Monostabilný preklápací obvod [ MKO ]

 

    Monostabilný preklápací obvod je obvod s jedným stabilným stavom a  s jedným nestabilným stavom. V stabilnom stave môže zotrvať neobmedzene dlhú dobu, v nestabilnom stave len určitú prechodnú dobu. Táto prechodná doba závisí od vlastností obvodu a označuje sa ako doba kyvu monostabilného obvodu. Zo stabilného stavu do nestabilného stavu sa obvod dostáva pôsobením krátkeho vonkajšieho impulzu. Z toho vyplýva, že monostabilný preklápací obvod na rozdiel od astabilného preklápacieho obvodu má nielen výstupné svorky, ale aj vstupné svorky, ako to vidno na obrázku nižšie. Pri schéme monostabilného preklápacieho obvodu sú uvedené priebehy významných napätí na jednotlivých tranzistoroch.
 

 

    Ako z obrázku vidno, monostabilný preklápací obvod nie je symetrický obvod ako bol astabilný preklápací obvod. Základný rozdiel je v tom, že báza tranzistora T2 je pripojená cez rezistor RB2 na kolektor tranzistora T1 a nie na napájacie napätie +UCC. Báza tranzistora T1 je pripojená podobne ako v astabilnom preklápacom obvode cez rezistor RB1 na napájacie napätie +UCC. Monostabilný preklápací obvod má vstup, na ktorý sa pripája budiaci zdroj pravouhlého signálu. Z tohoto pravouhlého signálu sa kondenzátorom CV vytvoria krátke impulzy ( kondenzátor CV so vstupným odporom tranzistora T2 tvoria derivačný článok ), ktorými sa potom monostabilný preklápací obvod ovláda – spúšťa.

    Činnosť monostabilného preklápacieho obvodu si začneme všímať od okamihu, keď na obvod pripojíme napájacie napätie +UCC. Po pripojení napájacieho napätia +UCC cez rezistor RB1 tečie prúd IB1 , ktorý spôsobí úplné otvorenie tranzistora T1, teda UKE1 = 0 V. Cez otvorený prechod K–E tranzistora T1 sa rezistor RB2 svojou ľavou svorkou ( podľa schémy ) pripojí na elektrickú zem. Tým je zabezpečené, že medzi bázou a emitorom tranzistora T2 je nulové napätie, čo má za následok úplné uzatvorenie tranzistora T2 a teda UKE2 = +UCC. Pokiaľ je tranzistor T2 uzatvorený môže sa kondenzátor C2 nabiť cez rezistor RK2 na napätie :

UC2 = UCC – UBE1 = UCC – 0,6 V

    Tento stav sa zmení, ak v čase t0 privedieme na vstup obvodu spúšťací pravouhlý signál. Tak ako sme už povedali, pri prechode cez kondenzátor CV sa z tohoto pravouhlého signálu vytvoria krátke impulzy, ako to vidno na obrázku vyššie. V okamihu privedenia kladného impulzu na bázu tranzistora T2 , tento sa otvorí a pripojí kladnú ( + ) svorku kondenzátora C2 na elektrickú zem obvodu. Keďže zápornou ( – ) svorkou je kondenzátor C2 pripojený na bázu tranzistora T1 , svojím napätím –UC2 pôsobí ako zdroj záporného predpätia na báze tranzistora T1 a spôsobí jeho okamžité uzatvorenie. Napätie na kolektore tranzistora T1 narastie okamžite na napätie blízke +UCC ( okamžite preto, lebo v obvode kolektora T1 nie je žiaden kondenzátor ). Pre napätie UKE1 platí :

UKE1 = UCC – RK1.IB2

Tento stav, tranzistor T1 uzatvorený a tranzistor T2 otvorený, bude trvať dovtedy, kým sa kondenzátor C2 nenabije z napätia –UC2 na napätie +0,6 V cez rezistor RB1 z napájacieho napätia +UCC. Čas t1, za ktorý sa tak stane, je ovplyvnený časovou konštantou daného obvodu :

t1 = RB1.C2

a určíme ho zo vzťahu :

t1 = 0,69. RB1.C2

Keď sa kondenzátor C2 nabije na napätia +0,6 V, tranzistor T1 sa otvorí a uzemní ľavú svorku rezistora RB2, čím spôsobí okamžité uzatvorenie tranzistora T2. Napätie na kolektore tranzistora T2 narastá na napätie + UCC s časovou konštantou

t4 = C2.RK2

Tým sa obvod dostal do stabilného stavu a zotrvá v ňom až kým sa na báze tranzistora T2 neobjaví kladný spúšťací impulz.


Odvodenie času t trvania nestabilného stavu obvodu.

    Na odvodenie vzťahu pre výpočet času t trvania nestabilného stavu monostabilného preklápacieho obvodu použijeme nasledujúci obrázok.

Po pripojení napájacieho napätie UCC sa kondenzátor C2 nabije cez rezistor RK2 na napätie :

UC2 = UCC – UBE1o = UCC – 0,6 V

UBE1o ... je napätie medzi bázou a emitorom tranzistor T1 v stave, keď je tranzistor otvorený a má hodnotu približne 0,6 V.

V čase to privedieme na vstup monostabilného preklápacieho obvodu spúšťací impulz  uvst, čím sa tranzistor T2 otvorí a pripojí kondenzátor C2 medzi bázu tranzistora T1 a elektrickú zem obvodu. V tomto okamihu napätie UBE1 na báze tranzistora T1 sa rovná napätiu na kondenzátore C2 , čo je – UC2 , čím sa tranzistor T1 okamžite zatvorí. Toto napätie označíme ako UBE1z a môžeme písať :

UBE1z = – UC2 = – UCC + UBE1o

Zároveň na rezistore RB1 vzniká úbytok napätia ( podľa II. Kirchhoffovho zákona ) :

UCC = URB1 + ( – UC2 )

teda :

URB1 = UCC – ( – UC2 ) = UCC + UC2 = UCC + UCC – UBE1o = 2.UCC – UBE1o

Toto je aj napätie, ktoré ovplyvňuje proces nabíjania kondenzátora C2 z napätia – UC2 na napätie kladné, konkrétne +0,6 V cez rezistor RB1, pri ktorom sa tranzistor T1 otvorí. Pre nabíjací prúd ic môžeme písať :

Pre proces nabíjania kondenzátora C2 môžeme písať :

( 2.UCC – UBE1o ).( 1 – e– t/t ) = UC2

Nás však zaujíma čas t, za ktorý sa napätie na kondenzátore C2 zmení z hodnoty – UC2 na hodnotu UBE1o, t.j. +0,6 V. Napätie na kondenzátore C2 sa za tento čas zmení o hodnotu :

UBE1o – (– UC2 ) = UBE1o + UC2 = UBE1o + UCC – UBE1o = UCC

Teda pre určenie času t môžeme písať :

( 2.UCC – UBE1o ).( 1 – e– t/t ) = UCC

2.UCC – UBE1o – ( 2.UCC – UBE1o ).e– t/t = UCC

– ( 2.UCC – UBE1o ).e– t/t = – UCC + UBE1o

Z poslednej rovnice vidieť, že ak bude UCC >> UBE1o , potom sa rovnica zjednoduší na známy tvar :

t = t.ln2 = t.0,69 = 0,69.RB1.C2

pričom ako z rovnice vidno, t je časová konštanta obvodu RB1, C2.


    Podobne ako pri astabilnom preklápacom obvode, aj monostabilný preklápací obvod vieme realizovať pomocou rôznych elektronických súčiastok a to či už tranzistormi, logickými integrovanými obvodmi, operačnými zosilňovačmi alebo špeciálnymi integrovanými obvodmi určenými na tento cieľ. Niektoré zapojenia monostabilných preklápacích obvodov sú na nasledujúcich obrázkoch.

    V praktickom zapojení MKO s tranzistormi NPN sa zapája paralelne k rezistoru RB2 kondenzátor Ck malej hodnoty ( jednotky až desiatky pF ), tzv. urýchľovací, ktorý zabezpečuje rýchlejšie otvorenie tranzistora T2 ( rýchlejšie sa nabije parazitná kapacita medzi bázou a emitorom tranzistora T2 ). Spustenie ( preklopenie ) obvodu je možné zabezpečiť aj privedením záporného spúšťacieho impulzu do bázy tranzistora T1, alebo do kolektora tranzistora T2.

    Monostabilný preklápací obvod sa používa v automatizačnej a impulzovej technike na časové skrátenie alebo predĺženie trvania vstupných pravouhlých signálov, alebo tiež na časové oneskorenie vstupných impulzných signálov, alebo oneskorenie nábežnej hrany ( čela ) alebo dobežnej hrany ( tyla ) pravouhlého vstupného signálu.

 


!!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu