Fondamenti di Schmitt Trigger | Come funziona Schmitt Trigger?
In questo tutorial, impareremo su Schmitt Trigger, alcune implementazioni di base utilizzando transistor, Op-Amp, come funziona un Schmitt Trigger e alcune applicazioni importanti pure. In un tutorial precedente, abbiamo visto come il timer 555 può essere configurato come Schmitt Trigger.
Outline
Introduzione
Quando si fa funzionare un Op-Amp in modalità ad anello aperto dove non viene usata una retroazione, per esempio, in un circuito comparatore di base, il grande guadagno ad anello aperto dell’Op-Amp causerà il più piccolo rumore di tensione per attivare il comparatore.
Se il comparatore viene usato come un rilevatore di attraversamento dello zero, questo falso innesco può causare molti problemi. Può dare un’indicazione sbagliata di attraversamento dello zero a causa dell’attraversamento dello zero del rumore piuttosto che dell’effettivo attraversamento dello zero dei segnali di ingresso.
Per evitare tale inutile commutazione tra stati alti e bassi dell’uscita, viene usato un circuito speciale chiamato Schmitt Trigger, che comporta un feedback positivo.
Cos’è Schmitt Trigger?
Schmitt Trigger è stato inventato da Otto Schmitt all’inizio degli anni ’30. È un circuito elettronico che aggiunge isteresi alla soglia di transizione ingresso-uscita con l’aiuto del feedback positivo. Isteresi qui significa che fornisce due diversi livelli di tensione di soglia per il fronte di salita e di discesa.
In sostanza, un trigger di Schmitt è un multivibratore bi-stabile e la sua uscita rimane in uno dei due stati stabili indefinitamente. Affinché l’uscita passi da uno stato stabile all’altro, il segnale d’ingresso deve cambiare (o scattare) in modo appropriato.
Questo funzionamento bistabile del trigger di Schmitt richiede un amplificatore con feedback positivo (o feedback rigenerativo) con un loop gin maggiore di uno. Quindi, l’innesco di Schmitt è anche conosciuto come comparatore rigenerativo.
Per esempio, se abbiamo un segnale di ingresso rumoroso come mostrato di seguito, le due soglie del circuito di innesco di Schmitt determineranno correttamente gli impulsi. Quindi, la funzione di base di un innesco di Schmitt è quella di convertire segnali rumorosi quadrati, sinusoidali, triangolari o qualsiasi segnale periodico in impulsi quadrati puliti con bordi iniziali e finali netti.
Innesco di Schmitt usando i transistor
Come già detto, un innesco di Schmitt è fondamentalmente un circuito bistabile i cui stati di uscita sono controllati dal segnale di ingresso. Quindi, può essere usato come un circuito di rilevamento del livello. Il seguente circuito mostra un semplice progetto di innesco Schmitt basato su transistor.
Anche se questo circuito sembra un tipico circuito multivibratore bistabile, in realtà è diverso perché manca l’accoppiamento dal collettore di Q2 all’ingresso di Q1. Gli emettitori di Q1 e Q2 sono collegati tra loro e messi a terra attraverso RE. Inoltre, RE agisce come un percorso di feedback.
Funzionamento del circuito
Quando VIN è zero, Q1 è disattivato e Q2 è in saturazione. Di conseguenza, la tensione di uscita VO è BASSA. Se si assume che VCE(SAT) sia 0, allora la tensione attraverso RE è data da:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Questa tensione è anche la tensione di emettitore di Q1. Quindi, perché Q1 conduca, la tensione d’ingresso VIN deve essere maggiore della somma della tensione di emettitore e di 0,7 V, cioè
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Quando VIN è maggiore di questa tensione, Q1 inizia a condurre e Q2 viene interrotto a causa dell’azione rigenerativa. Come risultato, l’uscita VO va ALTA. Ora la tensione attraverso il RE cambia ad un nuovo valore ed è data da:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Il transistor Q1 condurrà finché la tensione di ingresso VIN è maggiore o uguale a quanto segue:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Se VIN scende sotto questo valore, allora Q1 esce dalla saturazione e il resto del circuito funziona è dovuto all’azione rigenerativa di Q1 che va in cutoff e Q2 in saturazione.
Gli stati di uscita HIGH e LOW dipendono dai livelli di tensione di ingresso dati dalle equazioni
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 e (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Le caratteristiche di trasferimento di un trigger Schmitt mostrano isteresi e sono governate dal punto di scatto inferiore (tensione di soglia inferiore) e dal punto di scatto superiore (tensione di soglia superiore) dato da VLT e VUT.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Cambiando i valori di RC1 e RC2, la quantità di isteresi può essere controllata mentre il valore di RE può essere usato per aumentare la tensione di soglia superiore.
Circuiti Schmitt Trigger basati su Op Amp
Siccome un circuito Schmitt Trigger è essenzialmente un amplificatore con feedback positivo, è possibile implementare questa configurazione usando amplificatori operativi o semplicemente Op Amp. A seconda di dove viene applicato l’ingresso, i circuiti basati su Op-Amp possono essere ulteriormente suddivisi in Trigger Schmitt invertenti e non invertenti.
Circuito di Trigger Schmitt invertente
Come suggerisce il nome, in un Trigger Schmitt invertente, l’ingresso è applicato al terminale invertente dell’Op-Amp. In questa modalità, l’uscita prodotta è di polarità opposta. Questa uscita è applicata al terminale non invertente per garantire un feedback positivo.
Quando VIN è leggermente maggiore di VREF, l’uscita diventa -VSAT e se VIN è leggermente inferiore a -VREF (più negativo di -VREF), allora l’uscita diventa VSAT. Quindi, la tensione d’uscita VO è o a VSAT o a -VSAT e la tensione d’ingresso alla quale avvengono questi cambiamenti di stato può essere controllata usando R1 e R2.
I valori di VREF e -VREF possono essere formulati come segue:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Quindi, VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Quindi, -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
La tensione di riferimento VREF e -VREF sono chiamate Tensione di soglia superiore VUT e Tensione di soglia inferiore VLT. L’immagine seguente mostra il grafico della tensione di uscita rispetto alla tensione di ingresso, noto anche come caratteristica di trasferimento dell’innesco di Schmitt.
Per un segnale di ingresso sinusoidale puro, l’uscita di un circuito di innesco di Schmitt invertente è mostrato nella seguente immagine.
Circuito di innesco Schmitt non invertente
Per quanto riguarda l’innesco Schmitt non invertente, l’ingresso in questo caso è applicato al terminale non invertente dell’Op-Amp. La tensione di uscita viene riportata al terminale non invertente attraverso la resistenza R1.
Prevediamo che inizialmente la tensione di uscita sia a VSAT. Finché VIN diventa inferiore a VLT, l’uscita rimane a questo livello di saturazione. Una volta che la tensione di ingresso attraversa il livello di tensione di soglia inferiore, l’uscita cambia stato a -VSAT.
L’uscita rimane in questo stato fino a quando l’ingresso sale oltre la tensione di soglia superiore.
L’immagine seguente mostra le caratteristiche di trasferimento del circuito non invertente Schmitt Trigger.
Se un segnale sinusoidale puro viene applicato come ingresso, allora i segnali di uscita assomigliano a questo.
Applicazioni
- Un’importante applicazione di Schmitt Trigger è convertire le onde sinusoidali in onde quadre.
- Possono essere usati per eliminare il chatter nei comparatori (un fenomeno in cui vengono prodotte transizioni multiple in uscita a causa dell’oscillazione del segnale d’ingresso attraverso la regione di soglia).
- Possono anche agire come semplici controllori ON/OFF (per esempio, interruttori basati sulla temperatura).