Ćwiczenie 11 BADANIE PRZERZUTNIKÓW ASTABILNEGO, MONOSTABILNEGO I BISTABILNEGO 11.1 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie rodzajów, budowy i właściwości przerzutników astabilnych, monostabilnych oraz bistabilnych, a także obserwacja wpływu zmian stałej czasowej na otrzymane przebiegi na wyjściu. 11.2. Wprowadzenie Przerzutniki są to układy wytwarzające okresowe lub nieokresowe przebiegi prostokątne, czyli przebiegi składające się z dużej liczby sygnałów harmonicznych. Układy generują więc sygnały jak gdyby o wielu częstotliwościach i stąd wywodzi się ich nazwa (są nazywane także multiwibratorami). Przebiegi prostokątne mogą być wytworzone w układach, w których elementy czynne pracują w trybie przełącznika (element włączony lub wyłączony) z bardzo krótkimi czasami przełączania. Można to uzyskać w układach z elementami o ujemnej rezystancji dynamicznej lub w układach tranzystorowych z silnym dodatnim (regeneracyjnym) sprzężeniem zwrotnym. Silne sprzężenie zwrotne powoduje, że tranzystory w takich układach nie pracują w zakresie liniowym, lecz są przełączane od stanu zatkania do stanu nasycenia (lub do stanu aktywnego). Wówczas przebieg sinusoidalny jest silnie zniekształcony (ograniczony) i przyjmuje kształt zbliżony do prostokąta. Na wyjściu są więc dwa stany, które mogą być stabilne lub nie: stan włączenia (niskie napięcie) lub stan wyłączenia (wysokie napięcie). Przerzutniki dzieli się na: astabilne (nie ma stanu stabilnego); monostabilne (jeden stan stabilny i chwilowy stan niestabilny); bistabilne (przemiennie przyjmowany jeden z dwu stanów stabilnych). W przerzutnikach astabilnych zmienia się cyklicznie stan wyjściowy. Generują więc okresowy sygnał o kształcie prostokątnym. Okres cyklu zależy od stałych czasowych układu. Przerzutniki monostabilne mają jeden stan stabilny, w którym normalnie pozostają.
Pobudzenie zewnętrzne (sygnał wyzwalający) powoduje zmianę stanu układu na chwilowy stan niestabilny. Po czasie zależnym od stałych czasowych układu powraca on do stanu stabilnego. Wytwarza więc pojedynczy impuls prostokątny o określonym czasie trwania, zapoczątkowany sygnałem zewnętrznym. Przerzutniki bistabilne mogą pozostawać w jednym z dwóch stanów stabilnych. Przejście z jednego stanu do drugiego jest powodowane zewnętrznym sygnałem przełączającym. Przerzutniki astabilne są najczęściej stosowane w układach cyfrowych jako generatory taktujące (zegarowe). Przerzutniki monostabilne są stosowane jako układy wytwarzania lub odtwarzania pojedynczych impulsów, a także jako układy opóźnień czasowych. Przerzutniki bistabilne są zwykle stosowane jako układy pamiętające w systemach cyfrowych. Na potrzeby wprowadzenia ograniczymy się jedynie do omówienia przerzutników astabilnych. Przerzutniki astabilne są generatorami impulsów prostokątnych pracującymi samowzbudnie, tzn. bez zewnętrznego pobudzenia. Generatory takie są budowane z elementów dyskretnych lub z cyfrowych układów scalonych (bramek logicznych, uniwibratorów scalonych). Do generacji impulsów prostokątnych mogą być również wykorzystane wzmacniacze operacyjne. Przyjęte rozwiązanie konstrukcyjne zależy od przeznaczenia generatora i pożądanych parametrów generowanego przebiegu. W układzie przerzutnika astabilnego występuje pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego oraz elementy R i C określające parametry czasowe generowanych impulsów (czas trwania, okres). Układ tranzystorowego przerzutnika astabilnego przedstawiony na rysunku poniżej jest zbudowany z dwustopniowego wzmacniacza o sprzężeniu pojemnościowym, objętego pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego.
Załóżmy, że tranzystor T 1, osiągnie stan nasycenia (wówczas napięcie na jego kolektorze U CE1 = U CEsat i jest w przybliżeniu równe 0,1V), a T 2 stan zatkania (wówczas napięcie kolektora U CE2 jest w przybliżeniu równe U CC ). W tym stanie kondensator C 2 jest ładowany przez rezystor R 2 i tranzystor T 1, do napięcia U CC. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość ok. 0,7 V, czyli napięcie, przy którym tranzystor T 2 zaczyna przewodzić, to napięcie kolektora tego tranzystora U CE2 zacznie się zmniejszać. Ta ujemna zmiana napięcia jest przez kondensator C 1 podawana na bazę tranzystora T 1, powodując jego zatkanie. Wzrasta więc napięcie kolektora tego tranzystora U CE1 (dodatnia zmiana napięcia), które z kolei poprzez kondensator C 2 oddziałuje na bazę tranzystora T 2, powodując jego silniejsze przewodzenie. Wskutek tego dodatniego sprzężenia zwrotnego tranzystor T 2 wchodzi bardzo szybko w stan nasycenia i napięcie U CE2 osiąga wartość U CEsat w przybliżeniu równe 0,1 V. Ten skok napięcia na kolektorze tranzystora T 2 (od U CC do U CEsat spowoduje szybkie zatkanie tranzystora T 1. Napięcie na jego bazie osiągnie bowiem wartość ujemną - (U CC - 0,7 V), gdyż przed przełączeniem wynosiło ok. 0,7 V. Na kolektorze tranzystora T 1 było bliskie U CC, czyli
kondensator C 1 był naładowany do napięcia U CC - 0,7 V. Włączenie tranzystora T 2 w stan nasycenia powoduje więc przełączenie dodatnio naładowanej okładki kondensatora C 1 z potencjału U CC do U CEsat bliskiego zeru. Na bazie tranzystora T 1 wystąpi wówczas napięcie o wartości przeciwnej do naładowania kondensatora C 1. Gdy tranzystor T 1 jest zatkany, a T 2 nasycony, to kondensator C 1 jest przeładowywany od napięcia - (U CC - 0,7 V) do napięcia dodatniego U CC. Jednak, gdy napięcie na bazie tranzystora T 1 osiągnie wartość około 0,7 V, tranzystor ten zaczyna przewodzić i napięcie na jego kolektorze maleje. Ta zmiana napięcia jest podawana przez kondensator C 2 na bazę tranzystora T 2, powodując jego zatykanie, czyli wzrost napięcia U CE2, które oddziałując poprzez kondensator C 1 na bazę tranzystora T 1 powoduje silniejsze jego przewodzenie. Wskutek więc wzajemnego oddziaływania tranzystorów T 1 i T 2 w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego, tranzystor T 1 osiągnie bardzo szybko stan nasycenia, natomiast T 2 zostanie zatkany i cykl przełączania tranzystorów powtarza się. Pracę układu przerzutnika astabilnego ilustrują przebiegi czasowe napięć na kolektorach i bazach tranzystorów T 1 i T 2 na rysunku powyżej. Okres cyklu, zależny od czasów t 1 i t 2 przeładowywania pojemności C 1 i C 2, wyznacza się ze wzoru: Zmieniając stałe czasowe R 1 C 1 i R 2 C 2 można uzyskiwać przebiegi napięcia wyjściowego o różnej częstotliwości powtarzania (1/T) i różnych współczynnikach wypełnienia (t 1 /T). Aby jednak tranzystory T 1 i T 2 osiągały stan nasycenia, rezystancje R 1 i R 2 powinny spełniać warunki: R 1 RC 1 i R 2 RC 2, gdzie jest wzmocnieniem prądowym tranzystorów. Gdy R 1 = R 2 = R oraz C 1 = C 2 = C, wówczas częstotliwość powtarzania cyklu, przy współczynniku wypełnienia 1/2, wynosi: Na rysunku poniżej przedstawiono układ przerzutnika zbudowanego z dwóch bramek NAND (lub inwerterów) objętych pętlą sprzężenia zwrotnego.
Jest zbudowany podobnie do układu tranzystorowego. Bramki pełnią funkcję układów odwracających fazę, a więc sprzężenie zwrotne jest dodatnie i układ pracuje samowzbudnie. Jego działanie, bardzo podobne do działania układu tranzystorowego, wyjaśniają przebiegi napięć na powyższym rysunku. Częstotliwość powtarzania przerzutnika można wyznaczyć z
przybliżonej zależności: Zaleca się, aby R 1 = R 2 i w przybliżeniu wynosiły 2k. Zmianę częstotliwości oraz współczynnika wypełnienia generowanego przebiegu można więc uzyskać przez zmianę pojemności C 1 i C 2. Na rysunku poniżej przedstawiono układ przerzutnika astabilnego zbudowanego przy wykorzystaniu wzmacniacza operacyjnego Rezystory R 2 i R 3 tworzą obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego o współczynniku sprzężenia = R 3 /(R 2 +R 3 ), ustalającym na wejściu nieodwracającym wzmacniacza napięcie U 0. Elementy R 1 i C tworzą dla sygnału wyjściowego obwód całkujący, włączony w pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego. Działanie układu polega na okresowej zmianie stanu nasycenia wzmacniacza (od +Usat do - Usat i odwrotnie) następującej w chwili, w której napięcie na przeładowywanym kondensatorze C przekroczy aktualną wartość napięcia na wejściu nieodwracającym (odpowiednio + Usat i - Usat). Okres generowanego przebiegu prostokątnego zależy od stałej czasowej R 1 C i współczynnika sprzężenia zwrotnego według wzoru:
Jeżeli R 3 jest w przybliżeniu równe 0,9R 2, czyli częstotliwość powtarzania impulsów jest wyrażona wzorem: jest w przybliżeniu równy 0,47, to i może być regulowana przez zmianę R 1 lub C. Uniwersalny układ czasowy 555 (np. MC 1555), wytwarzany przez wielu producentów i w różnej technologii (TTL, CMOS), składa się z dwóch komparatorów i przerzutnika bistabilnego RS. Wejście "+" (wyprowadzenie 6) pierwszego komparatora i "-" (wyprowadzenie 2) drugiego komparatora są wejściami układu, natomiast pozostałe wejścia są polaryzowane z precyzyjnego dzielnika napięcia 2/3 i 1/3 napięcia zasilającego U CC przy czym podział ten może być zmieniony dzielnikiem zewnętrznym dołączonym do wyprowadzenia 5. Zawsze jednak napięcie odniesienia komparatora 2 jest połową napięcia odniesienia komparatora 1. Przy U6 > U5 na wyjściu przerzutnika RS jest wysoki poziom napięcia, a przy U2 < U5/2 niski. Niezależnie od napięć na wejściach komparatorów, niski poziom napięcia wejściu CLR (wyprowadzenie 4) wymusza stan wysoki na wyjściu przerzutnika. Na końcówce 3 jest typowe wyjście cyfrowe, które może służyć do sterowania innych układów cyfrowych.
Wyjście 7 jest natomiast wyjściem typu otwarty kolektor o dużej wydajności prądowej (do 200 ma). Wykorzystywane jest do rozładowywania "głównego" kondensatora, od którego zależą parametry czasowe układu. Układ scalony 555 umożliwia tworzenie różnych układów czasowych, w tym przerzutników mono-, bi- i astabilnych. W układzie przerzutnika monostabilnego, pokazanego na powyższym rysunku, czas trwania generowanego impulsu określony jest wzorem: T = 1,1R A C. Częstotliwość powtarzania impulsów w przerzutniku astabilnym (rysunek poniżej), określa się natomiast z kolejnej zależności: W przerzutnikach zbudowanych przy zastosowaniu układu 555 czas trwania impulsu i okres generowanego przebiegu zależą od stałej czasu ładowania kondensatora dołączonego do wyjścia 7. Uzależnienie tych czasów od napięcia można uzyskać w układzie ładowania tego kondensatora stałym prądem o wartości zależnej od napięcia sterującego. Na rysunku poniżej
przedstawiono układ przerzutnika astabilnego (przetwornik napięcie-częstotliwość), w którym w układzie źródła prądowego ładującego kondensator C zastosowano wzmacniacz operacyjny. Przebieg wyjściowy ma postać wąskich ujemnych impulsów. Czas ładowania kondensatora jest liniowo zależny od prądu źródła ładującego. Rozładowanie kondensatora jest natomiast bardzo szybkie, bowiem następuje przez nasycony tranzystor wyjściowy (wyprowadzenie 7). Częstotliwość powtarzania impulsów jest zależna od napięcia wejściowego wg wzoru: f[khz] = 4,2 UI [V].