| Literatura
|
  |
|
1. Dieter Niihrmann "Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz"
|
| DEFINICJA
|
|
Przerzutnik - jest układem elektronicznym wytwarzającym w sposób zamierzony i kontrolowany, okresowe lub nieokresowe przebiegi elektryczne prostokątne w wyniku szybkich procesów przełączania (tzw. przerzutów) pomiędzy różnymi stanami.
Proces przełączania zależy od struktury i parametrów układu przerzutnikowego.
Rys. 1 Przykładowy przebieg prostokątny generowany przez przerzutnik
Na rys. 1. przedstawiającym przykładowe przebiegi drgań dla przerzutnika dwustanowego w cyklu drgań można wyróżnić dwie fazy bierne (odpowiadające niskiemu i wysokiemu poziomowi napięcia), oraz dwie fazy przerzutu (z poziomu niskiego do wysokiego i na odwrót). Fazę przerzutu nazywa się też stanem aktywnym.
Przerzutniki dwustanowe dzieli się na trzy podstawowe grupy:
- przerzutniki bistabilne - które charakteryzuje istnienie dwóch stanów równowagi trwałej (dwa stany stabilne), przy czym dla przejścia z jednego stanu do drugiego konieczne jest doprowadzenie zewnętrznego sygnału wyzwalającego
- przerzutniki monostabilne - istnieje tylko jeden trwały stan równowagi, w którym układ może utrzymać się przez czas nieograniczony. Zewnętrzny sygnał wyzwalający powoduje przejście ze stanu stabilnego do quasi-stabilnego, a następnie po pewnym czasie układ samoistnie powraca do stanu stabilnego.
- przerzutniki astabilne - nie istnieje stan równowagi trwałej, w którym układ mógłby utrzymać się w czasie nieograniczonym. Przerzutniki takie wytwarzają przebiegi samoczynnie, bez udziału sygnału zewnętrznego, podobnie do generatorów sinusoidalnych.
Charakterystyczną cechą przerzutników bistabilnych jest istnienie pętli histerezy wynikające z występowania silnego dodatniego sprzężenia zwrotnego.
Napięcie UH dla którego następuje przerzut ze stanu niskiego do wysokiego jest wyższe od napięcia UL przy którym następuje przerzut ze stanu wysokiego do niskiego.
Rys. 2 Pętla histerezy występująca w przerzutniku bistabilnym
| Przerzutnik w układzie Ecclesa-Jordana
|
|
Rys. 3 Przerzutnik dwutranzystorowy bistabilny - układ Eccles-Jordana
a) układ uproszczony
b) układ z dodatkowymi tranzystorami T3 i T4 - stanowiącymi obwody wyzwalające
Rys. 3 przedstawia klasyczny układ przerzutnika Ecclesa-Jordana (WE-WE), zwany często układem symetrycznym. Cechą charakterystyczną tego układu są dwa identyczne krzyżowe sprzężenia zwrotne w układach z tranzystorami bipolarnymi - są to sprzężenia kolektor-baza.
Tranzystory pracują w konfiguracji WE-WE - połączone są ze sobą poprzez uziemione emitery.
Rys. 4 Układ Ecclesa-Jordana i przebiegi przy wyzwalaniu impulsowym
UC1, UC2 - aktualne napięcia kolektorowe na tranzystorach T1 i T2;
UB1, UB2 - aktualne napięcia bazowe na tranzystorach T1 i T2;
UBEZ, UBEP - napięcia bazowe na tranzystorze dla stanu zatkania lub nasycenia;
UCEZ, UCES - napięcia kolektorowe na tranzystorze dla stanu zatkania lub nasycenia (poziom wysoki i niski);
przy czym: UCEZ WPRZYBLIZENIUROWNE UCC, UCES WPRZYBLIZENIUROWNE 0 (UCC - napięcie zasilające kolektor)
W obu fazach stabilnych (biernych) jeden z tranzystorów jest zatkany, drugi nasycony.
1. Działanie układu rozpatrzymy począwszy od stanu: T1 - zatkany, T2 - nasycony,
w którym napięcia wynoszą (rys 4b):
UC1 = UCEZ
UC2 = UCES
UC1 = UBEZ
UC1 = UBEP
2. Impuls wyzwalający wymusza ujemny prąd bazy tranzystora T2 (poprzez R1 i C) wyprowadzając go z nasycenia i powodując tym samym proces regeneracyjny.
Tranzystor T1 ulega nasyceniu, natomiast T2 zatkaniu.
Napięcie UC1 obniża się z poziomu wysokiego na niski (skok o DU1 = UCEZ - UCES).
O tyle samo (o DU1) zmienia się napięcie UB2 - na skutek działania pojemności C.
Szybki wzrost napięcia na bazie uprzednio zatkanego tranzystora T1 w wyniku przerzutu regeneracyjnego może nastąpić tylko do poziomu UBEP określonego przez przewodzenie złącza Baza-Emiter (skok o DU2).
Napięcie UC2 podnosi się o taki sam skok DU2.
3. Tuż po przerzucie
a) napięcie UB2 podnosi się podnosi się do stanu ustalonego w wyniku działania biernego procesu ustalania się napięcia na bazie tranzystora zatkanego.
b) dalszy wzrost napięcia UC2 związany jest z przeładowaniem kondensatora przyspieszającego C
W wyniku zastosowania obciążenia pojemnością C kolektora zatykanego tranzystora, uzyskany sygnał ma czas trwania zbocza narastającego kilkadziesiąt razy większy od czasu zbocza opadającego. Przy nasycaniu się tranzystora napięcie na kondensatorze C nie ulega bowiem zmianie i nie płynie przezeń prąd ładowania.
b) przerzutnik Schmitta
Rys. 5 Układ przerzutnika Schmitta (WC-WB)
oraz przebiegi napięcia sterującego i wyjściowego
Układem Schmitta nazywamy układ, w którym oba stopnie są połączone gałęzią, w której występuje sumowanie sygnałów pochodzących z obu stopni i zwrotne doprowadzenie tych sygnałów do wejścia. Oba stopnie mają wspólny rezystor emiterowy RE . Dla każdego stopnia na tym rezystorze powstaje sprzężenie zwrotne ujemne, a jednocześnie - dla obu stopni - powstaje sprzężenie zwrotne dodatnie, gdyż część napięcia wyjściowego drugiego stopnia zostaje przez ten rezystor doprowadzona zwrotnie do stopnia pierwszego.
Sprzężenie zwrotne ujemne stabilizuje punkt pracy, a ponadto - przy odpowiednim dobraniu wartości elementów układu (np. przy dużej wartości rezystora emiterowego) - może nie dopuszczać do wystąpienia przesterowania w układzie.
Układ pracuje wówczas bez wchodzenia w obszar nasycenia, dzięki czemu uzyskuje się przebiegi o stromych zboczach z małym opóźnieniem czasowym (zwanym histerezą) względem impulsów wyzwalających. Sprzężenie z wyjścia stopnia pierwszego do wejścia stopnia drugiego w układzie Schmitta stanowi najczęściej rezystor, niekiedy dioda; jest to więc sprzężenie stałoprądowe.
Układy Schmitta stosuje się jako przerzutniki monostabiłne lub bistabilne oraz do formowania przebiegów prostokątnych. Zaletą układu jest m.in to, że wejście układu nie jest objęte pętlą sprzężenia zwrotnego i dzięki temu na wejściu nie istnieją sygnały wytworzone wewnątrz układu, jak to występuje w układzie Eccłesa-Jordana. Ponadto wyjście układu jest dobrze odseparowane od wejścia.
Jak przebiega praca przerzutnika w układzie Schmitta
Gdy napięcie na wejściu (napięcie sterujące) jest równe zeru, tranzystor T1 nie przewodzi. W tym czasie tranzystor T2 przewodzi, gdyż otrzymuje on odpowiednią polaryzację z dzielnika RC1, R1, R2. Dzielnik polaryzujący tranzystor T2 (głównie RC1 ) jest tak dobrany, aby tranzystor T2 nie pracował w stanie nasycenia. Prąd płynący przez przewodzący tranzystor powoduje spadek napięcia na rezystorze emiterowym RE, a to z kolei powoduje głębsze zatkanie tranzystora T1.
Zwiększenie napięcia wejściowego powyżej pewnego poziomu wywołuje przewodzenie tranzystora T1 i szybki przerzut układu do drugiego stanu. W tym stanie napięcie na kolektorze tranzystora T1 maleje, a więc maleje również napięcie na bazie tranzystora T2, który przestaje przewodzić. Układ pozostaje w swym drugim stanie dopóty, dopóki poziom sygnału wejściowego pozostanie ponad tzw. poziomem progowym. Napięcie wyjściowe w tym stanie osiąga swą wartość maksymalną. Gdy napięcie sterujące tranzystor T1 zmaleje, nastąpi wzrost napięcia na kolektorze tranzystora T1, a więc również wzrost napięcia na bazie tranzystora T2, tak że tranzystor T2 zacznie przewodzić i nastąpi przerzut do pierwszego stanu układu.
Z podanego opisu wynika jedno z typowych zastosowań przerzutnika Schmitta. Mianowicie, jeżeli ten przerzutnik pobudzi się napięciem sinusoidalnym, to na wyjściu pojawia się przebieg prostokątny. Jest to często stosowana metoda uzyskiwania przebiegów prostokątnych. Układ Schmitta wykorzystuje się również - dzięki jego właściwościom - jako tzw. dyskryminator amplitudy lub detektor poziomu (rys 6). Istnieją liczne modyfikacje układowe przerzutnika Schmitta.
Rys. 6 Przykład działania przerzutnika Schmitta:
na wejściu sygnał analogowy, na wyjściu prostokątny
| Quasi-symetryczny przerzutnik monostabilny Ecclesa-Jordana
|
|
Rys. 7 Monostabilny przerzutnik quasi-symetryczny w układzie Eccles-Jordana
W konstrukcji przerzutnika monostabilnego wykorzystuje się wewnętrzną pętlę opóźnienia powstałą przez szeregowe umieszczenie kondensatora C w pętli sprzężenia zwrotnego (rys 7a).
1. W stanie stabilnym złącze emiterowe tranzystora T
1 jest spolaryzowane przez rezystor R w kierunku przewodzenia, przy czym stosunek rezystancji R
c/R jest tak dobrany aby tranzystor T
1 był nasycony. W tym samym czasie tranzystor T
2 jest zatkany.
2. Impuls wyzwalający z wejścia (tranzystor T
w) powoduje przerzut regeneracyjny:
- T1 jest zatykany, napięcie UC1 rośnie
- T2 przewodzi, napięcie UC2 maleje i potęguje zatykanie T1
Spadek napięcia U
C2 (na kolektorze T
2) jest bardzo szybki ponieważ wskutek zatkania się tranzystora T
1 obie okładki kondensatora C zmieniają potencjał o tyle samo i ładunek w tym kondensatorze jest stały.
Narastanie napięcia U
C1 (na kolektorze T
1) początkowo zachodzi szybko - tranzystor T
2 jest jeszcze zatkany a U
B2 poniżej U
BEP, a zmiana ładunku w kondensatorze przyśpieszającym C
1 nie zachodzi. Później jednak U
B2 = U
BEP = const i wtedy wzrost napięcia jest związany z ładowaniem się kondensatora C
1.
Tranzystor T
2 zostaje całkowicie nasycony, a T
1 zatkany.
3. Po przerzucie rozpoczyna się proces ładowania kondensatora C w obwodzie: U
CC, R, C, nasycony tranzystor T
2. Napięcie U
B1 dąży do U
C2C, a gdy osiągnie wartość U
BEP tranzystor T
1 zacznie ponownie przewodzić, wywołując powrotny przerzut regeneracyjny.
Czas trwania impulsu T wynosi:
4. Po przerzucie powrotnym w układzie zachodzą procesy bierne:
- powolne rozładowywanie się kondensatora C (i stąd powolne narastanie napięcia UC2)
- ustalanie się napięcia UB2 po jej skokowej zmianie przy przerzucie powrotnym.
| Układ przerzutnika z zewnętrzną pętlą opóźnienia
|
|
Dysponując przerzutnikiem bistabilnym, można dowolnie rozbudować zewnętrzną pętlę opóźnienia, aby uzyskiwać określone parametry robocze - np. bardzo duży stosunek czasu trwania impulsu do czasu biernego, trójkątny kształt przebiegu, liniowe elektronicznie przestrajane częstotliwości itp.
Rys. 8 Przerzutnik z zewnętrzną pętlą opóźnienia
oparty na bistabilnym układzie Ecclesa-Jordana
Rys. 8 przedstawia przerzutnik z zewnętrzną pętlą opóźnienia oparty na bistabilnym układzie Ecclesa-Jordana. W stanie stabilnym tranzystor T2 jest nasycony i przewodzi prąd. Kondensator C jest wtedy ładowany prądem emitera przewodzącego tranzystora T2, który w ten sposób ulega zatkaniu, powodując przerzut regeneracyjny. Po zatkaniu się tranzystora T2, kondensator rozładowuje się przez rezystor R, co doprowadza do powtórnego przerzutu i powtórzenia cyklu pracy.
-> Cały układ pracuje jako cykliczny przerzutnik monostabilny.
