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マルチバイブレータは、2つの状態を切りかえて方形波(パルス)をつくる回路で、非安定(発振器)・単安定・双安定(フリップフロップ)の3種類があります。非安定のしくみは充電と放電の節、NAND 回路での見分け方は入力の数の節へ。
結論|まず30秒でわかる答え
マルチバイブレータとは、2つの状態(オンとオフ、0と1)を切りかえて方形波(パルス)をつくる回路です。安定な状態の数で3種類に分かれ、ずっと切りかわり続ける非安定(発振器)、きっかけで一定時間だけ切りかわる単安定、2つの状態を保つ双安定(フリップフロップ・記憶)があります。切りかわる時間は、抵抗とコンデンサの時定数で決まります。
マルチバイブレータとは?0と1を切りかえる回路
マルチバイブレータは、出力が「高い電圧(1)」と「低い電圧(0)」のどちらかになり、それを切りかえる回路です。出力は四角い波(方形波・パルス)になります。デジタル回路のクロックや、タイマー、記憶の回路に使われます。
| 種類 | 安定な状態の数 | 動き | 主な使いみち |
| 非安定(無安定) | 0 | 何もしなくても、0と1をずっと交互にくり返す | 発振器(クロック) |
| 単安定 | 1 | きっかけ(トリガ)が入ると、一定時間だけ反対の状態になり、もとに戻る | タイマー、パルスの幅をそろえる |
| 双安定 | 2 | 入力が来るまで、0か1の状態を保ち続ける | フリップフロップ(記憶) |
たとえると
シーソーにたとえると、非安定は勝手に上下し続けるシーソー、単安定は押すと少しの間だけ傾いて戻るシーソー、双安定はどちらかに傾いたまま止まり、押されたときだけ反対に傾くシーソーです。
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非安定マルチバイブレータのしくみ:コンデンサの充電と放電
トランジスタを使った非安定マルチバイブレータでは、コンデンサが充電と放電をくり返すことで、トランジスタのオンとオフが自動で切りかわります。平成23年度 問13の流れで追ってみます。
STEP 1
スイッチ(相手のトランジスタ)が開いているとき:ベースに抵抗を通して正の電圧がかかり、トランジスタはオン。コンデンサは充電される
STEP 2
スイッチが閉じた瞬間:コンデンサの電荷でベースの電圧が負になり、トランジスタはオフ。コレクタの電圧は高くなる
STEP 3
コンデンサが放電し、やがてベースの電圧が負から正に変わる
STEP 4
ベースが正になるとトランジスタがオンになり、コレクタの電圧が下がる。これを左右のトランジスタが交互にくり返す
切りかわるまでの時間は、抵抗Rとコンデンサの容量Cの積(時定数τ=RC)に比例します。たとえば R=10kΩ、C=0.1μF なら τ=10×10³×0.1×10⁻⁶=0.001秒(1ms)です。Rを2倍にすると時定数も2倍になり、周期は長く、周波数は低くなります。
注意|ここで間違えやすい
「抵抗を大きくすると発振周波数が高くなる」は誤りです(平成25年度 問18)。抵抗やコンデンサを大きくすると、充電・放電に時間がかかるので、周波数は低くなります。
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NAND回路のマルチバイブレータは「入力の数」で見分ける
NAND(ナンド)回路の2つの入力をつないだり、片方を1に固定したりすると、NOT回路(入力の反対を出す回路)として使えます。NAND回路2個でつくるマルチバイブレータは、外から入る入力の数で種類がわかります。
| 外からの入力の数 | 種類 | 性質 |
| 0 | 非安定 | 出力からパルスが連続して出る(発振器) |
| 1 | 単安定 | 入力のきっかけで、一定時間のパルスを1回出す |
| 2 | 双安定 | 0や1を記憶する(フリップフロップ) |
POINT
「入力が0個なのにパルスが出続ける」=発振器、「入力2つ(セット・リセット)で状態を保つ」=記憶、と覚えると、令和元年度 問17・令和7年度下期 問18 の(b)がすぐに解けます。
電験三種の過去問で確かめる
| 年度・問題 | 問われたこと | 答えのポイント |
| 平成23年度 問13 | トランジスタの非安定マルチバイブレータの動き | 正・オン・左・放電・負から正 |
| 平成25年度 問18 | NOT ICの非安定マルチバイブレータの正誤 | ICは電源が要る、Rを大きくすると周波数は低い、入力側の抵抗は電流を制限 |
| 令和元年度 問17・令和7年度下期 問18(同じ問題) | (a)MOSFETの回路と同じ真理値表のNAND接続 (b)3つの回路と性質の対応 | (a)NOTになる接続 (b)発振器=入力0、記憶=入力2 |
マルチバイブレータでよくある間違い
| よくある間違い | 正しい考え方 |
| 非安定は安定な状態が2つ | 非安定は安定な状態が0(ずっと切りかわる) |
| フリップフロップは非安定 | フリップフロップは双安定(記憶) |
| 抵抗を大きくすると周波数が高い | 時定数が大きくなり、周波数は低くなる |
| ICの回路は電源が要らない | ICは電源が必要(図で省略されているだけ) |
| 放電中もトランジスタはオンのまま | ベースが負の間はオフ、正に戻るとオン |
よくある質問
Q. マルチバイブレータとは?
A. 2つの状態(0と1)を切りかえて、方形波(パルス)をつくる回路です。
Q. 非安定・単安定・双安定の違いは?
A. 安定な状態の数が0・1・2の違いで、それぞれ発振器・タイマー・記憶に使います。
Q. フリップフロップはどの種類?
A. 双安定マルチバイブレータです。0か1の状態を保ち、記憶の回路に使われます。
Q. 発振周波数を低くするには?
A. 抵抗かコンデンサを大きくして時定数RCを大きくすると、周期が長く周波数が低くなります。
Q. NAND回路で発振器を見分けるには?
A. 外からの入力が0個の回路が非安定で、出力からパルスが出続けます。
この記事の要点
- マルチバイブレータ:0と1を切りかえて方形波をつくる回路
- 非安定(安定0・発振器)、単安定(安定1・タイマー)、双安定(安定2・記憶)
- コンデンサの充放電でトランジスタのオン・オフが切りかわる
- 周期は時定数RCに比例。Rを大きくすると周波数は低い
- NAND回路は外からの入力の数0・1・2で見分ける
参考にした資料
法令・規格・資料は改訂されることがあります。実務で使うときは、発行元の最新版で確かめてください。
この記事の理解を深める本と道具
おすすめの本
「マルチバイブレータ」を試験の得点につなげるなら、前後の単元とあわせて教科書で押さえておくと安心です。TAC出版『みんなが欲しかった!』シリーズの、電験三種「理論」の教科書と問題集が1冊になった本です。
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電験三種・QC検定1級 / メーカーでパワエレ設計・品質保証 実務10年
メーカーで回路設計と生産技術(品質改善)に携わってきた経験をもとに執筆しています。むずかしい専門用語をできるだけ使わず、はじめて学ぶ人がつまずかないように、図とたとえで説明することを大切にしています。
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