Schmittov preklápací obvod [ SKO]

 

    Do skupiny bistabilných preklápacích obvodov patrí aj Schmittov preklápací obvod. Tento obvod na rozdiel od už spomínaného bistabilného preklápacieho obvodu s dvoma tranzistormi je možné ovládať ( spúšťať ) vstupným signálom ľubovoľného tvaru, ba dokonca aj jednosmerným napätím. Práve preto sa tiež zaraďuje do skupiny tvarovacích obvodov. Ak privedieme na vstup Schmittovho preklápacieho obvodu signál ľubovoľného tvaru, na výstupe dostaneme vždy signál pravouhlého tvaru. Schéma zapojenia s prevodovou charakteristikou obvodu je na nasledujúcom obrázku.

    

    Ide o dvojstupňový, jednosmerne viazaný zosilňovač so zavedenou kladnou spätnou väzbou cez emitorový rezistor RE. Tento rezistor je spoločný emitorový rezistor pre obidva tranzistory T1 aj T2. V tomto obvode je v stabilnom stave tranzistor T2 otvorený a tranzistor T1 zatvorený. V prechodnom stave je tranzistor T2 zatvorený a tranzistor T1 otvorený. Ovládanie tranzistora T2 tranzistorom T1 je realizované cez odporový delič zložený z rezistorov R1R2.

Poznámka : V niektorých prípadoch sa prechodný stav SKO označuje ako nestabilný stav. Toto označenie nie je príliš správne, pretože čas trvania nestabilného stavu nejakého obvodu, napr. MKO, je daný výlučne vlastnosťami daného obvodu. V nestabilnom stave obvod zotrváva aj po doznení vstupného signálu, ktorý ho vyvolal a po uplynutí určitého času, určeného vlastnosťami obvodu, sa vracia sám do stavu stabilného. Čas trvania prechodného stavu nejakého obvodu, napr. SKO, je daný výlučne vonkajšími vplyvmi a nie vlastnosťami daného obvodu. Obvod má síce svoj stabilný stav, do ktorého sa nastaví po pripojení napájacieho napätia alebo po doznení vonkajšieho vplyvu, ale v prechodnom stave zotrváva tak dlho, kým naň pôsobí vonkajší vplyv ( u nás vstupné napätie U1 požadovanej úrovne).

Činnosť obvodu:

Činnosť obvodu je založená na porovnávaní veľkosti vstupného signálu U1 s veľkosťou referenčného napätia obvodu daného súčtom napätí UBE1URE. Toto referenčné napätie sa v priebehu činnosti Schmittovho preklápacieho obvodu mení. Ako vidno na obrázku, v prípade prechodu obvodu zo stabilného stavu do prechodného stavu má referenčné napätie hodnotu U11, v prípade prechodu obvodu z prechodného stavu do stabilného stavu má referenčné napätie hodnotu U12.   Rozdiel medzi obidvoma referenčnými napätiami U11U12 sa nazýva hysteréza obvodu ( oblasť necitlivosti obvodu na zmeny úrovne vstupného spúšťacieho signálu ). Jej veľkosť je daná hysteréznym napätím UH :

UH = U11 – U12

Dôležitou podmienkou pre správnu činnosť Schmittovho preklápacieho obvodu je, aby bol maximálny kolektorový prúd IK1 tranzistora T1 menší ako maximálny kolektorový prúd IK2 tranzistora T2. Môžeme teda písať :

U11 = UBE1 + URE = UBE1 + RE.IK2

U12 = UBE1 + U‘RE = UBE1 + RE.IK1

teda ak : IK1 < IK2

potom : U11 > U12

    Všimnime si činnosť obvodu od okamihu pripojenia napájacieho napätia +UCC bez priloženého spúšťacieho napätia U1. Po pripojení napájania tranzistor T1 ostáva v zatvorenom stave, pretože na svojej báze nemá priložené žiadne ovládacie napätie U1. Z tohoto dôvodu potečie prúd Id cez rezistor RK1 do odporového deliča R1, R2. Na rezistore R2 tento prúd vytvorí dostatočný úbytok napätia UR2, ktorý spôsobí otvorenie tranzistora T2. Tranzistor T2 sa dostáva do saturácie a medzi jeho kolektorom a emitorom je saturačné napätie USAT2. Na výstupe obvodu je napätie U2 veľkosti :

U2 = USAT2 + URE = USAT2 + RE.IK2

Tento stav obvodu sa nazýva stabilný stav.

    Po priložení spúšťacieho napätia U1 na vstup obvodu sa stabilný stav nezmení, pokiaľ bude platiť, že :

U1 < U11

Ak vstupné spúšťacie napätie U1 dosiahne úroveň referenčného napätia U11, tranzistor T1 sa mierne pootvorí, čo spôsobí pokles jeho kolektorového napätia UK1. Pokles tohoto napätia má za následok pokles prúdu Id odporovým deličom R1, R2 a teda aj pokles napätia UR2 na rezistore R2, čo spôsobí privretie tranzistora T2. Privretím tranzistora T2 klesne aj jeho kolektorový prúd IK2, čo má za následok pokles napätia URE na rezistore RE. Poklesom napätia URE sa zvýši napätie UBE1 medzi bázou a emitorom tranzistora T1 ( je dané rozdielom vstupného napätia U1 a napätia URE ), čím sa tranzistor T1 ešte viac otvára, napätie na jeho kolektore UK1 ešte viacej klesá, čo spôsobí výraznejšie privretie tranzistora T2 s výraznejším poklesom prúdu IK2 a napätia URE. Celý tento proces predstavuje uzatvorený cyklus, ktorý prebieha vo vnútri obvodu a ktorého výsledkom je, že napätie UBE1 medzi bázou a emitorom tranzistora T1 sa neustále zvyšuje, tranzistor T1 sa otvára až do stavu saturácie spolu s úplným uzatvorením tranzistora T2. Na výstupe obvodu je napätie U2 rovné plnému napájaciemu napätiu +UCC.

    Popísaný proces prebieha v obvode veľmi rýchlo, lavínovite, v dôsledku silnej kladnej spätnej väzby a je obmedzený hlavne vlastnosťami použitých tranzistorov, najme parazitnou kapacitou medzi bázou a emitorom tranzistora T2. Preto sa v praktickom zapojení používa urýchľovacia kapacita Ck pripájaná paralelne k rezistoru R1 v odporovom deliči R1, R2 ( zabezpečuje rýchly prenos náboja z kolektora tranzistora T1 do bázy tranzistora T2 ).

    Týmto spôsobom sa obvod dostáva do prechodného stavu a zotrvá v ňom dovtedy, kým vstupné spúšťacie napätie U1 dosiahne úroveň referenčného napätia U12. V okamihu keď U1 = U12 spustí sa v obvode opačný proces ako sme opísali v predchádzajúcom prípade. Tranzistor T1 sa mierne privrie, čím na jeho kolektore vzrastie napätie UK1, čo má za následok zväčšenie prúdu Id cez delič R1, R2 s následným zvýšením úbytku napätia UR2 na rezistore R2. Napätie UR2 mierne pootvorí tranzistor T2, ktorým začne pretekať malý kolektorový prúd IK2. Tento prúd IK2 spôsobí zvýšenie úbytku napätia URE na emitorovom rezistore RE, čo má za následok zmenšenie napätia UBE1 medzi bázou a emitorom tranzistora T1. Tým sa tranzistor T1 ešte viac privrie, napätie UK1 sa ešte viac zvýši spolu s napätím UR2, čím sa tranzistor T2 ešte viac pootvorí a jeho kolektorový prúd IK2 ďalej narastá. Nárastom prúdu IK2 ďalej narastá aj napätie URE a zároveň napätie UBE1 klesá, čím sa tranzistor T1 dostáva až do stavu úplného uzatvorenia s následným úplným otvorením tranzistora T2. Na výstupe obvodu je napätie U2 veľkosti :

U2 = USAT2 + URE = USAT2 + RE.IK2

Obvod sa dostal opäť do stabilného stavu.

    Schmittov preklápací obvod pracuje veľmi spoľahlivo. Voľbou rezistorov R1, R2, RK2 a RE vieme ovplyvňovať veľkosť hysterézy obvodu, ktorá sa však dá meniť len v rozsahu niekoľko desiatok až stoviek mV. Voľbou týchto rezistorov vieme tiež ovplyvňovať citlivosť, rýchlosť a spoľahlivosť obvodu. Ak pomocou týchto rezistorov v stabilnom stave nastavíme pracovný bod tranzistora T2 do oblasti silnej saturácie, potom vlastnosti obvodu nebudú tak závislé na parametroch použitých tranzistorov. Ak pracovný bod tranzistora T2 nastavíme týmito rezistormi na hranicu oblasti saturácie, obvod bude citlivejší na zmeny vstupného napätia ( hysteréza bude malá ), rýchlejší, avšak viac závislý na parametroch použitých tranzistorov.

    Použitie Schmittovho preklápacieho obvodu je hlavne v číslicovej a automatizačnej technike, kde sa využíva jeho schopnosť previesť signál ľubovoľného tvaru na signál pravouhlý so strmým čelom a tylom ( nábežnou a dobežnou hranou ). Keďže činnosť obvodu je založená na porovnávaní vstupného spúšťacieho napätia s referenčným napätím obvodu, môžeme ho použiť ako amplitúdový komparátor. Používa sa tiež v nízkofrekvenčnej technike na získanie obdĺžníkového signálu zo sínusového alebo pílovitého v tzv. funkčných generátoroch.


!!!   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