Исследование триггера с эмиттерной связью

Исследованы процессы и основные характеристики триггера с эмиттерной обратной связью

Ключевые слова:триггер, сигнал, импульсы, напряжение, резистор, транзистор.

 

Цели.

1.         Изучить принцип действия и характеристики триггера.

2.         Исследовать влияние величины сопротивления эмиттерной обратной связи на основные параметры триггера.

3.                  Исследовать влияние величины сопротивления смещения в цепи эмиттер — база входного транзистора на основные параметры триггер.

Теоретическая часть

Триггер — релейное устройство, которое может находиться в двух устойчивых состояниях, переход из одного состояния в другое сопровождается регенеративным процессом.

Различаются два основных типа схем триггеров: симметричные триггеры, триггеры с эмиттерной связью.

Триггер с эмиттерной связью (триггер Шмитта), являющийся несимметричной схемой, используется не в качестве счетчика или запоминающего устройства подобно симметричному триггеру, а как пороговое устройство, реагирующее на определенный уровень выходного сигнала. Кроме того, триггер Шмитта применяется для формирования прямоугольных импульсов определенной амплитуды из синусоидального сигнала или сигнала другой непрямоугольной формы.

Как правило схема триггера Шмитта состоит из двух транзисторных каскадов, охваченных положительной обратной связью. Когда на вход схемы подается импульс напряжения, в результате действия обратной связи триггер скачком переходит из едкого состояния в другое.

На рис. 1 представлена принципиальная схема триггера Шмитта. Особенность схемы является то, что коллектор выходного транзистора VT2 не связан с другими элементами схемы, поэтому сопротивление нагрузки незначительно влияет на работу триггера, что позволяет получить большую крутизну выходных импульсов. Резистор выполняет функции жесткой положительной эмиттерной (токовой) обратной связи и включается в цепь, эмиттеров транзисторов VT1 и VT2. Функции гибкой положительной коллекторной связи выполняют также резистор  и конденсатор C. Цепочка резисторов, образует начальное смещение (потенциал базы) транзистора VT1. Однако присутствие резисторов - и  является необязательным.

Рабата схемы протекает следующим образом. При отсутствии входного сигнала, параметры элементов схемы выбраны таким образом, что транзистор VT1 находится в отсечке, а транзистор VT2 в насыщении. Для обеспечения состояния насыщения транзистора VT1, необходимо, чтобы потенциал его базы был больше, чем потенциал эмиттера. Это условие выполняется тогда, когда падение напряжения на резисторе R() будет больше чем падение напряжения на резисторе  (). Напряжение эмиттер-база транзистора VT2 определяется соотношением

                                                                                  (1)

где I — ток, протекающий по резистору R.

Состояние отсечки транзистора VT1 обеспечивается тем, что потенциал его базы ниже, чем потенциал эмиттера. Это условие выполняется тогда, когда падение напряжения на резисторе  будет больше, чем падение напряжения на резисторе  (). В этом случае к переходу эмиттер-база прикладывается напряжение обратной полярности. Напряжение эмиттер-база транзистора VT1, которое называется напряжением смещения (). определяется соотношением:

                                                               (2)

где  — напряжение питания.

При таком состоянии схем конденсатор С будет заряжаться по цепочке: «+», , эмиттер-база VT2 — . Напряжение на заряженном конденсаторе С равно падению напряжения на резисторе .

Напряжение на выходе будет равно:

                                                    (3)

где  — напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT2 в состоянии насыщения.

Выходное напряжение достаточно мало (рис.2), схема находится в первом исходном состоянии.

При подаче на вход положительной волны напряжения растет напряжение эмиттер-база транзистора VT1

                                                                  (4)

Когда входное напряжение  достигает величины при которой напряжение  станет равным пороговому напряжению транзистора VT1 () произойдет открытие транзистора VT1. Ток эмиттера транзистора VT1 () вызывает дополнительное падение напряжения на резисторе , что увеличивает потенциал эмиттера транзистора VT1. Одновременно, вследствие уменьшения потенциала коллектора транзистора VT1, уменьшается потенциал базы транзистора VT2.и ток I. Таким образом напряжение эмиттер-база транзистора VT2 будет определяться следующим соотношением

,                                                                                         (5)

где  — ток, протекающий через резистор R при

 — ток эмиттера транзистора VT2 при

Рис. 1 Принципиальная схема триггера Шмитта

 

Рис. 2 Входные и выходные осциллограммы триггера Шмитта ( — время импульса,  — время паузы)

 

Рис. 3 Пусковая характеристика триггера

 

Как видно из выражения (5), напряжение эмиттер-база транзистора VT2 () будет уменьшаться, что вызовет уменьшение его тока базы  и тока эмиттера . Конденсатор С будет разряжаться через резистор , что вызывает дополнительное падение напряжения на нем, и понижает потенциал базы транзистора VT2 и тока . Как следствие, уменьшается напряжение и токи .

Уменьшение тока .приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе . При этом напряжение  в соответствии с выражением (4) увеличивается. Транзистор VT1 ещё больше открывается, что вызывает понижение потенциала его коллектора и, следовательно, понижение потенциала базы транзистора VT1 и напряжения .Транзистор VT2 будет закрываться, что вызовет еще большее открытие транзистора VT1 и т. д. Этот процесс за счет наличия эмиттерной обратной связи () и коллекторной обратной связи (С и ), имеет ярко выраженные релейный характер с крутыми фронтами переключении и продолжается до тех пор пока транзистор VT1 не переключится в состояние насыщения, и транзистор VT1 в состояние отсечки.

Таким образом, схема переходит во второе устойчивое состояние. Входное напряжение, при котором происходит переключение схемы во второе состояние, называется напряжением срабатывания (рис.2). При этом на выходе образуется скачок напряжения, который определяется выражением

,                                                                                      (6)

где  — обратный коллекторный ток транзистора VT2.

Подставляя в уравнение (4) условие срабатывания (), после преобразования получаем выражение для напряжения срабатывания

,                                                                                         (7)

После срабатывания состояние отсечки транзистора VT2 обеспечивается насыщением транзистора VT1. Так как , то

,                                                                                                             (8)

где  — падение напряжения на резисторе .

Следовательно,  и переход эмиттер-база транзистора VT2 смещен в обратном направлении.

В случае необходимости понижения уровня выходного напряжения резистор  заменяет двумя последовательно соединенными резисторами, снимая выходное напряжение с одного из резисторов.

Рис. 4. Принципиальная схема для исследования триггера Шмитта

 

Таблица 1

 

Выводы.

Установлено влияние величины сопротивления эмиттерной обратной связи на основные параметры триггера и влияние величины сопротивления смещения цепи эмиттер-базы входного транзистора на основные параметры триггера.

 

Литература:

 

1.         Акимов А. В. Проверочный расчет генератора с клювообразным ротором: Ч.1: Метод. указ. к выполнению курс. проекта. — М., 2002.

2.         Астапенко А. В., Лохнин В. В., Прохоров В. А., Физические основы электроники: метод. указ. к выполнению лаб. раб. — М., 2007.

3.         Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник для вузов. — 11-е изд., исправ. и доп. — М., 2006.

4.         Девочкин О. В., Кецарис А. А., Полякова В. Н. Электротехника и основы электроники, Ч.1. Электрические цепи: метод. пособие к вып. расчетно-граф. и контр. работ. — М., 2009.

5.         Прохоров В. А. Элементы и узлы полупроводниковых преобразователей электрической энергии в автомобиле: Учеб. пособие. — М., 2003.