Basisbegrippen van Schmitt Trigger | Hoe Schmitt Trigger werkt?
In deze tutorial leren we over Schmitt Trigger, enkele basisimplementaties met behulp van Transistors, Op-Amp, hoe een Schmitt Trigger werkt en ook enkele belangrijke toepassingen. In een eerdere tutorial, hebben we gezien hoe 555 Timer kan worden geconfigureerd als Schmitt Trigger.
Outline
Introduction
Wanneer een Op-Amp in de open-lus mode werkt waar geen terugkoppeling wordt gebruikt, bijvoorbeeld in een Basis Comparator Circuit, zal de zeer grote open-lus versterking van de Op-Amp er voor zorgen dat de kleinste ruisspanning de comparator zal triggeren.
Als de comparator wordt gebruikt als een Zero Crossing Detector, dan kan zo’n valse triggering veel problemen veroorzaken. Het kan een verkeerde indicatie van nuldoorgang geven als gevolg van nuldoorgang van de ruis in plaats van de werkelijke nuldoorgang van de ingangssignalen.
Om dergelijke onnodige omschakelingen tussen de hoge en lage toestand van de uitgang te voorkomen, wordt een speciale schakeling gebruikt, Schmitt Trigger genaamd, die een positieve terugkoppeling omvat.
Wat is Schmitt Trigger?
Schmitt Trigger is uitgevonden door Otto Schmitt in het begin van de jaren dertig. Het is een elektronische schakeling die hysterese toevoegt aan de input-output overgangsdrempel met behulp van positieve terugkoppeling. Hysterese betekent hier dat het twee verschillende drempelspanningniveaus biedt voor opgaande en neergaande flanken.
Essentieel is een Schmitt Trigger een Bi-stabiele Multivibrator en zijn uitgang blijft voor onbepaalde tijd in een van de stabiele toestanden. Voor de uitgang om te veranderen van de ene stabiele toestand naar de andere, moet het ingangssignaal op de juiste wijze veranderen (of triggeren).
Deze Bistabiele werking van de Schmitt Trigger vereist een versterker met positieve terugkoppeling (of regeneratieve terugkoppeling) met een lus gin groter dan één. Vandaar dat Schmitt Trigger ook bekend staat als Regeneratieve Comparator.
Bij voorbeeld, als we een ruisachtig ingangssignaal hebben zoals hieronder getoond, zullen de twee drempels van de Schmitt Trigger-kring de pulsen correct bepalen. Vandaar dat de basisfunctie van een Schmitt Trigger is om ruis vierkant, sinus, driehoek of een periodieke signalen om te zetten in schone vierkante pulsen met scherpe leading en trailing edges.
Schmitt Trigger met behulp van transistors
Zoals eerder vermeld, een Schmitt Trigger is in feite een Bistable Circuit waarvan de uitgangstoestanden worden gecontroleerd door het ingangssignaal. Vandaar dat het kan worden gebruikt als een niveau-detectie circuit. De volgende schakeling toont een eenvoudig ontwerp van een transistor-gebaseerde Schmitt Trigger.
Hoewel deze schakeling eruit ziet als een typische Bistabiele Multivibrator-schakeling, is zij in feite verschillend omdat in deze schakeling de koppeling van collector van Q2 naar ingang van Q1 ontbreekt. Emitters van Q1 en Q2 zijn met elkaar verbonden en geaard via RE. Ook fungeert RE als terugkoppeling.
Werking van de schakeling
Wanneer VIN nul is, is Q1 uitgeschakeld en Q2 in saturatie. Dientengevolge is de uitgangsspanning VO LAAG. Als VCE(SAT) wordt verondersteld 0 te zijn, dan wordt de spanning over RE gegeven door:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Deze spanning is tevens de emitterspanning van Q1. Dus, om Q1 te laten geleiden, moet de ingangsspanning VIN groter zijn dan de som van de emitterspanning en 0,7 V, d.w.z.
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Wanneer de VIN groter is dan deze spanning, begint Q1 te geleiden en wordt Q2 uitgeschakeld als gevolg van regeneratieve werking. Het resultaat is dat de uitgang VO HOOG gaat. Nu verandert de spanning over de RE in een nieuwe waarde en wordt gegeven door:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Transistor Q1 zal geleiden zolang de ingangsspanning VIN groter is dan of gelijk is aan:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Zakt VIN onder deze waarde, dan komt Q1 uit verzadiging en werkt de rest van de schakeling door de regeneratieve werking van Q1 naar cutoff en Q2 naar verzadiging.
De uitgangstoestanden HIGH en LOW zijn afhankelijk van de ingangsspanningsniveaus gegeven door de vergelijkingen
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 en (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
De overdrachtskarakteristieken van een Schmitt Trigger vertonen hysterese en worden bepaald door het onderste uitschakelpunt (Lower Threshold Voltage) en het bovenste uitschakelpunt (Upper Threshold Voltage), gegeven door VLT en VUT.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Door de waarden van RC1 en RC2 te veranderen, kan de hoeveelheid hysterese worden geregeld terwijl de waarde van RE kan worden gebruikt om de Upper Threshold Voltage te verhogen.
Op Amp gebaseerde Schmitt Trigger-schakelingen
Omdat een Schmitt trigger-schakeling in wezen een versterker met positieve terugkoppeling is, is het mogelijk deze opstelling te implementeren met behulp van operationele versterkers of eenvoudig Op Amps. Afhankelijk van waar de ingang wordt toegepast, kunnen de Op-Amp gebaseerde circuits verder worden onderverdeeld in Inverterende en Niet-Inverterende Schmitt Triggers.
Inverterende Schmitt Trigger Circuit
Zoals de naam al aangeeft, wordt in een Inverterende Schmitt Trigger de ingang toegepast op de inverterende aansluiting van de Op-Amp. In deze mode is de output tegengesteld gepoold. Deze uitgang wordt toegepast op de niet-inverterende aansluitklem om positieve terugkoppeling te verzekeren.
Wanneer VIN iets groter is dan VREF, wordt de uitgang -VSAT en als VIN iets kleiner is dan -VREF (negatiever dan -VREF), dan wordt de uitgang VSAT. De uitgangsspanning VO is dus ofwel bij VSAT ofwel bij -VSAT en de ingangsspanning waarbij deze toestandsveranderingen optreden kan worden geregeld met behulp van R1 en R2.
De waarden van VREF en -VREF kunnen als volgt worden geformuleerd:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Vandaar, VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Vandaar, -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
De referentiespanning VREF en -VREF worden Upper Threshold Voltage VUT en Lower Threshold Voltage VLT genoemd. De volgende afbeelding toont de grafiek van de uitgangsspanning versus de ingangsspanning, ook bekend als de overdrachtskarakteristiek van Schmitt Trigger.
Voor een zuiver sinusoïdaal ingangssignaal wordt de uitgang van een inverterende Schmitt Trigger-kring getoond in de volgende afbeelding.
Niet-inverterende Schmitt Trigger-schakeling
Bij een niet-inverterende Schmitt Trigger wordt de ingang in dit geval toegepast op de niet-inverterende aansluiting van de Op-Amp. De uitgangsspanning wordt teruggevoerd naar de niet-inverterende aansluiting via de weerstand R1.
Laten we aannemen dat de uitgangsspanning aanvankelijk op VSAT staat. Totdat VIN lager wordt dan VLT, blijft de uitgang op dit verzadigingsniveau. Zodra de ingangsspanning het onderste drempelspanningsniveau overschrijdt, verandert de uitgang van toestand naar -VSAT.
De uitgang blijft in deze toestand totdat de ingang de bovenste drempelspanning overschrijdt.
De volgende afbeelding toont de overdrachtskarakteristieken van niet-inverterende Schmitt Trigger-schakeling.
Als een zuiver sinusoïdaal signaal als ingang wordt toegepast, dan ziet het uitgangssignaal er ongeveer zo uit.
Toepassingen
- Een belangrijke toepassing van Schmitt Trigger is het omzetten van sinusgolven in blokgolven.
- Ze kunnen worden gebruikt om chatter in Comparators (een fenomeen waarbij meerdere uitgangsovergangen worden geproduceerd als gevolg van het slingeren van het ingangssignaal door de drempel regio) te elimineren.
- Ze kunnen ook fungeren als eenvoudige ON / OFF Controllers (bijvoorbeeld temperatuur gebaseerde schakelaars).