.
스위치를 누르는 것이 “트리거” 신호에 해당하고, 전등이 켜져 있는 일정 시간이 불안정 상태에 해당합니다.
그런 후 시간이 지나면 다시 전등이 꺼지는 상태로, 즉 안정 상태로 복귀합니다.
단안정 멀티바이브레이터 회로는 타이머, 주파수 발생기, 전자 릴레이 등 다양한 응용 분야에서 유용하게 사용됩니다.
실생활에서 흔히 볼 수 있는 예로는 현관문등에 보시면 센서등이 있습니다.
이 센서등에 있는 센서가 사람을 적외선으로 감지하게 되는 시간은 수백ms정도 아주 짧습니다.
그런데도 등이 들어오는 시간은 수십초정도 꽤 깁니다.
즉, 감지 센서에서 들어오는 신호에 단안정 회로를 추가하면 센서의 감지 시간에 상관없이 일정한 시간만큼 등을 켤 수 있는 것입니다.
이런 용도로 사용하는 것이 단안정 멀티바이브레이터회로입니다.
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- 연관 참조 : 비안정 멀티바이브레이터 회로, 동작 원리, 예제2, 주파수 표, 구동 회로
- 연관 참조 : 쌍안정 멀티바이브레이터 회로, 동작 원리, 유형, 비교 및 장.단점
- 연관 참조 : NE555 회로 설계,핀 구성, 5핀 사용 이유, 동작 모드별 설명,
2. 단안정 멀티바이브레이터의 동작 원리
단안정 멀티바이브레이터는 출력 신호가 특정 시간 동안만 변하고 다시 안정 상태로 복귀하는 회로입니다.
이 회로는 “릴렉세이션 오실레이터(relaxation oscillator)”로 불리며, 주로 트랜지스터 또는 MOSFET을 이용해 구성됩니다.
일반적으로 단안정 멀티바이브레이터 회로는 비대칭적인 사각파를 생성하며, 한 번의 트리거 신호로 단일 펄스를 발생시키는 특성을 가집니다.
이 특성 때문에 “원샷(One-shot)” 회로라고도 불립니다.
2-1) MOSFET 기반 단안정 멀티바이브레이터 회로
MOSFET을 기반으로 한 단안정 멀티바이브레이터 회로는 트리거 신호가 입력되면 짧은 시간 동안 불안정 상태에 있다가 다시 안정 상태로 돌아오는 구조로 되어 있습니다.
이 회로에서 저항(R)과 커패시터(C)로 구성된 RC 타이밍 네트워크가 시간 지연을 결정합니다.
저항과 커패시터는 회로에서 시간 지연 요소로 작용합니다.
커패시터는 트리거 신호가 들어오면 방전되고, 그 후 다시 충전되며 시간이 경과합니다.
MOSFET은 커패시터 전압에 따라 작동하며, 단안정 멀티바이브레이터에서 MOSFET의 게이트 전압이 임계값을 넘으면 출력이 HIGH로 전환됩니다.
자주 묻는 질문 중 하나인 “단안정 멀티바이브레이터 회로에서 왜 출력이 짧은 시간 동안만 변하나요?”에 대한 답변으로, 커패시터의 충전 속도가 RC 시간 상수에 의해 결정되기 때문이라고 설명할 수 있습니다.
트리거 신호가 들어오면 커패시터가 방전된 후 다시 충전되며, 충전이 완료되면 회로는 다시 안정 상태로 돌아갑니다.
단안정 상태는 회로가 한 번의 트리거 입력에 의해 반응하는데, 이 트리거는 회로가 안정 상태에서 불안정 상태로 전환되게 만듭니다.
트리거 신호가 들어오면 회로는 즉시 불안정 상태로 전환되어 출력이 변하게 됩니다.
이때의 출력은 HIGH 또는 LOW 상태로 변할 수 있으며, 그 상태는 RC 네트워크가 설정한 시간 동안 유지됩니다.
트리거 신호가 입력되면 단안정 멀티바이브레이터 회로의 출력이 HIGH 상태로 바뀝니다.
출력 신호는 RC 네트워크의 시간 상수에 따라 일정 시간 동안 유지된 후 다시 LOW 상태로 복귀됩니다.
이러한 동작 원리는 타이머 회로나 신호 지연 회로에서 자주 사용되며, 디지털 시스템에서 신호를 정확한 시간 동안 유지해야 할 때 유용하게 적용됩니다.
단안정 멀티바이브레이터 회로는 이러한 특성 덕분에 다양한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다.
결론적으로, 단안정 멀티바이브레이터 회로는 트리거 입력에 의해 한 번의 짧은 시간 동안 불안정 상태로 전환된 후, 다시 안정 상태로 돌아오는 구조를 가집니다.
이 회로는 타이머 기능을 구현하거나 특정 시간 동안 신호를 유지해야 할 때 매우 유용하게 사용될 수 있습니다.
3. TR 사용한 단안정 멀티바이브레이터 회로
TR로 구성된 단안정 멀티바이브레이터 회로는 아래와 같습니다.
처음 전원이 공급되면, TR1 트랜지스터의 베이스는 저항 R4를 통해 Vcc에 연결되어 TR1 트랜지스터가 완전히 켜지며 포화 상태에 들어갑니다.
이와 동시에 TR2 트랜지스터는 꺼지게 됩니다.
이는 단안정 멀티바이브레이터의 안정 상태를 나타내며 출력은 0입니다.
TR1의 포화된 베이스로 흐르는 전류는 Ib = (Vcc−0.7)/RT로 계산됩니다.
이때 SW를 누르면(트리거 신호)
- 안정상태에서 TR1의 바이어스전류가 D(1S1588)–>PS SW–>GND로 바이패스 하여 흐르므로 TR1은 Cutt Off 됩니다
따라서 TR1의 컬렉터 전압은 순간 High가 되고 따라서 C1을 통해서 TR2의 트리거전류를 만들어 TR2를 순간도통시키고 R2에 의해서 지속적인 바이어스를 유지 합니다. - 따라서 이후는 비안정 멀티바이브레터의 동작상태와 같이 C2가 방전하면서 TR1을 역바이어스로 만들게 됩니다.
이런 동작시간은 약 0.7R2C2정도 지속되고 다시 초기의 안정점으로 돌아 갑니다.
단안정 멀티바이브레이터 회로는 매우 짧은 펄스 또는 RC 시간 상수에 따라 더 긴 사각형 파형을 생성할 수 있습니다.
리딩 에지는 외부 트리거 펄스와 시간에 맞춰 상승하고, 트레일링 에지는 피드백 구성 요소의 시간 상수에 의해 결정됩니다.
이 RC 시간 상수는 조정이 가능하며, 트리거 펄스에 대한 고정된 시간 지연을 가진 펄스 시리즈를 생성할 수 있습니다.
4. 직접 회로를 사용한 단안정 멀티바이브레이터 회로
TTL/CMOS 단안정 멀티바이브레이터 회로는 집적 회로(IC)를 이용하여도 쉽게 구성할 수 있습니다.
다음 회로는 두 개의 2-입력 논리 “NOR” 게이트만을 사용해 구성된 기본 단안정 멀티바이브레이터 회로입니다.
4-1) NOR 게이트 단안정 멀티바이브레이터 회로
초기 상태에서 트리거 입력이 논리 레벨 “0”에 있을 때, 첫 번째 NOR 게이트(U1)의 출력은 논리 레벨 “1”이 됩니다.
저항 RT는 전원 전압에 연결되어 있으므로 논리 레벨 “1”이고, 커패시터 CT는 두 플레이트에 동일한 전하를 가지고 있습니다.
이로 인해 V1 지점의 전압은 동일하며, 두 번째 NOR 게이트(U2)의 출력은 논리 레벨 “0”이 되어 단안정 멀티바이브레이터 회로의 안정 상태를 나타냅니다.
트리거 입력에 양의 펄스가 t0 시점에서 가해지면, 첫 번째 NOR 게이트 U1의 출력은 LOW가 되어 커패시터 CT의 왼쪽 플레이트를 방전시킵니다.
이제 두 플레이트 모두 논리 레벨 “0”에 도달하므로, U2의 입력 역시 논리 “0”이 되고, U2의 출력은 논리 “1”이 됩니다.
이는 단안정 멀티바이브레이터 회로의 불안정 상태로 전환된 것입니다.
이 불안정 상태는 커패시터 CT가 저항 RT를 통해 충전되어 U2의 입력 임계 전압(약 2.0V)에 도달할 때까지 유지됩니다.
이 시점에서 U2는 상태를 변경하고, 출력이 논리 “0”으로 리셋됩니다.
이는 피드백 루프를 통해 U1의 입력으로 전달되며, 자동으로 회로가 원래 안정 상태로 복귀해 두 번째 트리거 펄스를 기다리게 됩니다.
4-2) NOR 게이트 단안정 멀티바이브레이터 파형
단안정 멀티바이브레이터 회로는 74LS121과 같은 표준 단안정 멀티바이브레이터 IC, 74LS123 또는 4538B와 같은 리트리거 가능 단안정 멀티바이브레이터 IC를 사용해 쉽게 구성할 수 있습니다.
이 IC들은 두 개의 외부 RC 타이밍 부품만으로 최소 40 나노초에서 최대 28초까지의 출력 펄스 폭을 생성할 수 있으며, 이때의 펄스 폭은 다음과 같은 공식으로 구할 수 있습니다:
T=0.69RC
이처럼 단안정 멀티바이브레이터 회로는 간단한 트리거 펄스를 이용하여 정밀한 시간 지연을 제공하며, TTL 및 CMOS 회로에서 널리 사용됩니다.
