7.5 Διεγέρτης Schmitt με TE
Ένας τρόπος για να δημιουργήσουμε παλμούς τετραγωνικής μορφής είναι να χρησιμοποιήσουμε ένα ειδικό κύκλωμα που ονομάζεται διεγέρτης Schmitt (Schmitt trigger). Το κύκλωμα αυτό μετατρέπει ένα ημιτονικό σήμα εισόδου σε τετραγωνική κυματομορφή ίδιας συχνότητας με το ημιτονικό σήμα.
Το Σχ.7.7 εικονίζει το κύκλωμα ενός διεγέρτη Schmitt με τελεστικό ενισχυτή (ΤΕ). Σε αυτό το απλούστατο κύκλωμα παραγωγής κυματομορφών σημαντικό ρόλο παίζει η ανασύζευξη από την έξοδο προς τη μη-αναστρέφουσα είσοδο του ΤΕ (θετική ανασύζευξη). Σύμφωνα με τα όσα είδαμε στο Κεφ. 4, ο λόγος ή συντελεστής ανασύζευξης θα δίνεται από τη σχέση:
Σχήμα 7.7. Διεγέρτης Schmitt με ΤΕ και οι κυματομορφές του
Το παραπάνω κύκλωμα λειτουργεί ως εξής:
Υποθέτουμε ότι αρχικά, για vi = 0 η τάση εξόδου v0 βρίσκεται στην άνω στάθμη κόρου +VCC. Όταν η ημιτονική τάση αυξανόμενη φτάσει στην τιμή +βVCC η έξοδος του ΤΕ θα μεταπέσει στην κατάσταση -VCC, επειδή η τάση Vab θα έχει γίνει τότε αρνητική. Επειδή τώρα η Vag = -βVCC, η Vo δε θα αλλάξει κατάσταση, όταν η Vi, ελλαττούμενη πέσει πάλι στο +βVCC, αλλά θα περιμένει μέχρις ότου η vi φτάσει το -βVCC, οπότε και η ν0 θα επιστρέψει ξανά στο -VCC. Μετά, η Vo θα επιστρέψει στο +VCC, όταν η τάση εισόδου φτάσει την τιμή +βVCC, κ.ο.κ. Η έξοδος λοιπόν θα είναι η τετραγωνική κυματομορφή που φαίνεται στο Σχ.7.7.
Παράδειγμα 7-3
Θα υπολογίσουμε διεγέρτη Schmitt με ΤΕ, με τάση εξόδου ±12 V και λόγο ανασύζευξης β=0.1.
Δεχόμαστε την τιμή R2 = 2.2 ΚΩ. Συνεπώς, βρίσκουμε
R1 = 19.8 kΩ ~= 20 kΩ Σημειώστε ότι χρησιμοποιούμε τον ΤΕ 301.
7.6 O Χρονιστής 555
O χρονιστής 555 είναι ολοκληρωμένο κύκλωμα και κατασκευάζεται σήμερα από πολλές εταιρίες. O χρονιστής αυτός, ανάλογα με τη συνδεσμόγηση και διέγερση του μπορεί να λειτουργεί ως αυτοδιεγειρόμενος πολυδονητής, Σχ.7.8α, ως πολυδονητής μιας βολής, Σχ.7.8β και ως διεγέρτης Schmitt, Σχ.7.8γ.
Σχήμα 7.8. Διάφοροι τρόποι λειτουργίας του χρονιστή 555.
Αυτοδιεγερμένος πολυδονητής (α), πολυδονητής μιας βολής (β), Διεγέρτης Schmitt (γ)
Το Σχ.7.9 δείχνει το δομικό διάγραμμα του χρονιστή 555 καθώς και τους ακροδέκτες του σε βάση DIP (υπάρχει και σε βάση TO-99 ). Οι
κυριότεροι απο τους ακροδέκτες αυτούς είναι ο ακροδέκτης διέγερσης (2), για σύγκριση της διέγερσης εισόδου με μέρος της τάσης τροφοδοσίας, ο ακροδέκτης κατωφλιού (6), για σύγκριση της τάσης κατωφλιού εισόδου με μέρος της τάσης τροφοδοσίας, ο ακροδέκτης μηδενισμού (4), που τοποθετεί στο 0 τη θέση λειτουργίας και ο ακροδέκτης εκφόρτισης (7),
για τη εκφόρτιση ενός εξωτερικού πυκνωτή.
Σχήμα 7.9. Δομικό διάγραμμα του χρονιστή 555 (α), ακροδέκτες (β)
Ας δούμε αναλυτικότερα τους διάφορους ακροδέκτες του 555.
O συγκριτής διέγερσης (trigger comparator) συγκρίνει μια τάση VCC/3 με την τάση εισόδου διεγέρσης. Οταν η τάση διέγερσης γίνει ίση η μικρότερη από την VCC/3, ο συγκριτής αυτός δημιουργεί έξοδο που οδηγεί το flip-flop (FF) στην κατάσταση L (Low), οπότε το FF αποκόβει το τρανζίστορ εκφόρτισης Τ (disharge) και οδηγεί την έξοδο στην κατάσταση H (High) μέσω της βαθμίδας εξόδου (output stage, απομονωτής-αντιστροφέας).
O συγκριτής κατωφλιού (threshold comparator) συγκρίνει συνεχώς μια τάση 2VCC/3 με την τάση εισόδου κατωφλίου. Οταν η τάση κατωφλίου γίνει ίση ή μεγαλύτερη από την τάση 2VCC/3, ο συγκριτής αυτός δίνει τάση που οδηγεί την έξοδο του FF στην κατάσταση Η. Έτσι, το FF οδηγεί τη βάση του τρανζίστορ εκφόρτισης Τ (disharge) και το οδηγεί στον κόρο, όταν το κύκλωμα του συλλέκτη είναι κλειστό (υπάρχει εξωτερική αντίσταση). O ακροδέκτης εισόδου είναι τώρα στην κατάσταση L. Αν στην είσοδο εφαρμοσθεί μια χαμηλή τάση (reset), η έξοδος οδηγείται στην κατάσταση L.
O ακροδέκτης μηδενισμού (reset) επιτρέπει στο 555 να μηδενίζει τη λειτουργία του που έχει λόγω της διέγερσης του από την είσοδο διέγερσης (trigger). Όταν η είσοδος αυτή δε χρησιμοποιείται πρέπει να συνδέεται στην τάση VCC. Όταν η είσοδος reset γειωθεί, ή όταν η τάση της είναι κάτω από 0.4 V, η έξοδος και ο ακροδέκτης dishcarge είναι περίπου στο δυναμικό γης, δηλ. η έξοδος είναι στην κατάσταση L.
O ακροδέκτης εκφόρτισης (disharge) χρησιμεύει για να εκφορτίζει έναν πυκνωτή, που έχουμε συνδέσει εξωτερικά, κατά τη διάρκεια που η έξοδος είναι στην κατάσταση L. Όταν η έξοδος είναι στην κατάσταση H, ο ακροδέκτης disharge ενεργεί σαν ανοικτό κύκλωμα και επιτρέπει στον πυκνωτή να φορτίζεται με ρυθμό που καθορίζεται από μια εξωτερική αντίσταση και τον πυκνωτή.
Εκτός από τα παραπάνω, υπάρχει και ένας ακροδέκτης ρύθμισης τάσης (control voltage). Μεταξύ του ακροδέκτη αυτού και της γης συνήθως συνδέουμε, ως φίλτρο, έναν πυκνωτή 10 nF. Από τον πυκνωτή αυτό διαρρέουν προς τη γη ο θόρυβος ή και η τάση κυμάτωσης του τροφοδο¬τικού, ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδρασή τους στην τάση threshold. O ακροδέκτης αυτός μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να αλλάξει τόσο η στάθμη της τάσης threshold, όσο και η στάθμη της τάσης trigger. Π.χ αν συνδέσουμε αντίσταση 5 ΚΩ μεταξύ του ακροδέκτη control voltage και του VCC (ακροδέκτης 8) αλλάζουμε την τάση threshold σε 0.8VCC και την τάση trigger σε 0.2VCC. Αν εφαρμόσουμε εξωτερική τάση στον ακροδέκτη control voltage, θα αλλάξει τόσο η τάση threshold όσο και η τάση trigger. Μ' αυτό τον τρόπο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το 555 για να διαμορφώσουμε την κυματομορφή εξόδου. Στα παρακάτω θα αναπτύξουμε πιο αναλυτικά τους 3 κύριους τρόπους λειτουργίας του χρονιστή 555. O χρονιστής αυτός, που χρησιμοποιεί τάση τροφοδοσίας 4 έως 18 V, μπορεί να δώσει ρεύμα εξόδου μέχρι 200 mA.
7.6.1 Αυτοδιεγειρόμενος Πολυδονητής με το IC 555
Το Σχ.7.10 δείχνει το χρονιστή 555 συνδεσμολογημένο σαν αυτοδιεγειρομενο πολυδονητή καθώς και τις κυματομορφές του. Η τάση vC του πυκνωτή C (ακροδέκτης 6) συνδέεται απ' ευθείας στην είσοδο trigger (ακροδέκτης 2). Η τάση vC μεταβάλλεται μεταξύ VCC/3 και 2VCC/3.
Σχήμα 7.10. Αυτοδιεγερμένος πολυδονητής και οι κυματομορφές του
Όταν συνδέσουμε την τάση τροφοδοσίας VCC, ο πυκνωτής C φορτίζεται προς την τάση VCC μέσω των αντιστάσεων R1 και R2. Όταν όμως η τάση του πυκνωτή, αυξανόμενη, φτάσει τα 2VCC/3, ο συγκριτής threshold διεγείρει το flip-flip (FF), κάνει αγώγιμο το τρανζίστορ Τ, (βλ. Σχ.7.9), και ο πυκνωτής C αρχίζει να εκφορτίζεται μέσω της R2. Όταν, λόγω της εκφόρτισης, η τάση του πυκνωτή πέσει στα VCC/3, διεγείρεται ο συγκριτής trigger και η έξοδος Q του FF οδηγείται στην κατάσταση L (Low) και έτσι οδηγείται σε αποκοπή το τρανζίστορ Τ, με αποτέλεσμα ο πυκνωτής C να αρχίζει να φορτίζεται πάλι προς την τάση VCC, και συνεπώς όλος ο κύκλος επαναλαμβάνεται.
Αποδεικνύεται ότι οι χρόνοι φόρτισης και εκφόρτισης t1 και t2 δίνονται
από τις σχέσεις:
t1 = 0.69 (R1 + R2)C (7.6.1)
και
t2 = 0.69 R2 C (7.6.2)
Η αντίστοιχη περίοδος Τ, θα είναι:
T = t1 + t2 = 0.69 (R1 + 2R2)C (7.6.3)
Oπότε η συχνότητα ταλάντωσης του πολυδονητή θα είναι:
Τέλος, ο κύκλος εργασίας d, θα δίνεται από τη σχέση:
Αν R1>>R2, ο κύκλος εργασίας αυτός θα είναι μέγιστος (100%) ενώ αν
R1<<R2, ο κύκλος εργασίας είναι ελάχιστος και ίσος με 50%.
Παράδειγμα 7-4
Θα υπολογίσουμε αυτοδιεγειρόμενο πολυδονητή με το 555, με t=0.7 ms και t2=0.3 ms. Επίσης, θα προσδιορίσουμε τον κύκλο εργασίας καθώς και τη συχνότητα ταλάντωσης του.
7.6.2 Κρυσταλλικός Ταλαντωτής με το 555
O πολυδονητής του Σχ.7.10 χρησιμοποιείται στις περισσότερες εφαρμογές ως ταλαντωτής/ρολόϊ (clock), με μέγιστη συχνότητα ταλάντωσής του, σύμφωνα με τον κατασκευαστή, ίση με 1 MHz. Αν θέλουμε η συχνότητα ταλάντωσης να έχει μεγάλη ακρίβεια και σταθερότητα χρησιμοποιούμε κρύσταλλο, κατά το Σχ.7.11 όπου ο κρύσταλλος συνδέεται μεταξύ του χρονοκυκλώματος RC και του συγκριτή κατωφλιού. Η φόρτιση-εκφόρτιση του πυκνωτή C γίνεται όπως ήδη περιγράφηκε, αλλά το σήμα ελέγχου και των δυο συγκριτών (ακροδέκτες 2 και 6) διέρχεται μέσω του κρυστάλλου κάνοντάς τον να ταλαντώνεται στη φυσική του συχνότητα ή σε υποπολλαπλάσιο της συχνότητας συντονισμου του.
Σχήμα 7.11. Κρυσταλλικός ταλαντωτής με το IC 555
Οι τιμές των R και C εκλέγονται έτσι ώστε με βραχυκυκλωμένο τον κρύσταλλο να έχουμε συντήρηση των ταλαντώσεων κοντά στη συχνότητα συντονισμού του κρυστάλλου. Η συχνότητα συντονισμού του ταλαντωτή δίνεται από τη σχέση:
Οι τιμές των R και C μπορούν να μεταβληθούν κατά 25% η και περισσότερο χωρίς να επηρεαστεί η συχνότητα ταλάντωσης του κρυστάλλου. Ο χρονισμός των τάσεων φόρτισης-εκφόρτισης του πυκνωτή αλλάζει ώστε να συμβιβάζεται με τις τιμές των R και C που εκλέξαμε για να διατηρείται σταθερή η συχνότητα ταλάντωσης που δίνει η Εξ.(7.6.6).
Αν διπλασιάσουμε τη σταθερά χρόνου, έχοντας τον ίδιο κρύσταλλο, η συχνότητα ταλάντωσης θα γίνει η μισή της συχνότητας του κρυστάλλου. Διάφορες άλλες αλλαγές στη σταθερά χρόνου δίνουν υποαρμονικές 1/3, 1/4, 1/5, κτλ. της συχνότητας συντονισμού του κρυστάλλου.
O μεταβλητός πυκνωτής στα άκρα του κρυστάλλου επιτρέπει τη ρύθμιση της συχνότητας ταλάντωσης με ακρίβεια. Η αντίσταση 1 ΜΩ επιτρέπει dc διέξοδο των εισόδων του συγκριτή, ώστε να αρχίσουν οι ταλαντώσεις μόλις εφαρμοστεί η τάση VCC.
7.6.3 Πολυδονητής μιας βολής με το IC 555
Το Σχ.7.12 δείχνει το χρονιστή 555 συνδεσμολογημένο σαν πολυδονητή μιας βολής. Η λειτουργία του κυκλώματος έχει ως εξής: Στη μόνιμη κατάσταση το FF κρατάει το τρανζίστορ Τ αγώγιμο (on) με αποτέλεσμα να γειώνει τον πυκνωτή C. Κατά τη διάρκεια αυτή, η έξοδος είναι στο δυναμικό της γης, δηλ. σε κατάσταση L (Low). Εφόσον ο συγκριτής threshold είναι πολωμένος στην τάση VCC/3 παραμένει στην κατάσταση ηρεμίας όσο χρόνο η είσοδος trigger διατηρείται πάνω από την τάση VCC/3. Όταν η είσοδος trigger διεγερθεί από το αρνητικό μέτωπο του παλμού εισόδου, ο συγκριτής threshold οδηγεί το FF στην κατάσταση reset κι έτσι το τρανζίστορ Τ οδηγείται στην κατάσταση αποκοπής (off), η οποία αποβραχυκυκλώνει τον C με αποτέλεσμα να οδηγείται η έξοδος στην κατάσταση Η (High: VCC). Μέσω της R, η τάση στα άκρα του πυκνωτή αυξάνει εκθετικά προς την τάση VCC, με σταθερά χρόνου RC. Όταν η τάση του πυκνωτή φτάσει τα 2VCC/3, ο συγκριτής trigger θα οδηγήσει το FF στην κατάσταση 1 (set). Αυτό, με τη σειρά του, θα οδηγήσει το τρανζίστορ Τ στον κόρο κι έτσι θα εκφορτίσει τον πυκνωτή C. Η κατάσταση αυτή εκφράζει την αρχική συνθήκη, δηλ. αποτελεί τη σταθερή κατάσταση.
Σχήμα 7.12. Ο χρονιστής 555 ως πολυδονητής μιας βολής και οι κυματόμορφές του
Αποδεικνύεται, ότι η διάρκεια του παλμού εξόδου (tp) δίνεται από τη σχέση:
Μερικές φορές το κύκλωμα του Σχ.7.12 διεγείρεται ανεπιθύμητα από το θετικό μέτωπο του παλμού εισόδου, ακόμα κι αν ο ακροδέκτης control voltage έχει πυκνωτή διαρροής. Για να αποφύγουμε μια τέτοια κατάσταση διαφορίζουμε τον παλμό εισόδου, με το δικτύωμα που εικονίζεται στο Σχ.7.13.
Σχήμα 7.13. Πολυδονητή μιας βολής με διέγερση με δικτύωμα διαφόρισης
Η δίοδος προστατεύει το IC 555 από το να διεγερθεί από το θετικό μέτωπο του παλμού εισόδου.
Παράδειγμα 7-5
Να υπολογιστεί πολυδονητής μιας βολής, με το 555, με διάρκεια παλμού 1 ms.
7.6.4 Διεγέρτης Schmitt με το IC 555
Το κύκλωμα του Σχ.7.14 δείχνει το χρονιστή 555 συνδεσμολογημένο ως διεγέρτη Schmitt (Schmitt trigger, ST). Οι είσοδοι των δυο συγκριτών, που αντιστοιχούν στους ακροδέκτες διέγερσης (2) και κατωφλιού (6), συνδέονται μαζί και πολώνονται εξωτερικά σε τάση VCC/2, μέσω των δυο ίσων αντιστάσεων R1 και R2.
Σχήμα 7.14. Ο χρονιστής 555 ως διεγέρτης Schmitt και κυματομορφές του
Επειδή ο συγκριτης threshold, που βρίσκεται στον ακροδέκτη κατωφλιού (6), διεγείρεται σε 2VCC/3 και ο συγκριτής trigger, του ακροδέκτη διέγερσης (6), σε (αναφοράς) VCC/3, η πόλωση που δημιουργούν οι αντιστάσεις R1 και R2 βρίσκεται στο μέσο μεταξύ των δυο αυτών τιμών, άρα σε τάση VCC/2.
Όταν το κύκλωμα διεγείρεται από ημιτονικό σήμα κατάλληλου πλάτους (ύψους) ώστε να υπερβαίνονται οι στάθμες αναφοράς, μεταπίπτει από αγωγιμότητα σε αποκοπή και αντίστροφα, οπότε στην έξοδο παίρ¬νουμε τετραγωνικό παλμό. Αν R1 = R2 = R το 555 πολώνεται αυτόματα για τάσεις τροφοδοσίας που μπορεί να έχουν τιμές VCC από 5 έως 15 V.
