Schmitt-trigger tanulmányozása

Átírás

1 Schmirigger anulmányozása 1. Bevezeés Analóg makroszkopikus világunkban minden fizikai mennyiség folyonos érékkészleű. Csak néhánya emlíve ilyenek a hossz, idő, sebesség, az elekromos mennyiségek (feszülség, áramerősség, ellenállás), sb. Ahhoz, hogy az analóg világból á érjünk a digiális világba, az analóg mennyiségeke digiálissá kell alakíanunk. A legegyszerűbb digiális jelrendszer a kéérékű, azaz bináris rendszer. Ebben a digiális mennyiségek nagyságá a kees számrendszerben adjuk meg. I összesen ké számérék szükséges egy eszőleges szám felírásához: a 0 és az 1. A kees számrendszer öbbféle módon reprezenálhajuk. Például elekronikusan úgy, hogy egy áramkörben ha folyik áram, akkor az a digiális 1e, ha pedig nem folyik, akkor az a digiális 0á jelense. Másik leheőség, hogy ha valahol feszülség jelenik meg, akkor az digiális 1e jelen, ha pedig nem mérünk feszülsége, akkor az digiális 0á. Amikor egy analóg jele digiálissá alakíunk, az egyik alapfelada az összehasonlíás. Ennek kapcsán ké analóg éréke hasonlíunk össze, de az összehasonlíás eredménye már digiális érék, azaz csak ké éréke vehe fel. Ha a ké összehasonlíandó mennyiség feszülség (, ), akkor a ké leheséges eredmény: <, ill. U 2 (miuán csak ké kimenei érék leheséges, olyan relációka kell keresnünk, amelyek kölcsönösen kizárják egymás, ugyanakkor az összes leheséges esee lefedik). Egy ilyen felada megvalósíásához olyan áramkörre van szükség, amelynek bemenee ké analóg feszülsége ud fogadni kimenee ké sabil állapo egyikébe billen. Az ilyen ulajdonságú áramköröke nevezzük komparáoroknak. Komparáor öbbféle módon meg lehe valósíani, mi a ranziszorokkal és művelei erősíővel felépíheő komparáorokkal foglalkozunk a ovábbiakban. A digializálás melle a műszaki gyakorlaban nagyon gyakori felada annak megállapíása, hogy egy mennyiség meghalade egy ado éréke. Ilyen felada lehe egy arály vízszinjének, egy helyiségben a radioakív sugárzás szinjének a figyelése, de ilyen a hőmérsékle ellenőrzése figyelése egy hűőgépben vagy egy süödében. Mivel a figyel mennyiségeke álalában elekromos feszülséggé alakíjuk, így a feladao feszülségszin összehasonlíásra vezejük vissza. A komparáoroka ehá a gyakorlaban sokszor felhasználjuk, így érdemes közelebbről is megismerkedni velük. 2. Komparáor kapcsolás művelei erősíővel A komparáor áramkör ké feszülség jele hasonlí össze, és meghaározza hogy melyik a nagyobb. Az összehasonlíás végeredménye a kimenei feszülségszinben muakozik meg: ha például egy művelei erősíő (ami ulajdonképpen már önmagában is egy komparáor) kimenee a poziív ápfeszülségre billen, akkor a neminveráló () bemeneére vezee jel nagyobb poziívabb min az inveráló bemeneén () lévő jel. Ha pedig negaív ápfeszülségre billen az erősíő kimenee, akkor az inveráló bemeneen () lévő jel a nagyobb, vagyis a poziívabb. 1

2 Az 1. ábrán láhaó kapcsolásban az és az ellenállásokból lérehozo feszülségoszó adja meg az ábillenési feszülsége. Ha a bemenő feszülség ( ) ennél kisebb, a művelei erősíő kimenee a poziív ápfeszülségre billen (figyelem, az inveráló bemenere van köve!), ha ennél nagyobb, akkor a negaív ápfeszülségre (ami ebben az eseben 15 V). 15V 15V 1. ábra Komparáor művelei erősíővel Ilyen kapcsolás rikán szokak alkalmazni, mer használaakor öbb probléma is adódik. I mos csak keő emlíünk ezek közül: az erősíő a nagy bemenő ellenállása mia erősen zajérzékeny mivel a bemenei jel álalában zajjal erhel, ezér ha a jel álagéréke az ábillenési feszülség közelében van, akkor a zaj ideoda billeni az áramkör, s végülis a zaj ampliúdója fogja megszabni, hogy a kimene mekkora feszülségnél nyugszik meg az egyik végállapoában. Ezek elkerülésére sokkal jobb lenne egy olyan áramkör, amelynél a kimene magas és alacsony szinje közöi ábillenéshez arozó bemenei feszülség különböző, azaz hiszerézise van. Ez valósíja meg a Schmirigger. 3. Schmirigger kapcsolás művelei erősíővel A Schmirigger olyan jelösszehasonlíó (azaz komparáor) billenő kapcsolás, amely hiszerézissel rendelkezik. Megvalósíása a 2. ábrán láhaó egyszerű kapcsolással leheséges. I 1 15V I 1 15V I 3 I 3 I 2 15V I 2 R v 15V 2. ábra Schmirigger megvalósíása művelei erősíővel 3. ábra Módosío Schmirigger művelei erősíővel A művelei erősíő ápfeszülsége 15 V és 15 V, ezér ezek jelenik a kimenei feszülség szélső (elíési) érékei is. Az ábillenési feszülsége mos is az feszülség adja meg, ez azonban mos az ellenállás álal lérehozo poziív visszacsaolás mia függeni fog a kimenei feszülségől. Mivel a művelei erősíő ideálisnak ekinjük, az feszülsége kizárólag a három ellenállás és ké feszülség (, illeve =15 V) haározzák meg: = I 1 I 3 = (1) 15 U 1 2

3 Az egyenlee re árendezve : 15 = 1 A panelen =10 k, =10 k, =100 k. Ezeke behelyeesíve: = A ké ábillenési feszülsége =15 V és =15 V behelyeesíésével kapjuk: =7,86 V, ill. =6,43 V. Ezér a Schmiriggerünk kimenee a 4. ábrán láhaó módon fog alakulni. 1 = U R V 6.43 V 7.86 V 6.43 V 15 V 15 V 4. ábra Schmi rigger kimeneének válozása válozó bemenei jel eseén Tehá a Schmi rigger bemeneére ado növekvő bemenei feszülség eseén 7,86 Vnál fog ábillenni a kimenei feszülség az eredei poziív (15 V) ápfeszülségről a negaív (15 V) ápfeszülségre, és csökkenő bemenei feszülség eseén 6,43 Vnál billen vissza a kimene a 15 Vos ápfeszülségre. Ez az is jeleni, hogy U=7,86 V6,43 V=1,43 V hiszerézissel rendelkezik, azaz ha a zajok a bemenei feszülségen ennél kisebbek, akkor azok nem fogják ábilleneni az áramkör. 3.1 Schmirigger méreezése A művelei erősíővel felépíe inveráló schmirigger méreezéséhez a kövekező kiindulási paraméerekre van szükségünk: Poziív billenési feszülség (u b ), negaív billenési feszülség (u b ), ápfeszülség (u ), és a művelei erősíő elíési kimenei feszülsége (u sa ), éréke. Nézzünk egy példá: u b =2 V, u b =1 V, u ± =12 V, u sa =11,2 V (TL071 IC eseén), =10 k. Az egyszerűsíe kapcsolás (4. ábra) paraméerei: u v = u sa u b u b 11,2 2 1 = 2 u sa u b u b 2 11,2 2 1 =1,57 V 3

4 R 4 = u b u b 10 k 2 1 = =467 Ohm 2 u sa u b u b 2 11,2 2 1 A 3. ábrán láhaó feszülségoszó ( ) érékének meghaározása: = ±u R 4 u v = =3570 Ohm 1,57 = ±u R = =537 Ohm u u v 12 1,57 R 4 12V 12V U v Elmélei feladaok: 5. ábra Egyszerűsíe Schmirigger kapcsolás F1: Haározzon meg olyan ellenálláshármas a 2. ábrán láhaó kapcsolásban, amelynél a bebillenés éppen 7,5 Vnál örénik, a visszabillenés pedig 6,0 Vnál. F2: Írja fel a 3. ábrán láhaó módosío Schmirigger kapcsolás billenési szinjeinek egyenleé (1)hez hasonlóan! Mi az előnye ennek az áramkörnek az alap kapcsoláshoz képes? F3: Hogyan válozaná meg ez az áramköri kapcsolás ahhoz, hogy folyamaosan szabályozni lehessen a bebillenési szinjé? F4: Vizsgálja a visszacsaoló ellenállás haásá. Mi örénik, ha R3 (szakadás)? Mi örénik, ha R3 0 (rövidzár)? 4. Tranziszoros Schmi rigger U be 2k2 10 k T1 U E T ábra Tranziszoros Schmirigger könnyedén kiszámíhaók. Elmélei feladaok: 1 k 5 V A 6. ábra egy ranziszorokkal megvalósío Schmi rigger mua. A poziív visszacsaolás mia az áramkör ké állapoú: vagy az egyik ranziszor veze, vagy a másik. A hiszerézis az egyes kollekorokba kapcsol különböző nagyságú ellenállások bizosíják. Mivel érékük az emierben lévő ellenállásnál egy nagyságrenddel nagyobb, ezér ezek állíják be a ranziszorokon (és ezzel az emier ellenálláson) áfolyó áram éréké. Fonos, hogy ha U be T 1 bázisán van, akkor a T 1 ranziszor kollekorába kapcsol ellenállás legyen a nagyobb. Az emier ellenálláson eső feszülség megszabja a ranziszorok nyiófeszülségé (ami az emierbázis diódán eső feszülséggel, azaz kb. 0,6 Val nagyobb U E nél), s mivel mindké ranziszor elíéses üzemmódban dolgozik (azaz U CE ~0 V), az ellenállások ismereében a billenési szinek F5: Haározza meg a 6. ábrán láhaó ranziszoros Schmi rigger billenési szinjei! (A ranziszor ekinse ideális ranziszornak, =200. Segíség: elíéses ranziszorüzem!) F6: Indokolja, miér fonos, hogy a T 1 kollekorába kapcsol ellenállás legyen nagyobb? 4

5 5. Asabil mulivibráor (relaxációs oszcilláor) művelei erősíővel A Schmirigger kis módosíásával négyszögjelgeneráor (oszcilláor) is készíheünk. A Schmiriggerhez hasonlóan ez az áramkör is az feszülségoszó kimeneifeszülség függésé használja ki. Figyelem! Ez egy oszcilláor, s működése nem igényel külső jelforrás. Visszacsaolása a poziív ágban örénik! Vizsgáljuk az 7. ábrán láhaó kapcsolás: C A és megszabja az áramkör billenési ponjai: b1 =U, ill. U R 1b2 =U. 3 Ezek nyilván és közé esnek. Kiindulásképpen együk fel, hogy a művelei erősíőnk éppen a poziív ápfeszülségre billen ki. Ez az jeleni, hogy < hiszen ezér megy elíésbe az erősíő. Ekkor a C kondenzáor b2 C ölés halmozo fel, és elkezd áölődni az ellenálláson kereszül = irányába. Egy kezdei öléssel rendelkező kondenzáor ölődésének egyenlee: q=q 0 e RC CU 1 e 7. ábra Asabil mulivibráor művelei erősíővel RC. A mi eseünkben U=, és q 0 =b2 C, ehá a ölődési egyenle: q= C 1 e C b2 C e C. U2 időbeli válozásá az = 1 e C U b2 e egyenle írja le. Láhajuk, hogy exponenciális (lásd a 8.ábrán), időállandójá az C szorza adja meg. Ne feledjük, hogy C ölődési ideje csak az egyik félperiódusra vonakozik, ezér =T/2! C 8. ábra C feszülségidő függvénye a ölődés ala 9. ábra Asabil mulivibráor TRC függvénye 5

6 A folyamaosan növekvő el fogja érni az b1 billenési feszülsége (8. ábra, nyíllal jelöl pon), s akkor a poziív visszacsaolás mia az áramkör hirelen ábillen a másik végállapoába, azaz = és ennek megfelelően =U b2 lesz (10. ábra). A billenésig elel idő az alábbi egyenleből számíhaó: U T b1 = 1 e 2 C T 2 U 1b2 e 2 C. Ez az egyenlee Tre 1.36 V 1.36 V 15 V 15 V 10. ábra és feszülségmenee Elmélei felada: kifejezve megkapjuk a periódusidő. A relaxációs oszcilláor kimeneének periódusideje: T =2 C ln b1 U. 1b2 A billenés uán a kondenzáoron nem ud hirelen megválozni a feszülség, ezér az ábillenés uáni pillanaban =U b1. Innenől kezdve azonban a kondenzáor elkezd áölődni, és az pon feszülsége exponenciálisan mos már az új feszülséghez, azaz hoz kezd arani, ameddig el nem éri az U b2 feszülsége. I a folyama eljuo abba az állapoba amiből kiindulunk, s a kör újraindul. F7: Haározza meg a relaxációs oszcilláor frekvenciájá! ( =12 V, =12 V, =100 k, C=100 nf, =10 k, =100 k ) Ellenőrző kérdések: E1: Mik az egyszerű (visszacsaolalan) komparáor hárányai? E2: Mire szolgál a poziív visszacsaolás egy komparáor kapcsolásban? E3: Magyarázza meg a hiszerézis lényegé! (ábra alapján) E4: Rajzolja fel egy relaxációs oszcilláor sémájá! Rajzolja fel az inveráló bemeneen mérheő jelalako! E5: Adja meg egy ranziszoros schmirigger sémájá! Mi haározza meg hiszerézisének nagyságá? 3. Mérés Mérési feladaok: M1: Épíse meg az 1. ábra szerini kapcsolás, A741es művelei erősíő használva. =22 k, =10 k. Válozassa lassan, a billenési küszöb közelében a bemenei feszülsége! Figyelje a kimene válozásá! Írja le mi apaszal! M2: Alakísa á a kapcsolás a 2. ábra szerin! =100 k. Milyen válozás apaszal? M3: Épíse meg a 6. ábra szerini kapcsolás, vizsgálja működésé! T 1,2 =BC182 M4: Épísen a 7. ábra alapján relaxációs oszcilláor (U ± =±15V, =10 k, =22 k )! Válassza úgy és C éréké, hogy az oszcilláor 12 khzen rezegjen! Művelei erősíőkén TL071e használjon. Ellenőrizze a jelalakoka a művelei erősíő bemeneein és kimeneén! A kimenei feszülség megfigyelése uán cserélje ki a művelei erősíő A741re! Milyen válozás apaszal a jelalakban? Mi lehe a különbség oka (adalapok összehasonlíása alapján)? 6