V tomto tutoriálu se dozvíme něco o Schmittově spoušti, o některých základních implementacích pomocí tranzistorů, optických zesilovačů, o tom, jak Schmittova spoušť funguje, a také o několika důležitých aplikacích. V jednom z dřívějších tutoriálů jsme si ukázali, jak lze časovač 555 nakonfigurovat jako Schmittovu spoušť.
Přehled
Úvod
Při provozu Op-Amp v režimu otevřené smyčky, kdy není použita zpětná vazba, například v základním obvodu komparátoru, způsobí velmi velké zesílení optického zesilovače v otevřené smyčce, že komparátor spustí i to nejmenší šumové napětí.
Používá-li se komparátor jako detektor nulového křížení, může takové falešné spuštění způsobit mnoho problémů. Může poskytnout nesprávnou indikaci nulového křížení v důsledku nulového křížení šumu, nikoliv skutečného nulového křížení vstupních signálů.
Aby se zabránilo takovému zbytečnému přepínání mezi vysokým a nízkým stavem výstupu, používá se speciální obvod zvaný Schmitt Trigger, který zahrnuje kladnou zpětnou vazbu.
Co je Schmitt Trigger?
Schmittovu spoušť vynalezl Otto Schmitt na počátku 30. let 20. století. Jedná se o elektronický obvod, který pomocí kladné zpětné vazby přidává k prahu přechodu mezi vstupem a výstupem hysterezi. Hystereze zde znamená, že poskytuje dvě různé úrovně prahového napětí pro vzestupnou a sestupnou hranu.
Schmittův spouštěč je v podstatě bi-stabilní multivibrátor a jeho výstup zůstává v jednom ze stabilních stavů po neomezenou dobu. Aby se výstup změnil z jednoho stabilního stavu do druhého, musí se vhodně změnit (nebo spustit) vstupní signál.
Tento bistabilní provoz Schmittova spouštěče vyžaduje zesilovač s kladnou zpětnou vazbou (nebo regenerativní zpětnou vazbou) se smyčkou gin větší než jedna. Proto je Schmittova spoušť známá také jako regenerativní komparátor.
Pokud máme například šumový vstupní signál, jak je znázorněno níže, dva prahy Schmittovy spouště správně určí impulsy. Základní funkcí Schmittovy spouště je tedy převod zašuměných čtvercových, sinusových, trojúhelníkových nebo jakýchkoli periodických signálů na čisté čtvercové impulsy s ostrými náběžnými a sestupnými hranami.
Schmittova spoušť pomocí tranzistorů
Jak již bylo uvedeno, Schmittova spoušť je v podstatě bistabilní obvod, jehož výstupní stavy jsou řízeny vstupním signálem. Proto jej lze použít jako obvod pro detekci úrovně. Následující obvod ukazuje jednoduchý návrh Schmittovy spouště na bázi tranzistoru.
Přestože tento obvod vypadá jako typický obvod bistabilního multivibrátoru, ve skutečnosti je jiný, protože v tomto obvodu chybí vazba z kolektoru Q2 na vstup Q1. Emitory Q1 a Q2 jsou vzájemně propojeny a uzemněny přes RE. RE také slouží jako zpětná vazba.
Činnost obvodu
Když je VIN nulový, Q1 je odpojen a Q2 je v saturaci. V důsledku toho je výstupní napětí VO NÍZKÉ. Pokud předpokládáme, že VCE(SAT) je rovno 0, pak je napětí na RE dáno vztahem:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Toto napětí je zároveň emitorovým napětím Q1. Aby tedy Q1 vedl, musí být vstupní napětí VIN větší než součet emitorového napětí a 0,7 V, tj.
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Když je VIN větší než toto napětí, Q1 začne vést a Q2 se v důsledku regeneračního působení odpojí. V důsledku toho přejde výstup VO do polohy HIGH. Nyní se napětí na RE změní na novou hodnotu a je dáno vztahem:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Tranzistor Q1 bude vést, dokud bude vstupní napětí VIN větší nebo rovno následující hodnotě:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Pokud VIN klesne pod tuto hodnotu, pak Q1 vystoupí ze saturace a zbytek obvodu pracuje je díky regeneračnímu působení Q1 přejde do vypnutí a Q2 do saturace.
Výstupní stavy HIGH a LOW jsou závislé na úrovních vstupního napětí daných rovnicemi
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 a (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Přenosové charakteristiky Schmittovy spouště vykazují hysterezi a řídí se dolním vypínacím bodem (dolní prahové napětí) a horním vypínacím bodem (horní prahové napětí) danými vztahy VLT a VUT.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Změnou hodnot RC1 a RC2 lze řídit velikost hystereze, zatímco hodnotou RE lze zvýšit horní prahové napětí.
Obvody Schmittovy spouště na bázi operačních zesilovačů
Protože obvod Schmittovy spouště je v podstatě zesilovač s kladnou zpětnou vazbou, je možné toto nastavení realizovat pomocí operačních zesilovačů nebo jednoduše operačních zesilovačů. Podle toho, kam je přiváděn vstup, lze obvody založené na operačních zesilovačích dále rozdělit na invertující a neinvertující Schmittovy spouštěče.
Invertující obvod Schmittovy spouště
Jak název napovídá, v invertujícím Schmittově spouštěči je vstup přiveden na invertující svorku operačního zesilovače. V tomto režimu má produkovaný výstup opačnou polaritu. Tento výstup je přiveden na neinvertující svorku, aby byla zajištěna kladná zpětná vazba.
Pokud je VIN o něco větší než VREF, výstup se stane -VSAT, a pokud je VIN o něco menší než -VREF (zápornější než -VREF), výstup se stane VSAT. Výstupní napětí VO je tedy buď na úrovni VSAT, nebo -VSAT a vstupní napětí, při kterém dochází k těmto změnám stavu, lze řídit pomocí R1 a R2.
Hodnoty VREF a -VREF lze formulovat takto:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Proto VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Proto -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
Referenční napětí VREF a -VREF se nazývají horní prahové napětí VUT a dolní prahové napětí VLT. Na následujícím obrázku je znázorněn graf závislosti výstupního napětí na vstupním napětí, známý také jako přenosová charakteristika Schmittovy spouště.
Pro čistě sinusový vstupní signál je výstup inverzního obvodu Schmittovy spouště znázorněn na následujícím obrázku.
Neinvertující obvod Schmittovy spouště
Přejdeme-li k neinvertující Schmittově spoušti, vstup je v tomto případě přiveden na neinvertující svorku optického zesilovače. Výstupní napětí je přivedeno zpět na neinvertující svorku přes rezistor R1.
Předpokládejme, že zpočátku je výstupní napětí na VSAT. Dokud se VIN nestane menším než VLT, zůstává výstup na této saturační úrovni. Jakmile vstupní napětí překročí dolní prahovou úroveň napětí, výstup změní stav na -VSAT.
Výstup zůstane v tomto stavu, dokud vstupní napětí nestoupne nad horní prahovou úroveň.
Následující obrázek ukazuje přenosovou charakteristiku neinvertujícího obvodu Schmittovy spouště.
Přivedeme-li jako vstup čistý sinusový signál, pak výstupní signály vypadají nějak takto.
Aplikace
- Jednou z důležitých aplikací Schmittovy spouště je převod sinusových vln na vlny čtvercové.
- Mohou být použity k eliminaci kmitání v komparátorech (jev, kdy dochází k vícenásobným výstupním přechodům v důsledku kmitání vstupního signálu přes prahovou oblast).
- Mohou také fungovat jako jednoduché regulátory zapnutí/vypnutí (například spínače založené na teplotě).