Schmittův klopný obvod

Schmittův klopný obvod je klopný obvod, který slouží k úpravě tvaru impulzů. Jeho základní vlastností je hystereze. To znamená, že jeho výstup je závislý nejen na hodnotě vstupu, ale i na jeho původním stavu. Hystereze, která je jindy nežádoucí, zde má své opodstatnění v tom, že zabraňuje vzniku zákmitů výstupního signálu v okolí střední úrovně spínání, proto se v číslicové technice používá jako tvarovací obvod, tzv. bezzákmitové tlačítko („dávač“ logických úrovní).^[1] Citlivost obvodu se nastavuje velikostí (šířkou) hystereze. Obvod je možno využít i jako jednobitový analogově digitální převodník – komparátor.

Popis funkce

Schmittův klopný obvod si lze představit jako zvláštní verzi bistabilního multivibrátoru reagujícího na pevně definované úrovně vstupního signálu. Dosažení prahové úrovně se projeví skokovou změnou výstupu, obvod tedy ze vstupního napětí libovolného průběhu vytvoří dvojúrovňový signál. Tak můžeme z analogového signálu, získat signál logický, V číslicové technice slouží k úpravě tvaru impulsů, které přivádíme na vstupy logických členů.^[1]^[2] Pokud je na výstupu kladné napětí, nedojde k překlopení obvodu při pouhém splnění podmínky $U_{IN}<U_{REF}$ jako u komparátoru bez hystereze, ale teprve až vstupní napětí dosáhne prahové hodnoty $-H$ . Podobně pokud je na výstupu záporné napětí, může dojít ke zpětnému překlopení obvodu teprve až v momentě, kdy vstupní napětí dosáhne $+H$ . Klopný obvod se tak v mezích ${\pm }H\,$ chová jako paměť minulého stavu.


Hystereze Schmittova KO • U – vstupní signál • A – výstup komparátoru bez hystereze • B – výstup komparátoru s hysterezí	Závislost výstupního signálu (in) na vstupním signálu (out) • ±M – úrovně výstupního signálu (logická 1 / logická 0) • ±H – hystereze (v tomto případě je U_REF = 0)

Příklady zapojení

Verze s bipolárními tranzistory

Původní Schmittův klopný obvod je založen na myšlence dynamického prahu, která je implementována napěťovým děličem s přepínatelnou horní větví (kolektorové odpory R_C1 a R_C2) a stabilní spodní větví (R_E). Tranzistor T₁ funguje jako komparátor s diferenciálním vstupem (přechod báze-emitor T₁) skládající se z invertujícího (báze T₁) a neinvertujícího (emitor T₁) vstupu. Vstupní napětí je přivedeno na invertující vstup; výstupní napětí děliče napětí je přivedeno na neinvertující vstup, čímž se určuje jeho prahová hodnota. Výstup komparátoru budí druhý společný kolektorový stupeň T₂ (emitorový sledovač) přes dělič napětí tvořený R₁ a R₂.

Tuto konfiguraci lze považovat za diferenciální zesilovač se sériovou kladnou zpětnou vazbou mezi jeho neinvertujícím vstupem (báze T₂) a výstupem (kolektor T₁), který vynucuje proces přechodu. Existuje také menší negativní zpětná vazba zavedená emitorovým rezistorem R_E. Aby kladná zpětná vazba převážila zápornou a aby fungovala hystereze, volí se poměr mezi dvěma kolektorovými odpory R_C1 > R_C2. Při sepnutí T₁ tedy protéká menší proud a na R_E vzniká menší úbytek napětí než v případě, kdy je zapnutý T₂. Výsledkem je, že obvod má dvě různé prahové hodnoty:

$+H={\frac {R_{E}}{R_{E}+R_{C2}}}U_{N}$

$-H={\frac {R_{E}}{R_{E}+R_{C1}}}U_{N}$

Verze s operačním zesilovačem

Schmittův klopný obvod realizovaný operačním zesilovačem dosahuje na výstupu kladného nebo záporného saturačního napětí (při symetrickém napájení OZ). Rezistory R₁ a R₂ představují napěťový dělič, který zavádí kladnou zpětnou vazbu. Prahové hodnoty jsou stejné, velikost hystereze se vypočítá podle vztahu:

{\pm }H=\pm U_{S}\left({\frac {R_{1}}{R_{2}}}\right)

Verze s 555

Zapojení Schmittova klopného obvodu s využití víceúčelového čipu NE555 se vyznačuje tím, že je invertující. V praxi to znamená, že výstup se překlopí do logické 1 (u_OUT = U_CC) pokud vstupní napětí klesne pod dolní mez:

$-H={\frac {1}{3}}U_{CC}$ ,

a do logické 0 (u_OUT = 0) se překlopí naopak když vstupní napětí vzroste nad horní mez:

$+H={\frac {2}{3}}U_{CC}$

Doporučené hodnoty součástek v tomto zapojení jsou:

R₁ = R₂ = 100 kΩ
C_IN = 10 nF

Odkazy

Literatura

HÁJEK, J.: 2× ČASOVAČ 555: praktická zapojení, nakladatelství BEN - technická literatura, ISBN 80-86056-27-9.
MALINA, V.: Digitální technika, nakladatelství KOPP, ISBN 80-85828-70-7
Mašláň, M., D. Žák : Logické obvody I., PřF UP Olomouc, 1993
Doc. Ing. Jiří Bayer, CSc; Dr.Ing. Zdeněk Hanzálek; Ing. Richard Šusta: Logické systémy pro řízení, Vydavatelství ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Praha, 2000, ISBN 80-01-02147-5

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Schmitt trigger na anglické Wikipedii.

↑ ^a ^b OTÝPKA, Miloslav. Schmittův klopný obvod [online]. [cit. 2022-05-23]. Dostupné online.
↑ ŠAFAŘÍK, Daniel. Analogové komparátory pro laboratorní výuku. Brno, 2019 [cit. 2022-05-23]. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně - Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Vedoucí práce Ing. Ondřej Domanský. Dostupné online.

Související články

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu Schmittův klopný obvod na Wikimedia Commons
Obrázky, zvuky či videa k tématu Multivibrátory na Wikimedia Commons
Obrázky, zvuky či videa k tématu Bistabilní KO na Wikimedia Commons

Elektrické parametry logických obvodů, kombinační logické obvody na webu Fakulty strojí ČVUT
Logické řízení na webu Fakulty elektrotechnické ČVUT
Logické systémy na webu Fakulty elektrotechnické ČVUT
Elektronika, Sekvenční logické systémy na webu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy
Tranzistorové klopné obvody: http://maturitanazamku.kvalitne.cz/pdf/ELN5.pdf Archivováno 22. 6. 2019 na Wayback Machine.

[:0-1] OTÝPKA, Miloslav. Schmittův klopný obvod [online]. [cit. 2022-05-23]. Dostupné online.

[2] ŠAFAŘÍK, Daniel. Analogové komparátory pro laboratorní výuku. Brno, 2019 [cit. 2022-05-23]. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně - Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Vedoucí práce Ing. Ondřej Domanský. Dostupné online.

[1]

[2]