Bases du Déclencheur de Schmitt | Comment fonctionne le Déclencheur de Schmitt ?
Dans ce tutoriel, nous allons apprendre le Déclencheur de Schmitt, quelques implémentations de base en utilisant des Transistors, Op-Amp, comment fonctionne un Déclencheur de Schmitt et quelques applications importantes aussi. Dans un tutoriel précédent, nous avons vu comment le timer 555 peut être configuré comme déclencheur de Schmitt.
Outline
Introduction
Lorsqu’on fait fonctionner un ampli-op en mode boucle ouverte où une rétroaction n’est pas utilisée, par exemple, dans un circuit comparateur de base, le très grand gain en boucle ouverte de l’ampli-op provoquera le déclenchement du comparateur par la plus petite tension de bruit.
Si le comparateur est utilisé comme un détecteur de passage à zéro, alors un tel faux déclenchement peut causer beaucoup de problèmes. Il peut donner une indication erronée du passage à zéro en raison du passage à zéro du bruit plutôt que du passage à zéro des signaux d’entrée réels.
Pour éviter une telle commutation inutile entre les états haut et bas de la sortie, on utilise un circuit spécial appelé déclencheur de Schmitt, qui implique une rétroaction positive.
Qu’est-ce que le déclencheur de Schmitt ?
Le Schmitt Trigger a été inventé par Otto Schmitt au début des années 1930. C’est un circuit électronique qui ajoute une hystérésis au seuil de transition entrée-sortie à l’aide d’une rétroaction positive. L’hystérésis signifie ici qu’il fournit deux niveaux de tension de seuil différents pour le front montant et le front descendant.
Essentiellement, un Schmitt Trigger est un Multivibrateur Bi-stable et sa sortie reste dans l’un ou l’autre des états stables indéfiniment. Pour que la sortie passe d’un état stable à l’autre, le signal d’entrée doit changer (ou se déclencher) de manière appropriée.
Ce fonctionnement Bistable du Déclencheur de Schmitt nécessite un amplificateur à rétroaction positive (ou rétroaction régénérative) avec un gin de boucle supérieur à un. Par conséquent, le Déclencheur de Schmitt est également connu sous le nom de Comparateur Régénératif.
Par exemple, si nous avons un signal d’entrée bruyant comme indiqué ci-dessous, les deux seuils du circuit de Déclencheur de Schmitt détermineront correctement les impulsions. Par conséquent, la fonction de base d’un déclencheur de Schmitt est de convertir des signaux carrés, sinusoïdaux, triangulaires ou tout autre signal périodique bruyant en impulsions carrées propres avec des bords d’attaque et de fuite nets.
Déclencheur de Schmitt utilisant des transistors
Comme mentionné précédemment, un déclencheur de Schmitt est fondamentalement un circuit bistable dont les états de sortie sont contrôlés par le signal d’entrée. Par conséquent, il peut être utilisé comme un circuit de détection de niveau. Le circuit suivant montre une conception simple du déclencheur de Schmitt basé sur un transistor.
Même si ce circuit ressemble à un circuit Multivibrateur Bistable typique, il est en fait différent car ce circuit manque le couplage du collecteur de Q2 à l’entrée de Q1. Les émetteurs de Q1 et Q2 sont connectés l’un à l’autre et mis à la terre par RE. De plus, RE agit comme un chemin de rétroaction.
Fonctionnement du circuit
Lorsque VIN est nul, Q1 est coupé et Q2 est en saturation. Par conséquent, la tension de sortie VO est BASSE. Si VCE(SAT) est supposé être 0, alors la tension aux bornes de RE est donnée par :
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Cette tension est également la tension d’émetteur de Q1. Ainsi, pour que Q1 conduise, la tension d’entrée VIN doit être supérieure à la somme de la tension d’émetteur et de 0,7 V, c’est-à-dire :
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Lorsque le VIN est supérieur à cette tension, Q1 commence à conduire et Q2 est coupé en raison de l’action régénérative. En conséquence, la sortie VO passe en niveau HAUT. Maintenant, la tension aux bornes du RE change à une nouvelle valeur et est donnée par :
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Le transistor Q1 sera conducteur tant que la tension d’entrée VIN est supérieure ou égale à ce qui suit :
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Si VIN tombe en dessous de cette valeur, alors Q1 sort de la saturation et le reste du circuit fonctionne est dû à l’action régénératrice de Q1 allant à la coupure et Q2 à la saturation.
Les états de sortie HIGH et LOW dépendent des niveaux de tension d’entrée donnés par les équations
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 et (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Les caractéristiques de transfert d’un déclencheur de Schmitt présentent une hystérésis et sont régies par le point de déclenchement inférieur (tension de seuil inférieur) et le point de déclenchement supérieur (tension de seuil supérieur) donnés par VLT et VUT.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
En changeant les valeurs de RC1 et RC2, la quantité d’hystérésis peut être contrôlée tandis que la valeur de RE peut être utilisée pour augmenter la tension de seuil supérieur.
Circuits de déclenchement de Schmitt basés sur des amplificateurs opérationnels
Puisqu’un circuit de déclenchement de Schmitt est essentiellement un amplificateur avec une rétroaction positive, il est possible de mettre en œuvre cette configuration en utilisant des amplificateurs opérationnels ou simplement des amplificateurs opérationnels. Selon l’endroit où l’entrée est appliquée, les circuits basés sur les amplificateurs opérationnels peuvent être encore divisés en déclencheurs de Schmitt inverseurs et non inverseurs.
Circuit de déclenchement de Schmitt inverseur
Comme son nom l’indique, dans un déclencheur de Schmitt inverseur, l’entrée est appliquée à la borne inverseuse de l’amplificateur opérationnel. Dans ce mode, la sortie produite est de polarité opposée. Cette sortie est appliquée à la borne non inverseuse pour assurer une rétroaction positive.
Lorsque VIN est légèrement supérieur à VREF, la sortie devient -VSAT et si VIN est légèrement inférieur à -VREF (plus négatif que -VREF), alors la sortie devient VSAT. Par conséquent, la tension de sortie VO est soit à VSAT soit à -VSAT et la tension d’entrée à laquelle ces changements d’état se produisent peut être contrôlée en utilisant R1 et R2.
Les valeurs de VREF et -VREF peuvent être formulées comme suit :
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Donc, VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Par conséquent, -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
Les tensions de référence VREF et -VREF sont appelées tension de seuil supérieur VUT et tension de seuil inférieur VLT. L’image suivante montre le graphique de la tension de sortie en fonction de la tension d’entrée également connu sous le nom de caractéristique de transfert du déclencheur de Schmitt.
Pour un signal d’entrée sinusoïdal pur, la sortie d’un circuit de déclenchement de Schmitt inversé est représentée sur l’image suivante.
Circuit de déclenchement de Schmitt non-inverseur
En ce qui concerne le déclenchement de Schmitt non-inverseur, l’entrée dans ce cas est appliquée à la borne non-inverseuse de l’ampli-op. La tension de sortie est renvoyée à la borne non inverseuse par la résistance R1.
Supposons qu’initialement, la tension de sortie est à VLT. Jusqu’à ce que VIN devienne inférieur à VLT, la sortie reste à ce niveau de saturation. Une fois que la tension d’entrée franchit le niveau de tension de seuil inférieur, la sortie change d’état pour devenir -VSAT.
La sortie reste à cet état jusqu’à ce que l’entrée dépasse la tension de seuil supérieur.
L’image suivante montre les caractéristiques de transfert du circuit de déclenchement de Schmitt non inverseur.
Si un signal sinusoïdal pur est appliqué en entrée, alors les signaux de sortie ressemblent à quelque chose comme ceci.
Applications
- Une application importante du déclencheur de Schmitt est de convertir les ondes sinusoïdales en ondes carrées.
- Ils peuvent être utilisés pour éliminer le claquement dans les comparateurs (un phénomène où de multiples transitions de sortie sont produites en raison du balancement du signal d’entrée à travers la région de seuil).
- Ils peuvent également agir comme de simples contrôleurs ON / OFF (par exemple, des interrupteurs basés sur la température).