In questo tutorial, impareremo su Schmitt Trigger, alcune implementazioni di base usando transistor, Op-Amp, come funziona un Schmitt Trigger e alcune importanti applicazioni. In un tutorial precedente, abbiamo visto come il timer 555 può essere configurato come Schmitt Trigger.
Outline
Introduzione
Quando si fa funzionare un Op-Amp in modalità ad anello aperto dove non viene usato un feedback, per esempio, in un circuito comparatore di base, il guadagno ad anello aperto molto grande dell’Op-Amp farà sì che la più piccola tensione di rumore faccia scattare il comparatore.
Se il comparatore viene usato come rilevatore di attraversamento dello zero, allora questo falso innesco può causare molti problemi. Può dare un’indicazione sbagliata di attraversamento dello zero a causa dell’attraversamento dello zero del rumore piuttosto che dell’effettivo attraversamento dello zero dei segnali di ingresso.
Per evitare questa inutile commutazione tra stati alti e bassi dell’uscita, viene usato un circuito speciale chiamato Schmitt Trigger, che comporta un feedback positivo.
Che cos’è Schmitt Trigger?
Schmitt Trigger è stato inventato da Otto Schmitt all’inizio degli anni ’30. È un circuito elettronico che aggiunge isteresi alla soglia di transizione ingresso-uscita con l’aiuto di un feedback positivo. Isteresi qui significa che fornisce due diversi livelli di tensione di soglia per il fronte di salita e di discesa.
In sostanza, un trigger di Schmitt è un multivibratore bi-stabile e la sua uscita rimane in uno dei due stati stabili indefinitamente. Perché l’uscita passi da uno stato stabile all’altro, il segnale d’ingresso deve cambiare (o scattare) in modo appropriato.
Questo funzionamento bistabile dell’innesco di Schmitt richiede un amplificatore con feedback positivo (o feedback rigenerativo) con un loop gin maggiore di uno. Quindi, l’innesco di Schmitt è anche conosciuto come comparatore rigenerativo.
Per esempio, se abbiamo un segnale di ingresso rumoroso come mostrato sotto, le due soglie del circuito di innesco di Schmitt determineranno correttamente gli impulsi. Quindi, la funzione di base di un trigger di Schmitt è quella di convertire segnali rumorosi quadrati, sinusoidali, triangolari o qualsiasi segnale periodico in impulsi quadrati puliti con bordi iniziali e finali nitidi.
Trigger di Schmitt usando i transistor
Come detto prima, un Trigger di Schmitt è fondamentalmente un circuito bistabile i cui stati di uscita sono controllati dal segnale di ingresso. Quindi, può essere usato come un circuito di rilevamento di livello. Il seguente circuito mostra un semplice progetto di trigger di Schmitt basato su transistor.
Anche se questo circuito sembra un tipico circuito multivibratore bistabile, in realtà è diverso perché manca l’accoppiamento dal collettore di Q2 all’ingresso di Q1. Gli emettitori di Q1 e Q2 sono collegati tra loro e messi a terra attraverso RE. Inoltre, RE agisce come un percorso di feedback.
Funzionamento del circuito
Quando VIN è zero, Q1 è spento e Q2 è in saturazione. Come risultato, la tensione di uscita VO è BASSA. Se si assume che VCE(SAT) sia 0, allora la tensione attraverso RE è data da:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Questa tensione è anche la tensione di emettitore di Q1. Quindi, perché Q1 conduca, la tensione d’ingresso VIN deve essere maggiore della somma della tensione di emettitore e di 0,7 V, cioè
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Quando VIN è maggiore di questa tensione, Q1 inizia a condurre e Q2 viene interrotto a causa dell’azione rigenerativa. Come risultato, l’uscita VO va ALTA. Ora la tensione attraverso il RE cambia ad un nuovo valore ed è data da:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Il transistor Q1 condurrà finché la tensione di ingresso VIN è maggiore o uguale a quanto segue:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Se VIN scende al di sotto di questo valore, allora Q1 esce dalla saturazione e il resto del circuito funziona è dovuto all’azione rigenerativa di Q1 che va in cutoff e Q2 in saturazione.
Gli stati di uscita HIGH e LOW dipendono dai livelli di tensione di ingresso dati dalle equazioni
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 e (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Le caratteristiche di trasferimento di un trigger Schmitt mostrano isteresi e sono governate dal punto di intervento inferiore (tensione di soglia inferiore) e dal punto di intervento superiore (tensione di soglia superiore) dato da VLT e VUT.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Cambiando i valori di RC1 e RC2, la quantità di isteresi può essere controllata mentre il valore di RE può essere usato per aumentare la tensione di soglia superiore.
Circuiti di trigger Schmitt basati su Op Amp
Siccome un circuito di trigger Schmitt è essenzialmente un amplificatore con feedback positivo, è possibile implementare questa configurazione utilizzando amplificatori operazionali o semplicemente Op Amp. A seconda di dove viene applicato l’ingresso, i circuiti basati su Op-Amp possono essere ulteriormente suddivisi in Trigger Schmitt invertenti e non invertenti.
Circuito di Trigger Schmitt invertente
Come suggerisce il nome, in un Trigger Schmitt invertente, l’ingresso viene applicato al terminale invertente dell’Op-Amp. In questa modalità, l’uscita prodotta è di polarità opposta. Questa uscita viene applicata al terminale non invertente per garantire un feedback positivo.
Quando VIN è leggermente maggiore di VREF, l’uscita diventa -VSAT e se VIN è leggermente inferiore a -VREF (più negativo di -VREF), allora l’uscita diventa VSAT. Quindi, la tensione d’uscita VO è o a VSAT o a -VSAT e la tensione d’ingresso alla quale avvengono questi cambiamenti di stato può essere controllata usando R1 e R2.
I valori di VREF e -VREF possono essere formulati come segue:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Quindi, VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Quindi, -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
La tensione di riferimento VREF e -VREF sono chiamate Tensione di soglia superiore VUT e Tensione di soglia inferiore VLT. L’immagine seguente mostra il grafico della tensione di uscita rispetto alla tensione di ingresso, noto anche come caratteristica di trasferimento dell’innesco di Schmitt.
Per un segnale di ingresso sinusoidale puro, l’uscita di un circuito di innesco di Schmitt invertente è mostrato nell’immagine seguente.
Circuito di innesco di Schmitt non invertente
Venendo all’innesco di Schmitt non invertente, l’ingresso in questo caso è applicato al terminale non invertente dell’Op-Amp. La tensione di uscita viene riportata al terminale non invertente attraverso la resistenza R1.
Prevediamo che inizialmente la tensione di uscita sia a VSAT. Finché VIN diventa inferiore a VLT, l’uscita rimane a questo livello di saturazione. Una volta che la tensione d’ingresso attraversa il livello di tensione di soglia inferiore, l’uscita cambia stato a -VSAT.
L’uscita rimane in questo stato finché l’ingresso sale oltre la tensione di soglia superiore.
L’immagine seguente mostra le caratteristiche di trasferimento del circuito non invertente Schmitt Trigger.
Se un segnale sinusoidale puro viene applicato come ingresso, allora i segnali di uscita assomigliano a questo.
Applicazioni
- Un’importante applicazione di Schmitt Trigger è quella di convertire onde sinusoidali in onde quadre.
- Possono essere usati per eliminare il chatter nei comparatori (un fenomeno in cui vengono prodotte transizioni multiple in uscita a causa dell’oscillazione del segnale di ingresso attraverso la regione di soglia).
- Possono anche agire come semplici controllori ON/OFF (per esempio, interruttori basati sulla temperatura).