Триггер Шмитта (Шмидта, Шмита). Схема. Электрический гистерезис. Расчет, рассчитать, формула. Применение.

Схемы и расчет триггера Шмитта. Гистерезис, пороги срабатывания, входное сопротивление. (10+)

Триггер Шмитта. Схема. Электрический гистерезис. Расчет. Применение

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Дорогие друзья! Правильно называть данное устройство Триггер Шмитта. Писать Триггер Шмидта, Шмита - считается неграмотным.

Определение триггера Шмитта

Триггер Шмитта (ТШ) обладает двумя устойчивыми состояниями. На его выходе может быть высокое (высокое состояние) или низкое (низкое состояние) напряжение. Переход из одного состояния в другое осуществляется при изменении входного напряжения.

Различают два вида триггеров Шмитта. Первый вид - неинвертирующий, переходит в высокое состояние при повышении напряжения, в низкое - при понижении. Второй вид - инвертирующий, переходит в высокое состояние при понижении напряжения, в низкое - при повышении.

Неинвертирующий триггер Шмитта переходит в высокое состояние, если напряжение на входе становится выше, чем Uon, переходит в низкое состояние, если напряжение на входе становится ниже, чем Uoff. Причем Uon больше, чем Uoff на величину Электрического гистерезиса триггера Шмитта.

Инвертирующий триггер Шмитта переходит в высокое состояние, если напряжение на входе становится ниже, чем Uon, переходит в низкое состояние, если напряжение на входе становится выше, чем Uoff. Причем Uon меньше, чем Uoff на величину Электрического гистерезиса триггера Шмитта.

Если напряжение на входе находится между Uon и Uoff, то триггер Шмитта сохраняет свое состояние.

Электрическая схема, обладающая описанными свойствами, с точки зрения инженера - схемотехника, вне зависимости от внутреннего устройства, является триггером Шмитта.

Применение триггера Шмитта

Триггеры Шмитта применяются там, где нужно исключить 'дребезг', в самом широком смысле этого слова. Например, если у Вас есть механический выключатель, то в момент включения или выключения, возникают коротковременные замыкания и размыкания цепи, пока, наконец, переключение не будет выполнено окончательно. Такой дребезг длится микро или даже наносекунды, но некоторые схемы (особенно цифровые) могут быть чувствительны к нему. Триггер Шмитта позволяет бороться с таким дребезгом.

Другим примером может быть включение / выключение какого-либо прибора на основании данных датчика. Пусть нужно включать нагреватель при понижении температуры, и выключать его, когда температура нормализовалась. Применение простого компаратора (устройства, выдающего на выход напряжение в зависимости от соотношения двух входных) приводит к своеобразному дребезгу, если температура находится вблизи точки переключения. Нагревательные и другие приборы не любят, когда их часто включают и выключают. Так что нужен триггер Шмитта.

Компараторы в чистом виде вообще очень редко используются в схемах из-за переходных процессов при напряжении, близком к напряжению переключения. Чтобы исключить эти процессы, вводится небольшая положительная обратная связь, которая превращает компаратор в триггер Шмитта с небольшим гистерезисом.

Схемы ТШ

На рисунке приведены четыре фрагмента схем, содержащих триггер Шмитта и каскад, которым управляет этот триггер. N - нагрузка. Резистор R4 ограничивает ток базы транзистора и защищает операционный усилитель от перегрузки на выходе. VD1, VD2 применяется в связи с тем, что у большинства операционных усилителей даже в условиях насыщения напряжение на выходе отличается от напряжения на шинах питания. Так что выходной транзистор может открываться этой разницей напряжений, которая оказывается приложена между базой и эмиттером. Падение напряжения на двух диодах составит около 1.5 В, что обычно бывает достаточным для защиты транзистора от случайного открывания. Но иногда вместо диодов приходится применять стабилитрон на 3 вольта, что гарантирует надежное запирание любого транзистора в схеме с любым операционным усилителем. Резистор R5 гарантирует надежное запирание транзистора. Обычно ставится резистор 1 - 5 кОм. Схемы (А), (Г) включают нагрузку при понижении входного напряжения, (Б), (В) - при повышении входного напряжения. В схемах (Б), (Г) - нагрузка заземлена, В схемах (А), (В) - нагрузка подключена к положительной шине питания.

Расчет ТШ

[R4, Ом] = ([Напряжение питания, В] - 3 В) * [Минимально возможный коэффициент передачи тока транзистора] / [Максимальный ток нагрузки] / [Коэффициент запаса, например, 1.2]. Полученное значение нужно сравнить с минимальным сопротивлением нагрузки операционного усилителя. Для стабильной и надежной работы схемы R4 лучше выбирать как минимум в 1.5 - 2 раза выше минимального сопротивления нагрузки операционного усилителя. Если расчет дал неподходящий результат, то можно использовать транзисторы с большим коэффициентом передачи тока (сопротивление R4 пропорционально ему) или применить составной транзистор, транзистор Дарлингтона.

Далее в расчете будем исходить из того, что в схеме используется операционный усилитель с высоким входным сопротивлением.

Схемы (А), (Б)

В этих схемах выбор значений сопротивления резисторов R1, R2, R3 предполагает определенную свободу. Один из них можно выбрать произвольно, тогда значения остальных могут быть рассчитаны. Следует руководствоваться такими соображениями. Чем выше сопротивление резисторов, тем меньше потери энергии источника питания в делителе напряжения на R1, R2. Но с другой стороны, применение резисторов более 500 кОм обычно нежелательно из-за возможного снижения помехозащищенности устройства.

Так что выбираем [R3] = 500кОм. Проведем расчеты. Если полученные номиналы двух других резисторов получатся слишком большими, то сделаем R3 поменьше и пересчитаем.

Пусть U2 - большее из напряжений Uon и Uoff, а U1 - меньшее, U - напряжение питания. Тогда:

[R1, Ом] = ([U2, В] - [U1, В]) * [R3, Ом] / [U1, В]

[R2, Ом] = [U1, В] * [R1, Ом] * [R3, Ом] / ([U, В] * [R3, Ом] - [U1, В] * [R1, Ом] - [U1, В] * [R3, Ом])

Входной ток этих двух схем практически равен нулю. Такой триггер Шмитта не нагружает источник сигнала.

Схемы (В), (Г)

В этих схемах выбор значений сопротивления резисторов R1, R2, R3, R5 также предполагает определенную свободу, даже большую, чем в предыдущем случае. Мы можем произвольно выбрать R3 и, например, R2. Исходя из тех же соображений, положим этим резисторам сопротивление 500 кОм. Если нас не устроят полученные номиналы резисторов, то выберем другие значения. Сопротивление R3 влияет на R5, но не влияет на R1, сопротивление R2 влияет на R1, но не влияет на остальные расчеты. Так что пересчет можно выполнять только в нужной части расчетов.

[R5, Ом] = ([U2, В] - [U1, В]) * [R3, Ом] / [U, В]

[Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя, В] = [R3, Ом] * [U2, В] / ([R3, Ом] + [R5, Ом])

[R1, Ом] = [R2, Ом] * ([U, В] - [Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя, В]) / [Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя, В]

Абсолютное значение входного тока (А) этих схем может достигать [U, В] / ([R3, Ом] + [R5, Ом]). Источник сигнала должен выдерживать такой ток без существенного изменения напряжения, иначе триггер Шмитта будет работать неправильно. Если мы точно знаем выходное сопротивление источника сигнала, то сопротивление R5 нужно уменьшить на эту величину, так как выходное сопротивление включено последовательно с R5. Если выходное сопротивление мало, то корректировку можно не проводить.

Приведенные схемы могут быть собраны на операционном усилителе 544УД1

(читать дальше...) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи. [2] сообщений.

В схеме А (и в других тоже) наличие 2 диодов (или стабилитрона на 3 В) на базе транзистора действительно не дает ему открываться при 0 на выходе ОУ, но в то же время база как бы 'повисает в воздухе', а включение транзистора с 'оборванной' базой запрещено. Целесообразно ввести резистор порядка 1 кОм между базой и эмиттером. Читать ответ...

'VD1, VD2 применяется в связи с тем, что у большинства операционных усилителей даже в условиях насыщения напряжение на выходе выше напряжения питания.' насыщения напряжение на выходе >> выше << (ниже?) напряжения питания Читать ответ...