Управление транзистором от быстродействующий триггер – Управление мощной нагрузкой · Вадим Великодный

Содержание

Управление мощной нагрузкой · Вадим Великодный

06 Jan 2017

На практике часто возникает необходимость управлять при помощи цифровой схемы (например, микроконтроллера) каким-то мощным электрическим прибором. Это может быть мощный светодиод, потребляющий большой ток, или прибор, питающийся от электрической сети. Рассмотрим типовые решения этой задачи.

Будем считать, что нам нужно только включать или выключать нагрузку с низкой частотой. Части схем, решающие эту задачу, называют ключами. ШИМ-регуляторы, диммеры и прочее рассматривать не будем (почти).

Условно можно выделить 3 группы методов:

  1. Управление нагрузкой постоянного тока.
    • Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
    • Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
    • Транзисторный ключ на IGBT.
  2. Управление нагрузкой переменного тока.
    • Тиристорный ключ.
    • Симисторный ключ.
  3. Универсальный метод.

Выбор способа управления зависит как от типа нагрузки, так и от вида применяемой цифровой логики. Если схема построена на ТТЛ-микросхемах, то следует помнить, что они управляются током, в отличие от КМОП, где управление осуществляется напряжением. Иногда это важно.

Простейший ключ

Простейший ключ на биполярном транзисторе проводимости n-p-n выглядит следующим образом.

Простейший ключ

Вход слева подключается к цифровой схеме. Если у нас цифровая схема построена на основе КМОП-логики с двухтактным («push-pull») выходом, то логическая «1» фактически означает подключение этого входа к питанию, а логический «0» — к земле.

Таким образом, при подаче «1» на вход нашей схемы ток от источника питания потечёт через резистор R1, базу и эмиттер на землю. При этом транзистор откроется (если, конечно, ток достаточно большой), и ток сможет идти через переход коллектор — эмиттер, а значит и через нагрузку.

Резистор R1 играет важную роль — он ограничивает ток через переход база — эмиттер. Если бы его не было, ток не был бы ничем ограничен и просто испортил бы управляющую микросхему (ведь именно она связывает линию питания с транзистором).

Максимальный ток через один выход микроконтроллера обычно ограничен значением около 25 мА (для STM32). В интернете можно встретить утверждения, что микроконтроллеры AVR выдерживают ток в 200 мА, но это относится ко всем выводам в сумме. Предельное допустимое значение тока на один вывод примерно такое же — 20-40 мА.

Это, кстати, означает, что подключать светодиоды напрямую к выводам нельзя. Без токоограничивающих резисторов, микросхема просто сгорит, а с ними светодиодам не будет хватать тока, чтобы светить ярко.

Обратите внимание, что нагрузка (LOAD) подключена к коллектору, то есть «сверху». Если подключить её «снизу», у нас возникнет несколько проблем.

Допустим, мы хотим при помощи 5 В (типичное значение для цифровых схем) управлять нагрузкой в 12 В. Это значит, что на базе мы можем получить максимум 5 В. А с учётом падения напряжения на переходе база — эмиттер, на эмиттере будет напряжение ещё меньше. Если падение напряжения на переходе равно 0,7 В,то получаем, что на нагрузку остаётся только 4,3 В, чего явно недостаточно. Если это, например, реле, оно просто не сработает. Напряжение не может быть выше, иначе тока через базу вообще не будет. Наличие падения напряжения на нагрузке также приведёт к уменьшению тока через базу.

Для расчёта сопротивления R1 нужно вспомнить соотношение для упрощённой модели транзистора:

Коэффициент $\beta$ — это коэффициент усиления по току. Его ещё обозначают $h_{21э}$ или $h_{FE}$. У разных транзисторов он разный.

Зная мощность нагрузки $P$ и напряжение питания $V$, можно найти ток коллектора, а из него и ток базы:

По закону Ома получаем:

Коэффициент $\beta$ не фиксированная величина, он может меняться даже для одного транзистора в зависимости от режима работы, поэтому лучше брать значение тока базы при расчёте чуть больше, чтобы был запас по току коллектора. Главное помнить, что ток базы не должен превышать предельно допустимое для микросхемы.

Также важно при выборе модели транзистора помнить о предельном токе коллектора и напряжении коллектор — эмиттер.

Ниже как пример приведены характеристики некоторых популярных транзисторов с проводимостью n-p-n.

Модель $\beta$ $\max\ I_{к}$ $\max\ V_{кэ}$
КТ315Г 50…350 100 мА 35 В
КТ3102Е 400…1000 100 мА 50 В
MJE13002 25…40 1,5 А 600 В
2SC4242 10 7 А 400 В

Модели выбраны случайно, просто это транзисторы, которые легко найти или откуда-то выпаять. Для ключа в рассматриваемой схеме, конечно, можно использовать любой n-p-n-транзистор, подходящий по параметрам и цене.

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель, который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Усовершенствованная схема на биполярном ключе

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

Ограничение тока удержания реле

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять, например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Пример расчёта простой схемы

Пусть, например, требуется включать и выключать светодиод с помощью микроконтроллера. Тогда схема управления будет выглядеть следующим образом.

Управление светодиодом

Пусть напряжение питания равно 5 В.

Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) типичных светодиодов диаметром 5 мм можно приблизительно оценить по таблице.

Цвет $I_{LED}$ $V_{LED}$
Красный 20 мА 1,9 В
Зеленый 20 мА 2,3 В
Желтый 20 мА 2,1 В
Синий (яркий) 75 мА 3,6 В
Белый (яркий) 75 мА 3,6 В

Пусть используется белый светодиод. В качестве транзисторного ключа используем КТ315Г — он подходит по максимальному току (100 мА) и напряжению (35 В). Будем считать, что его коэффициент передачи тока равен $\beta = 50$ (наименьшее значение).

Итак, если падение напряжения на диоде равно $V_{LED} = 3{,}6\,В$, а напряжение насыщения транзистора $V_{CE} = 0{,}4\,В$ то напряжение на резисторе R2 будет равно $V_{R2} = 5{,}0 - 3{,}6 - 0{,}4 = 1\,В$. Для рабочего тока светодиода $I_{LED} = 0{,}075\,А$ получаем

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд E12.

Для тока $I_{LED} = 0{,}075\,А$ управляющий ток должен быть в $\beta = 50$ раз меньше:

Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным $V_{EB} = 0{,}7\,В$.

Отсюда

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент $\beta$ может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая схема включения называется схемой Дарлингтона.

Схема Дарлингтона

В этой схеме коэффициенты $\beta$ двух транзисторов умножаются, что позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить эмиттер и базу резистором.

Схема Дарлингтона с ускоренным выключением

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры таких транзисторов приведены в таблице.

Модель $\beta$ $\max\ I_{к}$ $\max\ V_{кэ}$
КТ829В 750 8 А 60 В
BDX54C 750 8 А 100 В

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Простейший ключ

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET, то есть полевые транзисторы с изолированным затвором (они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET (даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Простой ключ на MOSFET

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её «снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует, фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

где $V$ — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как постоянная времени $\tau = RC$ увеличится. Это важно, если транзистор часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе.

Основные параметры, на которые следует обращать внимание — это пороговое напряжение $V_{th}$, максимальный ток через сток $I_D$ и сопротивление сток — исток $R_{DS}$ у открытого транзистора.

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Модель $V_{th}$ $\max\ I_D$ $\max\ R_{DS}$
2N7000 3 В 200 мА 5 Ом
IRFZ44N 4 В 35 А 0,0175 Ом
IRF630 4 В 9 А 0,4 Ом
IRL2505 2 В 74 А 0,008 Ом

Для $V_{th}$ приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной мощности в виде тепла.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и сопротивление сток — исток мало. Однако, напряжение при включении не может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и обратно.

Относительная медленность переключения транзистора связана опять же с паразитной ёмкостью затвора. Чтобы паразитный конденсатор зарядился как можно быстрее, нужно направить в него как можно больший ток. А так как у микроконтроллера есть ограничение на максимальный ток выходов, то направить этот ток можно с помощью вспомогательного биполярного транзистора.

Кроме заряда, паразитный конденсатор нужно ещё и разряжать. Поэтому оптимальной представляется двухтактная схема на комплементарных биполярных транзисторах (можно взять, например, КТ3102 и КТ3107).

Ключ на MOSFET с двухтактным управлением

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального транзистора — она расположена «сверху». Если расположить её между транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение затвор — исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется не полностью и может перегреться и выйти из строя.

Драйвер полевого транзистора

Если всё же требуется подключать нагрузку к n-канальному транзистору между стоком и землёй, то решение есть. Можно использовать готовую микросхему — драйвер верхнего плеча. Верхнего — потому что транзистор сверху.

Выпускаются и драйверы сразу верхнего и нижнего плеч (например, IR2151) для построения двухтактной схемы, но для простого включения нагрузки это не требуется. Это нужно, если нагрузку нельзя оставлять «висеть в воздухе», а требуется обязательно подтягивать к земле.

Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

Драйвер MOSFET

Схема не сильно сложная, а использование драйвера позволяет наиболее эффективно использовать транзистор.

IGBT

Ещё один интересный класс полупроводниковых приборов, которые можно использовать в качестве ключа — это биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Они сочетают в себе преимущества как МОП-, так и биполярных транзисторов: управляются напряжением, имеют большие значения предельно допустимых напряжений и токов.

Управлять ключом на IGBT можно так же, как и ключом на MOSFET. Из-за того, что IGBT применяются больше в силовой электронике, они обычно используются вместе с драйверами.

Например, согласно даташиту, IR2117 можно использовать для управления IGBT.

Драйвер IGBT

Пример IGBT — IRG4BC30F.

Все предыдущие схемы отличало то, что нагрузка хоть и была мощной, но работала от постоянного тока. В схемах была чётко выраженные земля и линия питания (или две линии — для контроллера и нагрузки).

Для цепей переменного тока нужно использовать другие подходы. Самые распространённые — это использование тиристоров, симисторов и реле. Реле рассмотрим чуть позже, а пока поговорим о первых двух.

Тиристоры и симисторы

Тиристор — это полупроводниковый прибор, который может находится в двух состояниях:

  • открытом — пропускает ток, но только в одном направлении,
  • закрытом — не пропускает ток.

Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для включения и выключения нагрузки он подходит не очень хорошо. Половину времени на каждый период переменного тока прибор простаивает. Тем не менее, тиристор можно использовать в диммере. Там он может применяться для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек требуемой мощности.

Симистор — это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания нагрузки.

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

  • подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
  • подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.

Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет постоянной амплитуды.

После того, как симистор открылся, его можно закрыть поменяв полярность или снизив ток через него то величины, меньшей чем так называемый ток удержания. Но так как питание организовано переменным током, это автоматически произойдёт по окончании полупериода.

При выборе симистора важно учесть величину тока удержания ($I_H$). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не откроется.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например, MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА, поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до 1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой накаливания).

Управление через симистор

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они переключаются только в начале периода, что снижает помехи в электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое — симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для России, Украины и многих других стран) — это значение действующего напряжения. Пиковое напряжение равно $\sqrt2 \cdot 230 \approx 325\,В$.

Управление индуктивной нагрузкой

При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или при наличии помех в сети напряжение может стать достаточно большим, чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим явлением в схему необходимо добавить снаббер — это сглаживающий конденсатор и резистор параллельно симистору.

Управление через симистор со снаббером

Снаббер не сильно улучшает ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем без него.

Керамический конденсатор должен быть рассчитан на напряжение, большее пикового в сети питания. Ещё раз вспомним, что для 230 В — это 325 В. Лучше брать с запасом.

Типичные значения: $C_1 = 0{,}01\,мкФ$, $R_4 = 33\,Ом$.

Есть также модели симисторов, которым не требуется снаббер. Например, BTA06-600C.

Примеры симисторов

Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь $I_H$ — ток удержания, $\max\ I_{T(RMS)}$ — максимальный ток, $\max\ V_{DRM}$ — максимальное напряжение, $I_{GT}$ — отпирающий ток.

Модель $I_H$ $\max\ I_{T(RMS)}$ $\max\ V_{DRM}$ $I_{GT}$
BT134-600D 10 мА 4 А 600 В 5 мА
MAC97A8 10 мА 0,6 А 600 В 5 мА
Z0607 5 мА 0,8 А 600 В 5 мА
BTA06-600C 25 мА 6 А 600 В 50 мА

Электромагнитные реле

С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой, причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Твердотельные реле

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается несколькими недостатками:

  • это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
  • меньшая скорость переключения,
  • сравнительно большие токи для переключения,
  • контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных реле. Это, фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой, содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Таким образом, в арсенале у нас достаточно способов управления нагрузкой, чтобы решить практически любую задачу, которая может возникнуть перед радиолюбителем.

  1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
  2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
  3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
  4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
  5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
  6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
  7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
  8. Управление MOSFET-ами #1
  9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
  10. Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Все схемы нарисованы в KiCAD. В последнее время для своих проектов использую именно его, очень удобно, рекомендую. С его помощью можно не только чертить схемы, но и проектировать печатные платы.

velikodniy.github.io

Триггер Шмитта на транзисторах | HomeElectronics

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о симметричных триггерах – RS- и T-триггерах. Сегодняшняя моя статья познакомит вас с ещё одной разновидностью триггеров – несимметричный триггер, который имеет более известное название – триггер Шмитта.

О триггерах Шмитта в интегральном исполнении я уже рассказывал в одной из предыдущих статей. Давайте вспомним чем, прежде всего, характеризуется данный тип триггера. Как мы помним из предыдущей статьи триггеры характеризуются несколькими устойчивыми состояниями. Так вот в триггере Шмитта переход из одного устойчивого состояния в другое осуществляется только при определённых значениях входного напряжения, которые называются уровнями срабатывания триггера или просто пороговыми уровнями. Таким образом, можно сказать, что несимметричный триггер имеет гистерезисный характер передаточной характеристики.



Передаточная характеристика триггера Шмитта.

Принцип работы триггера Шмитта

В идеальном случае передаточная характеристика триггера Шмитта имеет вид изображённый на рисунке выше. В случае если входное напряжение триггера не превышает напряжение срабатывания U1 (UВХ < U1), то триггер находится в одном из устойчивых состояний, а напряжение на выходе находится на уровне Е0 (UВЫХ = Е0). Когда же напряжение на входе превысит порог срабатывания (UBX > U1), то триггер моментально перейдёт в другое устойчивое состояние и напряжение на выходе станет равным рабочему напряжению триггера Е1 (UВЫХ = Е1). После этого напряжение на входе может изменяться в некоторых пределах, но на выходе останется постоянным и равным рабочему напряжению Е1.

Чтобы вернуть триггер Шмитта в исходное состояние, необходимо, чтобы напряжение на входе уменьшилось до некоторого уровня, называемого порогом отпускания триггера. Как только напряжение на входе уменьшится до некоторого уровня напряжения U2 (UВХ < U2), то триггер скачкообразно перейдёт в исходное состояние, при котором напряжение на выходе будет равным Е0 (UВЫХ = Е0).

Величины напряжений пороговых уровней срабатывания и отпускания триггера полностью определяются элементами электронной схемы данного типа триггера.

Как правило, в настоящее время триггеры Шмитта изготавливаются в интегральном исполнении, параметры которого удовлетворяют в большинстве случаев. Но в некоторых случаях имеет место изготовление данного типа триггеров и в дискретном исполнении, например, в экспериментальной или высоковольтной отраслях. Давайте рассмотрим схему триггера Шмитта в дискретном исполнении на транзисторах.

Схема триггера Шмитта на транзисторах и принцип её работы

Схема триггера Шмитта представлена на изображении ниже. Триггер Шмитта или несимметричный триггер имеет схожую структуру с симметричным триггером, отличие между ними заключается в том, что одна из коллекторно-базовой цепи симметричного триггера заменена на общую эмиттерную связь. В результате коллектор транзистора VT2 не связан с базовой цепью VT1 и нагрузка, подключённая к коллектору VT2, мало влияет на работу триггера.



Схема триггера Шмитта на биполярных транзисторах.

В общем случае несимметричный триггер или триггер Шмитта состоит из следующих элементов: транзисторы VT1 и VT2, имеющие гальваническую связь между собой и через резистор R5 присоединены к общей шине питания; резисторы R1 и R2, обеспечивающие режим работы транзистора VT1 и исходное состояние схемы в целом; резисторы R3 и R7, являющиеся коллекторными нагрузками транзисторов VT1 и VT2 соответственно; резисторы R4 и R6, которые образуют делитель напряжения, тем самым определяя необходимые пороги срабатывания триггера; конденсатор C1, служащий для ускорения переключения триггера.



Временные диаграммы входных и выходных напряжений триггера Шмитта (несимметричный триггер).

Рассмотрим принцип работы триггера Шмитта по его временным диаграммам изображенным выше. При подключении источника питания к триггеру, он переходит в исходное состояние, при котором транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт. В этом случае на выходе триггера присутствует некоторое напряжение Uэ, которое зависит от элементов обвязки транзистора VT2

Временные диаграммы входных и выходных напряжений триггера ШмиттаВременные диаграммы входных и выходных напряжений триггера Шмитта

В случае, когда входное напряжение превысит порог срабатывания, транзистор VT1 откроется, а VT2 соответственно закроется и напряжение на выходе триггера резко возрастёт до значения примерно равному напряжению источника питания.

Временные диаграммы входных и выходных напряжений триггера ШмиттаВременные диаграммы входных и выходных напряжений триггера Шмитта

Как я уже писал выше, триггер Шмитта имеет два уровня напряжения (пороги срабатывания), разность между которыми называется шириной петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса зависит от величины резистора, а порог срабатывания триггера от соотношения делителя напряжения, который образуется резисторами R4 и R6. Вследствие чего большой проблемой является отдельная регулировка, как ширины петли гистерезиса, так и порогов срабатывания триггера.

Триггер Шмитта с независимой регулировкой гистерезиса и уровней срабатывания

Для осуществления независимой регулировки параметров триггера Шмитта между транзисторами VT1 и VT2 включается буферный элемент (очень часто эмиттерный повторитель). В результате этого уменьшается влияние резистора R3 на делитель напряжения R4R6, а также повышается чувствительность схемы в целом.



Схема триггера Шмитта с буферным элементом.

Расчёт триггера Шмитта

Исходные данные: амплитуда импульсов Um = 10 В, максимальный выходной ток триггера Im = 10 мА, напряжение срабатывания триггера U1 = 5 В, напряжение отпускания триггера U2 = 3 В, частота следования импульсов fm = 5 МГц, длительность фронта и среза импульсов tf = ts ≤ 10 нс.

  1. Определение напряжения источника питания
    Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементом
  2. Выбор транзистора. Транзистор должен соответствовать следующим условиямСхема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементомДанным параметрам соответствует транзистор КТ315Д со следующими характеристиками:Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементом
  3. Определяем сопротивление коллекторных резисторов R3 и R7 транзистора VT1 и VT2.
    Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементом
  4. Вычисляем сопротивление резистора R5 в эмиттерных цепях транзисторов.
    Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементом
  5. Находим сопротивления резисторов R4 и R6. Для этого введём коэффициент пропорциональности λ, между резисторами.
    Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементомСопротивление резистора R4 вычислим по следующей формуле
    Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементомТогда сопротивление резистора R6 будет равно
    Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементом
  6. Определяем сопротивление резисторов R2.
    Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементом
  7. Определяем сопротивление резистора R1.
    Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементом
  8. Вычисляем значение ёмкости ускоряющего конденсатора С1.
    Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементом

Выполненный расчёт является предварительным, так как из-за разброса параметров элементов схемы возможны некоторые отклонения от заданных условий схемы. После выбора номиналов элементов необходимо провести прямой проверочный расчёт пороговых уровней напряжения U1 и U2 по следующим формулам

Схема триггера Шмитта с буферным элементомСхема триггера Шмитта с буферным элементом

Прямой проверочный расчёт важен, в случае если ширина петли гистерезиса (U2 – U1) находится в пределах нескольких долей вольта.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

www.electronicsblog.ru

Что такое триггер Шмидта. Схемы шмидовских триггеров

Что такое триггер Шмитта

Слово trigger, в переводе на русский, значит, спусковой крючок. Функциональность устройства заключается в быстром переходе из одного устойчивого состояния в другое под внешним воздействием.

Большинство подобных устройств имеют заданное одинаковое значение для нарастающего сигнала. Для быстрорастущих сигналов – это не проблема. Но для сигналов, которые имеют очень медленное нарастание (шумовые, например) – колебания назад и вперед из положения off в on и обратно могут вывести из строя прибор. Триггеры Шмитта применимы для медленно изменяющихся сигналов или шума.

Триггер Шмидта

Это решение для случаев, когда сигнал на входе колеблется вокруг заданной точки. Схема для получения петли гистерезиса – это значит, что есть два набора точек, одни на низкой стороне, другие на высокой. Допустим, что на стороне низкого заданное значение составляет 2,0 В, а на стороне высокого – 1,5 В. Как только нарастающий входной сигнал (шум) попадает в точку 2.0 В, триггер переключит выход на 1. И сигнал на выходе останется на 1 до тех пор, пока входной сигнал не упадёт обратно до 1,5 В. В зоне от 1,5 и 2.0 В сигнал не переключается.

Самым простым примером применения является однополюсный двухпозиционный тумблер.

Триггер Шмидта

Перемещением рычага вправо соединяются выступы в центре. Цифровые схемы работают на 1 и 0 (вкл. и выкл.) Серединных значений при этом нет.

Схемы триггеров Шмитта

Существует много схем, в которых необходимо включение элементов, имеющих фиксированные пороги на входе. Можно применять дискретные транзисторы, а также операционный усилитель (ОУ) с дополнительными компонентами, способствующими созданию петли гистерезиса.

На схеме изображено как устройство формирует импульс правильной конфигурации, при произвольном входном сигнале. Подобная схема применяется для преобразования медленно изменяющихся сигналов в импульсы с чётко очерченными краями. Это выполняется и на нескольких устройствах, и на одном ОУ.

Триггер Шмидта

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Для несимметричного триггера характерно несколько устойчивых состояний, когда переход из одного в другое происходит лишь при пороговых уровнях. Поэтому для такого триггера характерна гистерезисная передаточная характеристика. В нижеприведённой схеме использованы биполярные транзисторы.
Триггер Шмидта
На данном чертеже показано, что триггер Шмитта включает в себя транзисторы VT1 и VT2, гальванически связанные между собой посредством резистора R5. Все элементы имеют общую питающую шину. R1 и R2 обеспечивают рабочий режим транзистора VT1. Организован делитель напряжения (два резистора). Конденсатор C1 служит для ускоренного переключения. Временные диаграммы входных и выходных напряжений устройства показаны на рисунке.
Триггер Шмидта
При подаче питания к устройству, он переходит в исходное состояние, когда транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. В таком состоянии на выход устройства поступает некоторое напряжение Uэ, зависящее от элементов обвязки VT2. Имеются два порога срабатывания в триггере Шмитта (эта разность между напряжениями называется шириной петли гистерезиса).

Триггер Шмидта на логике

Это устройство особенное, потому что имеет по одному аналоговому входу и цифровому выходу. Самая простая схема триггера Шмитта основана на цифровых логических элементах, то есть последовательно включенных двух инверторах. Посредством резистивной обратной связи цифровой сигнал на выходе меняет входное напряжение переключения. Скорости нарастания сигнала на выходе и входе не зависят друг от друга, являясь для данной схемы постоянной величиной (зависящей от быстродействия логических вентилей). Схема триггера Шмитта, построенная на двух инверторах, изображена ниже.

Триггер Шмидта

Триггер Шмидта

Добавлена обратная связь, обеспеченная двумя резисторами, способствует быстрому изменению напряжения на выходе схемы при пересечении сигналом порогового напряжения. Соотношение между резисторами влияет на глубину этой связи. Тот факт, что часть сигнала с выхода схемы поступает на вход, приводит к тому, что вместо одного порога у схемы получается два. Один из них назван порогом срабатывания схемы (когда на выходе устройства формируется уровень «1»). Второй порог назван порогом отпускания (когда на выходе схемы формируется уровень «0»). Наличие двух порогов дало триггеру Шмитта второе название — схема с гистерезисом. Положительная обратная связь используется для того, чтобы установить лимит для достижения точки насыщения на выходе и, таким образом, можно изменить синусоидальное напряжение в цифровое.

Как определить низкие и высокие пороговые уровни на входе схемы? Логика определения этих пороговых уровней следующая. Необходимо выбрать верхний порог, который ниже минимального высокого уровня сигнала. Другими словами, это тот уровень, когда входной сигнал будет превышать каждый импульс на выходе. Аналогичным образом выбирается нижний порог, который соответственно выше низкого уровня сигнала. Разница между верхним и нижним уровнем является гистерезис. Чем больше гистерезис, тем больше будет восприимчивость схемы к шуму. Также необходимо учесть влияние времени.

На изображении хорошо видны два порога там, где на вход устройства подаётся синусоидальное напряжение.

Генератор на триггере Шмитта

Для построения генераторов применяются инверторы. Посему для обеспечения устойчивых сигнальных волн нужно вывести элемент на участок между «0» и «1». Далее, требуется обеспечить положительную обратную связь посредством конденсаторов.

Ниже изображена схема простейшего генератора импульсов.

Триггер Шмидта

Инвертор генерирует сигнал, который заряжает и разряжает конденсатор. Это работает, потому что на выходе инверторов «0» или «1» (низкие или высокие пороговые значения). Представим, что мы смотрим на цепи в какой-то случайный момент времени. По своей природе, триггера Шмитта на выходе инвертора или 0 В или 5 В (или переход между ними, который мы можем игнорировать). Если на выходе 0 В, а на выходе конденсатора выше, чем на выходе инвертора, конденсатор будет разряжаться через резистор до падения порогового напряжения триггера Шмитта. Конденсатор разряжается до тех пор, пока на входе инвертора сигнал достаточно низкий. При пересечении порогового значения, цикл начнётся заново.

Ключ, который делает эту работу на «гистерезис» в триггер Шмитта. В основном это означает, что точка поездки инвертора зависит оттого, что мы идем от высокого напряжения или низкого напряжения.

Заключение

Достоинство схем заключается в том, что входное напряжение меняется незначительно, когда выходное изменяется резко к высокому или низкому пороговому значению. Процесс проводится благодаря устройству обратной связи и делителя напряжения.

В чём польза триггера Шмитта? Они весьма востребованы тогда, где на входе присутствуют шумы. Применяется для преобразования входного сигнала в прямоугольные, пренебрегая высокочастотными помехами. Такая входная цепь осуществляет гистерезис, эффективно фильтрующий различные типы шумов. Использование устройства будет гарантировать, что на входе цифрового устройства всегда будет либо «один» или «ноль» и ничего между ними.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

elektronchic.ru

Триггер Шмитта на транзисторах | joyta.ru

Триггер Шмитта на транзисторах, так же как и триггер Шмитта на  ОУ,  является системой двух устойчивых состояний, переход которого из одного состояния в другое связан с амплитудой запускающего импульса.

Подобные триггеры широко используются, в вычислительной технике и всевозможных промышленных приборах, где нужно менять форму сигнала, преобразовывать прямоугольные импульсы из синусоиды колебаний и регистрировать завышение сигнала определенного порога. Стандартная схема триггера Шмитта на двух биполярных транзисторах n-p-n   приводится ниже.

Для правильного уяснения работы триггера Шмитта сперва допустим, что на входе транзистора VT1 нет сигнала. Сопротивления R1, R2 и R3, подключены к минусу и плюсу питания, и создают своеобразный делитель напряжения. По отношению к эмиттеру транзистора VT2, падение напряжения на сопротивлении R3 окажется положительным, по причине этого данный транзистор будет открыт.

От источника питания на коллектор транзистора VT2 через резистор R4 идет положительный потенциал. Когда транзистор открыт, ток эмиттера, протекающий через R4, создает на нем падение напряжения. Сквозь вторичную обмотку трансформатора Тр1, имеющего малое сопротивление,  потенциал на резисторе R5 оказывается между базой и эмиттером VT1 и формирует обратное смещение на переходе Б-Э. В связи с этим VT1 закрыт. Данное устойчивое состояние схемы Шмитта является одним из двух вероятных состояний.

Вследствие падения напряжения на R4 по причине протекания через него тока, потенциал коллектора VT2 будет намного ниже напряжения питания. При поступлении на вход сигнала, он не окажет никакого воздействия на устойчивость триггера Шмитта, если его амплитуда будет меньше напряжения смещения между эмиттером и базой транзистора VT1, идущего с сопротивления R5.

В том случае если входной сигнал будет по амплитуде больше этого смещения, то произойдет открытие VT1. Из-за снижения потенциала на коллекторе VT1 снижается смещение на базе VT2, и в итоге его эмиттерный ток также снизится.

Из-за этого снизится падение напряжения на сопротивлении R5, а смещение на базе VT1 увеличится и инициирует последующий рост тока через VT1. Падение напряжения на R1 также значительно повысится, что в свою очередь уменьшит смещение на базе VT2 и снизит падения напряжения на R5. Этот алгоритм будет длиться до тех пор, пока VT1 до конца не откроется, а  транзистор VT2, не закроется.

Как только ток коллектора VT2 достигнет нуля и на сопротивлении R4  начнет падать напряжение, потенциал же на его коллекторе станет увеличиваться, который пройдя через конденсатор С2 становится выходным сигналом.

Величина и форма сигнала на выходе триггера Шмитта  находятся в прямой зависимости от постоянной времени (R4+Rн)C2 и сопротивления нагрузки Rн. Устойчивое положение, которое отвечает закрытому транзистору VT2 и открытому VT1, является вторым состоянием триггера Шмитта, и оно длится, пока есть входной сигнал. И как только входной сигнал пропадет, триггер Шмитта переходит в первоначальное состояние.

Если постоянная времени (R4+Rн)С2 существенно превышает продолжительность входного сигнала, то амплитуда сигнала на выходе триггера Шмитта практически оказывается стабильной, без изменений.

Источник: «200 избранных схем электроники»,  Мэндел М.

www.joyta.ru

Запуск транзисторных триггеров

Запуск триггера можно производить, запирая насыщенный транзистор или отпирая предварительно запертый. Первый вариант предпочтительнее, так как на отпертый транзистор с очень малым входным сопротивлением переключающий импульс воздействует меньшее время, чем при втором варианте. Этим уменьшается мощность, потребляемая от генератора запуска. В этом случае ускоряющие конденсаторы могут иметь меньшую ёмкость, что сокращает время переходных процессов и установления напряжений в схеме после её опрокидывания. Переключающий импульс должен иметь вполне определённую длительность, чтобы не влиять на схему после возникновения лавинообразного процесса. Поэтому составной частью цепей запуска часто являются дифференцирующие цепи (укорачивающие цепи).

Существуют два вида запуска триггеров: раздельный и общий (счётный).

При раздельном запуске импульсы запуска, чередующиеся по полярности, подаются либо на базу одного транзистора, либо импульсы одной полярности подаются на базу то одного, то другого транзистора.

Триггер с раздельным запуском показан на рис.3.12. Другой вариант такого же триггера, на входах которого установлены дифференцирующие цепи, показан на рис.3.18.

Рис.3.18. Триггер с раздельным запуском и дифференцирующими

цепями на входах

 

Вследствие дифференцирования входных прямоугольных импульсов на резисторах R1 (R2)выделяются разнополярные импульсы, что создаёт опасность вторичного переключения триггера от входного импульса. Такая опасность устраняется с помощью отсекающих диодов VD1 и VD2, пропускающих на базы транзисторов импульсы только одной полярности. Отрицательный прямоугольный импульс, поступающий на один из входов, дифференцируется, и соответствующий переднему фронту отрицательный остроконечный импульс через диод VD1 или VD2 воздействует на базу насыщенного транзистора. Последний выходит из состояния насыщения, развивается лавинообразный процесс, и схема опрокидывается. Следующее переключение схемы произойдёт под действием импульса, поступившего на другой вход.

 

Триггер со счётным запуском

Счётный запуск осуществляется импульсом определённой полярности, поступающим на общий вход обоих плеч триггера. Такой триггер часто называют счётным (Т-триггером). Схема счётного триггера показана на рис.3.19.

Рис.3.19. Схема триггера со счётным запуском (Т-триггера)

 

Как и при раздельном запуске, переключение триггера произойдёт, если запускающий импульс поступит на базу того транзистора, с которого оно должно начаться (отрицательный запускающий импульс должен поступить на базу насыщенного транзистора). Задача цепи запуска – направить каждый запускающий импульс в нужном направлении (т.е. на базу насыщенного транзистора). Кроме того, она должна устранить опасность повторного переключения от одного запускающего импульса, ещё присутствующего на общем входе уже после опрокидывания триггера.

Работа Т-триггера

Пусть в исходном состоянии VT1открыт, а VT2 закрыт. Ускоряющий конденсатор C' разряжен, так как потенциал его левой обкладки близок к нулю ввиду того, что VT1 насыщен, а на правой обкладке потенциал немного меньше нуля (из-за наличия источника смещения –Ек). Поэтому можно сказать, что UС' 0. Ускоряющий конденсатор C'' заряжен, так как его левая обкладка подключена к базе насыщенного VT1, потенциал на которой примерно равен нулю, а правая обкладка присоединена к коллектору запертого VT2, потенциал которого примерно равен к. Следовательно, можно сказать, что UС''≈+Ек.

При подаче на вход схемы отрицательного импульса запуска оба диода VD1 и VD2 отпираются. Через диод VD1 отрицательный импульс запуска подаётся на базу VT1 и запирает его. Напряжение на коллекторе VT1 становится равным к. Через диод VD2 отрицательный импульс запуска подаётся на базу запертого VT2 и не изменяет его состояния. Через диод VD2 протекает ток заряда C' по цепи:

к→ Rк1 → C' → VD2(открытый) источник импульсов → – Ек

(корпус).

Ввиду того, что длительность импульса запуска мала, конденсатор C' заряжается на очень незначительную величину (ΔUС'). После окончания входного импульса запуска оба диода запираются и отключают источник импульсов запуска от триггера. В этом состоит основное назначение отсекающих диодов.

Таким образом, на некоторое время оба транзистора оказываются запертыми. При этом напряжение к на коллекторах обоих транзисторов через делители R'Rб2и R''Rб1оказывается приложенным к базам обоих транзисторов, и они начинают открываться. Однако плечи триггера в этот момент не будут симметричны, так как C' и C'' заряжены к этому моменту неодинаково: C' заряжен до величины UС' 0, а C'' – до величины UС''≈+Ек. Поэтому ток Ік2 будет больше тока Ік1. Ток, протекающий через VT2 , будет равен сумме токов от источника питания и от заряженного до к конденсатора C'', а ток, протекающий через VT1, будет равен сумме токов от источника питания и от заряженного до +ΔUС' конденсатора C'. В результате неравенства токов, протекающих через транзисторы, возникает лавинообразный процесс, и схема опрокидывается: VT1 запирается, а VT2 отпирается.

Перед следующим тактом запуска запертым оказывается VT1, а отпертым – VT2. Теперь C' заряжается по цепи:

к→ Rк1 → C' → Rб2 → –Есм→ +Есм (корпус) → – Ек.

C'' разряжается по цепи:

+C''→ VT2 корпус(см) → –Есм → Rб1 → – C''.

В этом состоянии схема будет находиться до прихода следующего импульса запуска. Далее цикл работы триггера повторяется, но меняются ролями его плечи.

Отсюда можно увидеть особенность ускоряющих конденсаторов в таком триггере: кроме обычной функции ускорения опрокидывания, они выполняют функции элементов «памяти», запоминающих состояние триггера и способствующих течению процессов опрокидывания в нужном направлении. Если в триггерах с раздельным запуском отсутствие ускоряющих ёмкостей приводит лишь к уменьшению быстродействия триггера, то в рассмотренной схеме наличие их является обязательным, в противном случае триггер нормально работать не сможет.

Существуют и другие схемы триггеров со счётным запуском, но и в них элементами «памяти» служат конденсаторы.

 

Блокинг-генератор

Блокинг-генератор – это релаксационный генератор коротких импульсов, представляющий собой однокаскадный неинвертирующий усилитель с глубокой положительной обратной связью. Выполнение фазового условия самовозбуждения (т.е. создание положительной обратной связи) обеспечивается соответствующим включением обмоток импульсного трансформатора. Импульсный трансформатор – это трансформатор с ферромагнитным сердечником, служащий для преобразования электрических импульсов длительностью от нескольких наносекунд до десятков микросекунд. Основным требованием, предъявляемым к импульсному трансформатору, является обеспечение минимальных искажений генерируемого импульса. Для выполнения этого требования конструкция импульсного трансформатора имеет ряд особенностей, которые обеспечивают уменьшение индуктивности рассеивания и вихревых токов в сердечнике, а также незначительные паразитные ёмкости. Таким образом, импульсный трансформатор, как и усилительный элемент, осуществляет инвертирование сигнала, в результате чего сдвиг по фазе между выходным и входным сигналами становится равным , и, следовательно, при выполнении амплитудного условия самовозбуждения в схеме возможно возникновение регенеративного процесса.

Блокинг-генератор формирует практически прямоугольные импульсы с достаточно широким диапазоном длительностей и периода повторения. При формировании радиолокационной последовательности импульсов, когда , мощность формируемых импульсов оказывается очень большой даже при применении маломощных транзисторов. Это объясняется тем, что в транзисторах за счёт импульсной инжекции можно получать токи, намного превышающие допустимые токи непрерывного режима работы. Восстановление эмиссионных свойств эмиттера происходит во время паузы между формированием соседних импульсов.

Во время формирования импульса блокинг-генератор имеет очень малое выходное сопротивление и поэтому может работать на низкоомную нагрузку. С обмоток импульсного трансформатора можно получать импульсы различной полярности, причём, с дополнительных обмоток амплитуда выходных импульсов может намного превышать напряжение источника питания.

Блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем (заторможенном) режиме и в автоколебательном режиме с внешней синхронизацией.

Схема транзисторного блокинг-генератора изображена на рис.3.20. Временные диаграммы работы блокинг-генератора показаны на рис.3.21.

Рис.3.20. Схема транзисторного блокинг-генератора

 

Работа блокинг-генератора.

Поскольку данный блокинг-генератор работает в автоколебательном режиме, то рассмотрение процессов можно начать с любого момента. Начнём

с момента перезаряда конденсатора, когда транзистор заперт (находится в режиме отсечки).

1-й этап. Перезаряд конденсатора.

Конденсатор C, заряженный при формировании предыдущего импульса, перезаряжается по цепи: + Ек (корпус) →ωб →C →Rб →– Ек

Рис.3.21. Временные диаграммы работы блокинг-генератора

 

Ток перезаряда создаёт на Rб падение напряжения, полярность которого приложена к базе транзистора плюсом. В результате потенциал базы относительно эмиттера оказывается более положительным и поэтому транзистор находится в запертом состоянии. По мере перезаряда конденсатора положительное напряжение на базе уменьшается (рис.3.20, а; б).

2-й этап. Первое опрокидывание схемы (прямой блокинг-процесс).

В тот момент, когда напряжение на базе VT1 достигнет нуля (t = t1), транзистор отпирается, и в цепях базы и коллектора начинают протекать токи iби iк. Появление iк вызывает возникновение ЭДС самоиндукции е1в обмотке импульсного трансформатора ωк, препятствующей возникновению и росту iк. Возникновение е1, в свою очередь, вызывает появление ЭДС взаимоиндукции е2 в обмотке ωб, минус которой оказывается приложенным к базе. При этом замыкается цепь положительной обратной связи:

+Δiк→ +Δе1→ –Δе2 → –ΔUб→ +Δiб→ +Δi'к (>Δiк)

и начинается лавинообразный процесс отпирания транзистора (прямой блокинг-процесс). Говорят, что схема «опрокидывается». Процесс опрокидывания идёт до тех пор, пока транзистор не зайдёт в область насыщения. В этот момент токи iб и iк достигают максимальных значений, а отрицательное напряжение на коллекторе становится равным почти нулю.

3-й этап. Формирование вершины импульса.

С момента перехода транзистора в режим насыщения входной ток iб перестаёт управлять током коллектора iк, и транзистор теряет свои усилительные свойства. ЭДС самоиндукции е1и взаимоиндукции е2пропадают; начинается формирование плоской вершины импульса. С момента отпирания транзистора в цепи базы появляется ток. В обмотке импульсного трансформатора ωб возникает ЭДС за счёт энергии, запасённой во время формирования вершины импульса, и начинается заряд конденсатора C током базы по цепи:

корпус → переход (Э-Б) → C → ωб → корпус (эмиттер).

Напряжение на конденсаторе нарастает быстро, так как прямое сопротивление перехода «эмиттер-база» очень мало. По мере заряда конденсатора положительный потенциал базы увеличивается, а ток в цепи эмиттер - база (iб) уменьшается, что приводит к выходу транзистора из режима насыщения.

4-й этап. Второе опрокидывание схемы (обратный блокинг-процесс).

Процесс формирования вершины заканчивается в тот момент (t = t2), когда ток заряда конденсатора iбуменьшится настолько, что величина коэффициента усиления по току β будет достаточной для возникновения обратного блокинг-процесса. В этот момент транзистор вновь становится активным элементом, обладающим усилительными свойствами. Уменьшение тока базы iб вызывает уменьшение тока коллектора iк и появление ЭДС самоиндукции е'1 и взаимоиндукции е'2. Эти ЭДС имеют направление, противоположное соответствующим ЭДС, возникающим при первом опрокидывании схемы. Вновь замыкается петля положительной обратной связи:

–Δiб→ –Δiк → –Δе'1 → +Δе'2 → ΔUб → –Δi'б(> –Δiб).

Процесс развивается лавинообразно и приводит к резкому запиранию транзистора. Напряжение на коллекторе Uк понижается до величины – Ек, даже ниже – Ек. Это объясняется тем, что в процессе формирования вершины импульса ток намагничивания импульсного трансформатора после запирания транзистора не может исчезнуть мгновенно. В результате ударно возникает ЭДС самоиндукции, приводящая к «всплеску» Uк. При достаточно высокой добротности паразитного колебательного контура в цепи коллектора этот «всплеск» может перейти в паразитные колебания (пунктир). Для предотвращения возникновения паразитных колебаний обычно параллельно обмотке, стоящей в цепи коллектора, включается диод. Малое прямое сопротивление диода шунтирует паразитный колебательный контур, образованный индуктивностью и межвитковой ёмкостью первичной обмотки ωк. Добротность колебательного контура при этом становится низкой, и колебания быстро затухают.

После запирания транзистора вновь начинается описанный выше процесс сравнительно медленного перезаряда конденсатора C.

Ждущий блокинг-генератор

Блокинг-генератор может работать в ждущем режиме. Для этого в общем случае необходимо поддерживать транзистор в запертом состоянии до момента поступления отпирающего импульса. Запереть транзистор можно различными способами: подать положительное напряжение на базу или отрицательное напряжение на эмиттер (если транзистор структуры p-n-p). Обычно выбирается второй вариант (рис.3.22), так как при этом используется общий источник питания – Ек.

Рис.3.22. Ждущий блокинг-генератор

 




infopedia.su

1.4.2. Схемы запуска триггеров

Существует два способа запуска триггеров: раздельный и общий.

Раздельный запуск осуществляется подачей импульсов одной полярности поочередно на базы транзисторов (входы триггеров). Импульс, поданный на один из входов, устанавливает триггер в одно из устойчивых состояний. Импульс, подаваемый на другой вход, устанавливает триггер в противоположное устойчивое состояние. Схема триггера с раздельным запуском с подачей запускающих импульсов на базы через диоды показана на рис.1.12.

К элементам цепи запуска относятся диоды Д1 и Д2, конденсаторы Сз1 и Сз2, резисторы Rз1 и Rз2. Пусть триггер находится в таком устойчивом состоянии, когда транзистор Т1 открыт и насыщен, а транзистор Т2 закрыт. На Вх1 подается прямоугольный импульс. Он продифференцируется цепочкой Rз1Сз1 и из него сформируются два коротких импульса остроконечной формы противоположной полярности. Поскольку транзистор Т1 открыт, потенциал его коллектора к1 низкий (0). Так как потенциал анода диода Д1 примерно равен потенциалу коллектора (он меньше на небольшое значение падения напряжения на резисторе Rз1), диод Д1будет находиться в проводящем состоянии и пропустит положительный импульс на базу. С приходом этого импульса в базу транзистор Т1 начнет выходить из насыщения, а транзистор Т2 - из области отсечки. Когда оба они окажутся в активном режиме, петля положительной обратной связи замкнется и в схеме начнется лавинообразный процесс, в результате которого транзистор Т1 закроется, а транзистор Т2 откроется, (этот процесс переброса триггера был подробно рассмотрен ранее).

Такое состояние триггера будет сохраняться до тех пор, пока не поступит новый запускающий импульс на второй вход (Вх2). Так как после перехода обоих транзисторов в активный режим процесс развивается за счет внутренних явлений, без участия запускающего импульса, цепь запуска после опрокидывания должна отключить триггер от генератора. Это обеспечивается следующим образом. На коллекторе закрывающегося транзистора Т1 устанавливается высокий потенциал к1  (-Ек), поэтому и на аноде диода Д1 имеется примерно такой же потенциал. Диод Д1, находится в непроводящем состоянии и отключает Вх1 от базы транзистора Т1 (поэтому диоды Д1 и Д2 называют отсекающими). До подачи следующего импульса конденсатор Сз1 разряжается через резистор Rз1.

Триггер с раздельным запуском называют RS-триггером. Он имеет пару входов и пару выходов. Входы, на которые подают запускающие импульсы, называют установочными и обозначают R и S. Буква S означает раздельный вход установки в состояние 1, буква R - раздельный вход установки в состояние 0. Выходы обозначают и .

Счетный запуск. При счетном запуске импульсы одной полярности подаются на общий вход триггера, и каждый из импульсов приводит к опрокидыванию триггера. Возможны два варианта подачи запускающего импульса: на коллекторы (рис.1.13,а) и на базы (рис.1.13,б) транзисторов.

Наиболее широко в режиме общего входа применяют диодные схемы коллекторного запуска триггера. Рассмотрим процессы, происходящие при коллекторном запуске импульсами положительной полярности (рис.1.13,а).

Пусть транзистор Т1 насыщен, Т2 заперт, а Rк1 = Rк2. В этом исходном состоянии диоды Д1 и Д2 заперты. Диод Д1 заперт небольшим напряжением, равным напряжению на резисторе Кк2 и находится вблизи границы отпирания, так как напряжение на резисторе Rp практически равно нулю. Диод Д2 находится в режиме глубокой отсечки. Он заперт напряжением, почти равным Ек так как его анод, если представить насыщенный транзистор эквипотенциальной точкой, имеет потенциал корпуса.

При подаче на вход положительного импульса с амплитудой, меньшей Ек и большей, чем напряжение на резисторе Rк2, диод Д1 откроется и пропустит импульс только на коллектор запертого транзистора Т2. Оттуда импульс положительной полярности через цепочку связи RC попадет на базу насыщенного транзистора Т1, запирая его и опрокидывая триггер. Во время опрокидывания отпирается транзистор Т2 и повышается напряжение на его коллекторе, в результате чего запирается диод Д1 и отключается генератор запускающих импульсов. После опрокидывания триггера диод Д2 будет находиться вблизи границы отпирания, а Д1 – в режиме глубокой отсечки. Процессы при поступлении следующего запускающего импульса аналогичны. Диоды Д1 и Д2 выполняют роль коммутирующих элементов ключей. При этом исключается одновременное воздействие импульсов на оба транзистора, вызывающее уменьшение быстродействия, а иногда и ненадежный запуск триггера.

Схема запуска триггера отрицательными импульсами отличается лишь полярностью включения диодов Д1 н Д2. Процессы в этой схеме протекают несколько иначе.

Пусть Т1 насыщен, Т2 заперт, а Rк1 = Rк2. В исходном состоянии диод Д2 открыт, а Д1 заперт. Открытое состояние диода Д2 объясняется тем, что его катод находится под потенциалом корпуса, так как насыщенный транзистор Т2 можно считать эквипотенциальной точкой. Диод Д1 закрыт напряжением, близким к Ек, так как потенциал его анода, если рассматривать открытый диод Д2 и насыщенный транзистор Т1 эквипотенциальной точкой равен потенциалу корпуса. Если на вход поступает отрицательный импульс с амплитудой, меньшей Ек, то диод Д1 остается закрытым, а открытый диод Д2 пропускает импульс только на коллектор транзистора Т1. С коллектора насыщенного транзистора Т1 отрицательный импульс поступает на базу запертого транзистора Т2, вызывая опрокидывание триггера.

Кроме описанных выше схем диодного коллекторного запуска, на практике применяется схема базового запуска с общим входом (рис.1.13,б). Здесь R1 = R2 = R и С1 = С2 = С.

В этой схеме исключается попадание запускающих импульсов в выходные (коллекторные) цепи триггера и затем на вход последующих устройств. Диоды Д1 и Д2 служат для отключения триггера от генератора импульсов в момент окончания запускающего импульса, а через диод Д осуществляется быстрый разряд конденсатора Ср после отключения генератора запуска.

Процесс запуска протекает следующим образом. Пусть Т1 насыщен, а Т2 заперт. Ускоряющий конденсатор С1 практически разряжен, так как ток базы запертого транзистора Т2 и, следовательно, напряжение на резисторе R1 в исходном состоянии близко к нулю. Ускоряющий конденсатор С2 заряжен до напряжения Uc2 = ЕкR/(Rк + R), равного напряжению на резисторе R2. Диоды Д1 и Д2 заперты напряжением Есм. Запускающий импульс положительной полярности открывает диоды Д1, Д2 и проходит на базы обоих транзисторов. Под действием этого импульса запертый транзистор Т2 поддерживается в закрытом состоянии, насыщенный транзистор Т1 запирается, после чего конденсатор С1 заряжается на малую величину UС1 по цепи: Uвх – Ср – Д2 – С1 – Rк – (Ек).

В момент окончания запускающего импульса оба транзистора оказываются запертыми, а затем за счет отрицательных напряжений, подаваемых на базы от источника Ек, начинают открываться. Так как напряжение Uc2 больше, чем напряжение Uс1, то и базовый ток транзистора Т2 больше базового тока транзистора Т1. В результате Т1 запирается, а Т2 насыщается, т. е. процесс опрокидывания протекает в том же направлении, что и в момент запуска.

Таким образом, ускоряющие конденсаторы при запуске с общим входом одновременно с форсированием процесса опрокидывания выполняют роль элементов, запоминающих состояние триггера. Поэтому эти конденсаторы в соответствии с их принципиально новым назначением называют иногда запоминающими. Применение таких конденсаторов в триггере с общим входом обязательно.

К недостаткам базового способа запуска следует отнести ухудшение быстродействия триггера, которое в этом случае в 1,5—2 раза меньше, чем в режиме раздельных входов.

На процесс опрокидывания триггера существенно влияет длительность запускающих импульсов. Если импульс, например, очень короткий; то за время его действия транзистор не успевает выйти из насыщения и триггер не опрокинется. Максимальная частота переключения триггера со счетным запуском примерно вдвое меньше, чем при раздельном запуске, поэтому раздельный запуск предпочтительнее. Триггер со счетным запуском называют Т-триггером (буквой Т обозначают счетный вход).

Были рассмотрены триггеры, имеющие один или два входа. Выпускают триггеры, имеющие три входа и более. На рис.1.14 показана одна из возможных схем универсального триггера, который называют JK-триггером. Он имеет пять входов: J, К, R, S и С. JK-триггер может работать как RS-триггер (если на входы подавать поочередно положительные импульсы) и как T-триггер (если вход J подсоединить к коллектору транзистора Т1, а вход К – к коллектору транзистора Т2). Таким образом, наличие входов J и К значительно расширяет возможности JK-триггера.

Триггеры могут быть построены на полевых транзисторах. Для этого используются те же основные принципы и схемы ключей, что в триггерах на биполярных транзисторах.

studfile.net

Триггер на электронных транзисторных ключах.

 Электронный триггер - устройство с двумя устойчивыми состояниями предназначенное для хранения одного бита информации. Триггеры могут быть построены на электронных ключах. В предыдущей статье описан электронный ключ на биполярном транзисторе кт940А если два таких ключа соединить каскадно (выход первого со входом второго) после чего выход второго ключа соединить со входом первого то получится система с двумя устойчивыми состояниями представляющая собой неинвертирующий усилитель охваченный глубокой положительной обратной связью. Рассмотрим схему на рисунке 1:

Рисунок 1 - Триггер на электронных транзисторных ключах


Предположим что после подачи питания на схему открылся транзистор VT2 следовательно потенциал базы транзистора VT1, относительно земли, понизился и транзистор VT1 стал удерживаться в закрытом состоянии. Если на некоторое время замкнуть перемычкой коллектор и эмиттер транзистора VT1 то потенциал базы транзистора VT2, относительно земли, понизится, транзистор VT2 закроется следовательно повысится потенциал базы транзистора VT1 и он будет удерживаться в открытом состоянии таким образом триггер перейдет в другое состояние. Чтобы перевести триггер обратно в первое состояние можно на некоторое время замкнуть перемычкой коллектор и эмиттер транзистора VT2 или замкнуть перемычкой коллектор транзистора VT1 и плюс питания. Данный триггер можно использовать для запуска и остановки маломощного электродвигателя (например двигателя RF-310T-11400 рассчитанного на напряжение 5.9В) при этом триггер будет хранить одно из двух состояний: 1) когда двигатель запущен и работает или 2) когда двигатель остановлен и не работает. Рисунок 2 - Схема триггера для запуска, остановки электродвигателя (например RF-310T-11400) Схема на рисунке 2 обладает недостатками: когда двигатель работает часть тока проходит через открытый транзистор VT1, когда двигатель не работает ток проходит через открытый транзистор VT2. Данный триггер можно использовать для управления более мощными элементами коммутации силовых цепей.

На рисунке 3 приведен более безопасный но менее удобный вариант схемы:

Рисунок 3 - Схема триггера для запуска, остановки электродвигателя 2

   

electe.blogspot.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *