Název projektu: Moderní škola Integrovaná střední škola, Sokolnice 496 Registrační číslo: CZ.1.07/1.5.00/34.0467 Název klíčové aktivity: III/2 - Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Kód výstupu: VY_32_INOVACE_09_MI_19 Autor: Ing. Petr Milde Předmět: Elektronika Téma: Generátory pravoúhlých průběhů Ročník: 3 Způsob využití ICT: PC a dataprojektor Druh učebního materiálu: Pracovní list navazující na pracovní text Datum tvorby: 7. 2. 2013 Anotace: Klopné obvody s tranzistory: bistabilní, monostabilní, astabilní, Schmittův. Materiál slouží k upevnění a rozšíření znalostí žáků SOŠ z dané problematiky Citace: Vlastní archív
Generátory nesinusových kmitů Generátory nesinusových kmitů jsou obvody generující průběhy napětí, které se vyznačují zlomy ve strmosti těchto napětí. V některých případech, jako jsou pila nebo obdélník, vykazuje průběh napěťové skoky. Nejčastěji se požadovaných průběhů dosahuje pomocí nabíjení a vybíjení kondenzátorů. Generátory pravoúhlých průběhů Základem obvodového řešení jsou nejčastěji klopné obvody. Jsou to obvody, pro něž jsou charakteristické dva stavy (nebo více), přičemž některé z těchto stavů mohou být - Trvale stabilní - Přechodně stabilní (po určitou dobu, po které obvod přechází do trvale stabilního stavu) Podle kritéria stability stavu můžeme klopné obvody rozdělit na tři skupiny - Bistabilní klopné obvody - Monostabilní klopné obvody - Astabilní klopné obvody Při realizaci mohou být použity tranzistory nebo operační zesilovače. Uvedeme několik příkladů zapojení. Bistabilní klopný obvod s tranzistory Má dva stavy, z nichž ten, ve kterém se obvod právě nachází, je trvale stabilní. Vnějším zásahem (např. napěťovým impulsem) může obvod přejít do stavu druhého, který tím stává stavem trvale stabilním. Obvod na obr. 21 má dva trvale stabilní stavy. Stav 1: Stav 2: T1 uzavřen, T2 otevřen T1 otevřen, T2 uzavřen Otevřený tranzistor se nachází v saturovaném (nasyceném) stavu, při kterém platí, že kolektorový přechod je polarizován v propustném směru a napětí mezi kolektorem a emitorem je přibližně 0,2 V.
+Un Rc1 Rc2 Rb2 Rb3 výst. 1 výst. 2 T1 T2 Rp1 Rp2 Up1 Up2 Obr. 1 Základní zapojení bistabilního klopného obvodu s tranzistory Obvod je možné překlápět různými způsoby. - Impulsy jedné polarity do báze T1 a poté do báze T2. Tento způsob je naznačen v obr. 3.1 - Impulsy kladné a záporné polarity do báze nebo kolektoru jednoho z tranzistorů - Impulsy jedné polarity do kolektoru T1 a poté do kolektoru T2. V tomto případě jsou vhodnější impulsy záporné polarity do kolektoru uzavřeného tranzistoru (otevřený tranzistor se nachází ve stavu nasycení, projeví se tedy doba zotavní kolektorového přechodu). Princip činnosti je možno zjednodušeně vysvětlit například v zapojení podle obr. 21. Obvod se nachází ve stavu 1, tedy T1 uzavřen, T2 otevřen. Po přivedení kladného impulsu na bázi T1 se T1 otevře, napětí na jeho kolektoru klesne, tato změna se přes Rb2 přenese na bázi T2, ten se zavře, napětí na jeho kolektoru vzroste, tato změna se přenese přes Rb1 na bázi T1, který zůstane otevřen i po odeznění impulsu na bázi T1. Obvod se překlopí do stavu 2. Celý proces proběhne velmi rychle. Ve stavu 2 setrvává do doby, než přijde další kladný impuls, tentokrát do báze zavřeného tranzistoru T2. Po jeho příchodu se obvod opět překlopí, tentokrát do stavu 1. Obvod na obrázku se chová jako statický paměťový prvek.
Monostabilní klopný obvod s tranzistory Vykazuje jeden trvale stabilní a jeden přechodně stabilní stav. Trvale stabilní stav: Přechodně stabilní stav: T1 uzavřen, T2 otevřen T1 otevřen, T2 uzavřen Princip činnosti zjednodušeně vysvětlíme např. v zapojení podle obr. 3.2. Obvod se nachází v trvale stabilním stavu. T1 uzavřen, T2 otevřen., kondenzátor C nabit na napětí U C = U n - U be2 (po zapnutí napájecího zdroje se nabil přes R c1 a emitorový přechod tranzistoru T2). Kladný impuls na bázi T1 tento tranzistor otevře, na jeho kolektoru poklesne napětí, tento pokles se přenese přes nabitý kondenzátor C na bázi T2, T2 se uzavře, napětí na jeho kolektoru vzroste, tento růst se přenese přes R b 1 na bázi T1, který přejde do nasyceného stavu. Obvod se překlopí do přechodně stabilního stavu, tedy T1 otevře, T2 uzavřen, kondenzátor C nabit na napětí U C, napětí na bázi T2 je záporné. +Un Rc1 Rb2 Rc2 C Rb1 výst. 1 výst. 2 T1 T2 Rp1 Up1 Obr.2 Základní zapojení monostabilního klopného obvodu s tranzistory Kondenzátor C se okamžitě začne přes R b 2 nabíjet z napájecího zdroje na napětí opačné polarity (napřed vybíjet k nule a pak nabíjet na U n. Napětí na bázi T2 roste ze záporných hodnot k nule a pak do kladných hodnot. Po překročení prahové hodnoty napětí emitorového přechodu se T2 otevře a obvod překlopí do původního trvale stabilního stavu. Kondenzátor C se přes Rc1 opět nabije na napětí U C = U n - U be2, tedy s časovou konstantou τ = Rc1. C.
Pro dobu kmitu je možno odvodit vztah Nový spouštěcí impuls je možno přivést až po uplynutí tzv. doby zotavení t z Pokud by byl přiveden dříve, byla by doba impulsu kratší, než je vypočítaná hodnota. Astabilní klopný obvod s tranzistory - multivibrátor Vykazuje dva stavy přechodně stabilní, neustále se překlápí z jednoho stavu do druhého. Základní zapojení multivibrátoru je na obr. 3.4 Po připojení zdroje se obvod nastaví do stavu: jeden tranzistor uzavřen, jeden tranzistor otevřen. Například. T1 uzavřen, T2 otevřen, c nabit na napětí U C = U n - U be2. Kondenzátor C1 se začne nabíjet z napájecího zdroje přes R b 1, napětí na bázi T1 roste, po dosažení prahové hodnoty se T1 otevře, napětí na jeho kolektoru klesne téměř k nule (0,2 V), tato záporná změna se přenese na bázi T2 a ten se zavře. Obvod překlopí do opačného stavu. Poté se C2 začne nabíjet z napájecího zdroje na opačnou polaritu přes R b 2, záporné napětí na bázi T2 klesá k nule a pak roste do kladných hodnot. Po dosažení prahové hodnoty napětí emitorového přechodu T2 se T2 otevře at1 zavře. Obvod opět překlopí do opačného stavu. Kondenzátor C1 se začne nabíjet z napájecího zdroje přes R b 1, napětí na bázi T1 roste, po dosažení prahové hodnoty se T1 otevře, napětí na jeho kolektoru klesne téměř k nule (0,2 V), tato záporná změna se přenese na bázi T2 a ten se zavře. Obvod opět překlopí do opačného stavu. Celý proces se periodicky opakuje. Rb2 Rb1 Rc1 Rc2 C2 C1 výst. 1 výst. 2 +Un T1 T2 Obr. 3 Základní zapojení astabilního klopného obvodu s tranzistory
Pro doby trvání přechodně stabilních stavů platí vztahy: Orientační Přesné Kde Celý proces ukazují časové průběhy na obr. 3.5 Obr. 4 Časové průběhy napětí v astabilním klopném obvodu Z časových průběhů je zřejmé, že impulsy na kolektorech tranzistorů jsou zkreslené v důsledku toho, že kondenzátory jsou nabíjeny přes kolektorové odpory tranzistorů s určitou časovou konstantou. Tento problém je možno řešit komplikovanějším zapojením, například kdy kondenzátory jsou nabíjeny přes jiný odpor, oddělený od kolektoru diodou.
Schmittův klopný obvod s tranzistory Obvod má dva stabilní stavy, které se mění skokem při průchodu vstupního signálu nastavenou napěťovou úrovní na vstupu. Obvod se chová jako komparátor. +Un vstup U1 R1 Ub1 Rc1 T1 Rb1 Rc2 T2 výstup U2 Re Ue Rb2 Obr. 5 Základní zapojení Schmittova klopného obvodu s tranzistory Kladná zpětná vazba se uzavírá mezi emitory obou tranzistorů přes společný odpor R e. Platí: R c1 > R c2 Při U1 = 0 T1 uzavřen, T2 otevřen, na R e je napětí U e1. U1 se zvyšuje, taktéž U b1. Při U1 = U 11 začne se otevírat T1, T2 se začne zavírat. Při nadkritické zpětné vazbě se oba tranzistory překlopí do stavu T1 otevřen, T2 uzavřen, na R e je napětí U e2, přičemž platí, že U e2 < U e1. V tomto stavu obvod setrvává i při dalším zvyšování vstupního napětí. U1 se snižuje Při U1 = U 12 T1 se uzavře, T2 otevře a obvod překlopí do původního stavu. Platí: U 11 > U 12 Rozdíl: U 11 - U 12 je tzv. hystereze Časové průběhy vstupního a výstupního napětí jsou zřejmé z obr. 3.7.
Obr. 6. Časové průběhy vstupního a výstupního napětí u Schmittova obvodu. Klopné obvody je možno realizovat také pomocí operačních zesilovačů
Pracovní list Příjmení a jméno Téma: Cíl: Generátory pravoúhlých průběhů Upevnit znalosti dané problematiky a hloubku jejího pochopení 1. Charakterizujte klopný obvod z hlediska stavů, v nichž se může nacházet 2. Které stavy vykazuje bistabilní klopný obvod? 3. Které stavy vykazuje astabilní klopný obvod? 4. Nakreslete schéma zapojení bistabilního klopného obvodu s tranzistory 5. Nakreslete schéma zapojení astabilního klopného obvodu s tranzistory
6. Jaký je časový průběh generovaného napětí? 7. Na kterých prvcích v obvodu astabilního klopného obvodu závisí délka periody generovaného průběhu napětí?
Závěr Zdroje: Materiál je originálním autorským dílem (není ani částečně odvozeným dílem) a necituje žádné externí zdroje. Celý obsah je výsledkem tvůrčího úsilí autora.