K620ZENT Základy elektroniky Přednáška ř č. 6 Osnova: 1. Klopné obvody 2. Univerzálníobvod 555 3. Oscilátory
Bistabilní klopný obvod Po připojení ke zdroji napájecího napětí se obvod ustálí tak, že jeden tranzistor bude otevřen a druhý zahrazen. Zavedeme-li v libovolném čase do báze otevřeného tranzistoru záporný impuls, začne se tento tranzistor zavírat, jeho kolektorové napětí roste, tento vzrůst se přenese na bázi druhého tranzistoru, ten se otevírá, děj probíhá lavinovitě, až se původně zahrazený tranzistor úplně otevře a původně otevřený tranzistor úplně zahradí.. Tím skončí překlápění a obvod setrvává v tomto stabilním stavu až do příchodu dalšího spouštěcího impulsu. Spouštět lze i zavedením kladného impulsu do báze zahrazeného tranzistoru. Spouštěcí impuls je vždy třeba přivést přes omezovací rezistor, nikdy nesmí být přiloženo plné napětí, aby nedošlo k destrukci tranzistoru.
Monostabilní klopný obvod V klidové poloze bude tranzistor T 1 zahrazen a tranzistor T 2 otevřen. V tomto stavu se bude kondenzátor C nabíjet na naznačenou polaritu. Pokud přivedeme kladný impuls do báze zahrazeného tranzistoru T 1 nebo záporný impuls do báze otevřeného tranzistoru T 2,obvodsepřeklopí a kondenzátor C se bude přes odpor R B2 aotevřený T 1 vybíjet. Bude se vybíjet k nule a pak na opačnou polaritu než je naznačeno. V okamžiku, kdy napětí na kondenzátoru dosáhne prahového napětí B-E T 2,T 2 se otevře, jeho kolektorové napětí klesne na nulu, tato záporná změna se přenese do báze T 1, T 1 se zahradí a obvod se dostane do výchozí klidové polohy. V ní bude vyčkávat příchodu dalšího spouštěcího impulsu.
Astabilní klopný obvod Když bude tranzistor T1 zahrazen a tranzistor T2 otevřen. V tomto stavu se bude nabíjet kondenzátor C2 v obvodu +Ucc RC1 C2 T2(B-E) zem. Současně se bude vybíjet kondenzátor C1 (nabitý v předchozím cyklu) v obvodu +Ucc RB1 C1 T2(C-E) zem. Bude se vybíjet k nule a pak na opačnou polaritu, než je naznačeno. V okamžiku, kdy napětí na něm dosáhne prahového napětí přechodu B-E T1, T1 se otevře, jeho kolektorové napětí klesne k nule, tato záporná změna se přenese přes C2 na bázi T2 a ten se uzavře. V tomto stavu se bude nabíjet kondenzátor C1 v obvodu Ucc RC2 C1 T1(B-E) zem. Současně se bude vybíjet kondenzátor C2 v obvodu Ucc RB2 C2 T1(CE) zem. Bude se vybíjet k nule a pak na opačnou polaritu, než je naznačeno. V okamžiku, kdy na něm napětí dosáhne prahové hodnoty přechodu B-E tranzistoru T2, T2 se otevře, jeho kolektorové napětí klesne k nule,tato záporná změna se přenese přes C1 do báze T1 a T1 se zahradí. Tento děj se periodicky opakuje, než vypnou proud.
Astabilní klopný obvod - pokračování Vzhledem k tomu, že kondenzátor C 1, resp. C 2 je nabíjen vždy přes kolektorový rezistor, dochází k silnému zatížení výstupního obvodu a výstupní impuls je zkreslen. Abychom toto zkreslení odstranili, je třeba zajistit nabíjení kondenzátoru z jiného odporu než kolektorového. Právě zapojení z obr. a s korekčními diodami se často používá. Kondenzátor se nabíjí přes odpor R 1, nabíjení přes R C1 brání záporně polarizovaná dioda D 1. Pro vybíjení přes R B2 a otevřený T 1 je dioda D 1 polarizovaná propustně.
Univerzální obvod 555 - časovač K ovládání RS klopného obvodu (RSKO) nepřímo slouží vývody 2 a 6, jejich napěťové urovně jsou porovnávány komparátory s 1/3 a 2/3 napájecího napětí (Vcc). Klesne-li napětí na vstupu 2 pod 1/3 Vcc přepne se RSKO do log. H (napětí alespoň 2,5 V). A naopak přesáhne-li napětí na vstupu 6, označevaném jako práh, 2/3 Vcc RSKO se dostane do log. L (napětí 0 V). Zároveň se otevře tranzistor a na vývod 7 (vybíjení) se dostane záporné napájení. Toho se nejčastěji využívá právě k vybití kondenzátoru.
Univerzální obvod 555 aplikace Astabilní klopný obvod Po připojení napájecího napětí se začne kondenzátor C nabíjet přes rezistory R1 a R2, během tohoto procesu je na výstupu (3) Log. L (zesilovač invertuje signál z RSKO). Spojené vstupy 2 a 6, kontrolují napětí na kondenzátoru C, jakmile dosáhne 2/3 Vcc, RSKO se překlopí a na vývodu vybíjení (7) se objeví nulové napětí. Kondenzátor se začne přes R2 vybíjet až do doby, kdy jeho napětí dosáhne 1/3 Vcc, v ten okamžik se opět překlopí RSKO a kondenzátor se znovu nabíjí přes R1 a R2. Celý děj se opakuje dokud je přítomno napájecí napětí. Střída výstupního signálu není 1:1 neboť se kondenzátor nabíjí přes R1 i R2, ale vybíjí se jen přes R2. T= t 1 + t 2 = 0,693(Ra + 2.Rb).C
Univerzální obvod 555 aplikace Monostabilní klopný obvod Zapojení se nachází v klidu, RSKO má úroveň. L, tranzistor je tedy otevřený a přes vývod 7 zkratuje kondenzátor, který se tak nemůže nabíjet. Až spouštěcí impulz v podobě spojení vývodu 2 se zemí překlopí RSKO a kondenzátor C se začne přes rezistor R nabíjet. Jakmile dosáhne napětí na kondenzátoru 2/3 Vcc RSKO se opět překlopí a kondenzátor se vybije. V tomto stavu setrvává obvod až do dalšího spouštěcího impulsu. Doba nabíjení kondenzátoru, tedy doba, po jakou je na výstupu Log. L je opět vyjádřena vztahem: T = 1,1 R C
Oscilátory selektivní lki člen (fosc) zpětná vazba β A zesilovač Obecně jsou oscilátory všechna zařízení, která vytvářejí periodicky proměnné průběhy fyzikálních veličin. Jsou to zařízení, které umí generovat napětí sinusového průběhu. Princip činnosti : Oscilátor obsahuje zesilovač, který zesiluje vstupní napětí U 1,mánavýstupustřídavé napětí U 2 =U 1,A u s fázovým posunem ϕ. Výstup je zatížen zátěží R z azpětnovazebním článkem. Toto má oproti napětí fázový posun β. Oscilace vznikají díky kladné zpětné vazbě, zavedené z výstupu zesilovače na jeho vstup. Oscilátor je schopen kmitat, jsou-li splněny podmínky: 1. rovná-li se U 2 = U 1 Au=1 amplitudová podmínka, 2. úhly ϕ + β = 2.π.k, kde k = Z(0,1,2 ) fázová podmínka. Existují 3 případy : a) jestliže k. A u < 1 tlumené kmitání, amplituda klesá b) jestliže k. A u =1 pro držení, amplituda je stejná c) jestliže k. A u > 1 pro start oscilátoru, amplituda roste Podle druhu řídícího obvodu, který určuje oscilační frekvence, dělíme oscilátory na : 1) krystalové oscilátory, 2) RC oscilátory, 3) LC oscilátory.
Krystalové oscilátory - vyznačují se především svou vysokou stabilitou. Řídící člen je tvořen piezoelektrickým rezonátorem, což je destička vhodně vyříznutá z křemene, nebo jiného piezoelektrického krystalu. Tato destička je volně uložena mezi dvěma kovovými elektrodami. Střídavé napětí přivedené na elektrody rezonátoru způsobí mechanické kmity krystalového výbrusu. Amplituda mechanických kmitů dosáhne maxima, jestliže kmitočet ladícího elektrického napětí bude roven vlastnímu mechanickému rezonančnímu kmitotu destičky oscilátoru. Změna amplitudy mechanických kmitů se projevuje jako změna elektrické impedance. Činitel jakosti rezonátoru se pohybuje v řádech 10 4 až 10 5.
RC oscilátory RC oscilátor je základním a konstrukčně nejjednodušším typem zpětnovazebního oscilátoru, neboť se obejde bez cívek. Obecně však mají malou stabilitu a obtížně se přelaďují. Používají se již nízkých kmitočtů, kde mnohdy bývají jediným možným řešením. Zpětná vazba je v RC oscilátoru tvořena trojicí shodných RC článků, z nichž každý posouvá fázi signálu o 60 stupňů. Jako zesilovač je obvykle používán tranzistor v zapojení se společným emitorem, otáčející fázi o 180 stupňů, výsledný fázový posun je tedy 360 stupňů. Při splnění podmínky zesílení, rovného 1 produkuje oscilátor čistý sinusoidální signál s frekvencí, úměrnou převrácené hodnotě ze součinu RC. Konstanta úměrnosti závisí na činiteli zesílení tranzistoru.
LC oscilátory Jako aktivní prvek se vzhledem k nejčastější kmitočtové poloze (MHz GHz) nejčastěji užívá tranzistor (bipolární, FET) nebo jednoduchá tranzistorová struktura (IO). Základním problémem návrhu je optimalizace vzájemného přizpůsobení parametru tranzistoru a LC obvodu. β A > 1 Pro bezpečný start oscilátoru je nutný vyšší počáteční poměr. Každé zapojení oscilátoru proto musí zajišťovat automatickou regulaci zisku aktivního prvku nebo přenosu zpětnovazební smyčky, což bývá u LC oscilátorů zajištěno nelinearitou tranzistoru a usměrňovací funkcí B-E přechodu. S rostoucí amplitudou kmitů na LC obvodu se tranzistor v důsledku toho přivírá, a tím klesá jeho strmost, amplituda kmitů na LC obvodu se tak stabilizuje. Kmitočet výstupního signálu je dán selektivním obvodem, v našem případě LC obvodem. Pro zajištění spektrální čistoty výstupního signálu je nutné vysoké Q ef LC obvodu. ωl 1 = ωc 2 ω LC = 1 Crez f 0 1 = 2π LC Lrez + Un Cf Příklad Meissnerova LC oscilátoru T1 Rlin R1 Re Cτ Cv R2