В этом небольшом, но крайне полезном, с развивающей точки зрения, материале, проведем несколько экспериментов с триггером Шмитта, собранном для лучшего понимания на биполярных транзисторах (о микросхемных мы рассказывали тут).
Это классическая схема триггера Шмитта с эмиттерной связью. Напомним, что триггер Шмитта представляет собой схему сравнения с гистерезисом. Его выход имеет высокий уровень когда входной сигнал превышает верхний порог, и низкий уровень когда входной сигнал падает ниже нижнего порога. Возникающий гистерезис сводит на нет влияние шума (или слабых колебаний) на входной сигнал. Назван в честь ученого Отто Герберта Шмитта (1913-1998).
Хотя автономные триггеры Шмитта часто строятся из компараторов, базовый триггер может быть реализован с помощью дискретных компонентов. В реальности аналоговый входной сигнал может медленно изменяться во времени, поэтому периоды перехода между высокими и низкими значениями могут быть недостаточно быстрыми. Но эта схема будет действовать как компаратор с гистерезисом, чьи пороги для установки высокого или низкого уровня выхода будут определяться параметрами проекта.
Другими словами, подача напряжения на вход схемы, которое может установить Q1 в состояние насыщения, установит выход на Vcc (высокий уровень), в то время как подача входного напряжения которое может отключить Q1, снизит выход почти до нуля.
Имейте в виду, что эта схема также обеспечивает некоторый гистерезис, поскольку пороги перехода от низкого к высокому и от высокого к низкому устанавливаются при разных входных напряжениях, что предотвращает потенциальное наличие нескольких переключений на выходе, когда входное напряжение близко к порогу, если бы порог был одинаковым как в событиях от низкого к высокому, так и от высокого к низкому. Теперь поэкспериментируем с приведенной схемой, используя перечисленные ниже компоненты.
- R1 = 22 кОм
- R2 = 1 кОм
- R3 = 1 кОм
- R4 = 22 Ом
- Q1 и Q2 = 2N2222
Что следует иметь в виду:
- Когда на входе высокий уровень: Q1 включен, Q2 выключен, а выход высокий.
- Когда вход низкий: Q1 выключен, Q2 включен, а выход низкий.
Порог включения/выключения Q1 зависит от падения напряжения на резисторе R4 с общим эмиттером. Другими словами, гистерезис между верхним (включено) и нижним (выключено) порогами определяется дифференциальным падением напряжения R4.
Представьте, что вход близок к 0 В. Тогда Q1 не имеет базового тока, поэтому он выключен. Но Q2 потребляет базовый ток, хотя R2 включен и насыщен (его напряжение коллектор-эмиттер близко к нулю), и в результате выходное напряжение находится около 0 В (низкое).
Далее входное напряжение начинает увеличиваться. Поскольку напряжение эмиттера Q1 удерживается постоянным током, протекающим через Q2, когда входное напряжение достигает примерно 600 мВ выше этого уровня напряжения, Q1 потребляет некоторый базовый ток и начинает включаться.
При этом Q1 начинает отбирать ток базы Q2, поэтому Q2 начинает выключаться, и поэтому его эмиттерное напряжение начинает падать. Но это повышает напряжение база-эмиттер Q1, поэтому Q1 включается быстрее. Положительная обратная связь переводит схему в состояние, в котором Q1 включен (и насыщен), а Q2 выключен. Выходное напряжение теперь близко к Vcc (высокому потенциалу).
Наконец, предположим, что входные данные начинают возвращаться к нулю. Напряжение эмиттера Q1 теперь определяется его собственным током эмиттера. Когда входное напряжение упадет примерно на 600 мВ выше этого значения, Q1 начнет выключаться, и это позволит Q2 снова начать включаться, добавляя свой собственный ток эмиттера к Q1 и, таким образом, подталкивая напряжение эмиттера вверх. Это заставляет Q1 выключаться быстрее, и снова положительная обратная связь переводит схему в другое состояние, когда Q1 выключен, Q2 включен и выход низкий.
Обратите внимание, что в триггере Шмитта «положительный» сигнал обратной связи подается в фазе с уменьшенной амплитудой на вход, где он увеличивает уровень входного сигнала. И, переходя к ключевому конструктивному ограничению, надо убедиться что ток в Q1 меньше чем ток в Q2, иначе сборка не будет работать.
И завершим работу практической схемой, основанной на классической концепции триггера Шмитта с эмиттерной связью. Вот простое реле времени, которое можно собрать используя несколько отдельных компонентов, которые можно найти в любой радио-мастерской.
После подачи питания загорается светодиод, изначально транзистор Т1 закрыт, так как почти весь ток идет на разряженный конденсатор С1 через резистор R1. Но по мере заряда конденсатора ток через него уменьшается, а ток базы транзистора Т1 увеличивается. Как только напряжение на С1 становится равным порогу переключения, происходит срабатывание триггера, при этом Т1 открывается, Т2 закрывается, а светодиод гаснет.
Постоянная времени заряда конденсатора равная произведению емкости на сопротивление, показывает время за которое конденсатор заряжается до 63 % напряжения питания. Так, для простоты расчета периода времени порог переключения также выбран на уровне 63% от напряжения питания. Время работы светодиода в секундах будет достаточно близко к емкости времязадающего конденсатора С1 в микрофарадах. В тесте, в качестве C1 использовался конденсатор емкостью 100 мкФ, и для завершения одного цикла потребовалось всего около 60 секунд. Подробнее о триггерах тут…
