Schmitti lülitus

Schmitti lülitus ehk Schmitti triger (inglise keeles Schmitt trigger) on elektroonikakomponentidest koosnev lülitus, mille väljundpinge muutub kahe oleku vahel vastavalt sisendpingele.

Võrdlus tavapärase komparaatori ja Schmitti lülituse vahel, kui sisendiks on mürane analoogsignaal (U). Väljund A kuulub komparaatorile ning väljund B Schmitti lülitusele

Lülitus töötab komparaatorina, mis hoiab oma väljundit muutumatuna seni, kuni sisendpinge on muutunud piisavalt, et kutsuda esile muutus. Mitteinverteeriva Schmitti lülituse väljundpinge on võrdne loogilise ühega, kui sisendpinge on võrdne või kõrgemal kui lülitile seatud ülemine lävend. Väljundpinge muutub loogiliseks nulliks, kui sisendpinge on võrdne või madalam kui lülitile seatud alumine lävend. Väljundi seis ei muutu, kui sisendpinge väärtus on kahe lävendi vahel.

Tööpõhimõte

Schmitti lülituse tööpõhimõte baseerub positiivsel tagasisidel ja hüstereesil. Ühendades süsteemi väljundi süsteemi sisendiga tekitame positiivse tagasisideahela, mis tekitab süsteemi vaheväärtustes ebastabiilsuse, sundides süsteemi ühte kahest võimalikust ekstreemumist. Kui sisendpinge ületab seatud lävendi, kindlustab tagasiside, et muutus ekstreemumite vahel toimuks nii kiiresti kui võimalik, sõltumata sisendi muutumise kiirusest.

Hüsterees kindlustab, et skeemis ei tekiks hulgalisi ebakorrektseid lülitusi ekstreemumite vahel. Hüstereesi piirkonda valides peab silmas pidama sisendsignaali amplituudi ja selle mürasisaldust. Kui need parameetrid on ajas muutuvad või teadmata, võib liiga suure hüstereesi piirkonna valikul juhtuda, et sisendsignaal ei suuda esile tuua muutusi ühe või mõlema lülituslävendi puhul. Liiga väikese piirkonna valikul võib müra tekitada mitmeid ebakorrektseid lülitusi.

Lülituse variandid

Operatsioonvõimendi baasil

Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriv lülitus

Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriv Schmitti lülitus

Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab tekitada, ühendades operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi maaga ($GND$) ja mitteinverteeriva sisendi kahe takisti $R1$, $R2$ vahele. Takisti $R1$ on omakorda ühendatud ühe otsaga sisendpinge ($V_{in}$) külge ja $R2$ teise otsaga operatsioonivõimendi väljundi külge ($V_{out}$). Manipuleerides $R1$, $R2$ väärtustega saame kontrollida, missuguse sisendpinge korral tekib väljundis muutus.

Muutust tekitava sisendpinge saab arvutada järgnevalt, kui kasutame superpositsiooni meetodit, et leida $V^{+}$.

Väljundpinge $V_{out}$ on $V_{sat}$, kui $V^{+}>0$ ning $V_{out}$ on $-V_{sat}$, kui $V^{+}<0$, kus $V_{sat}$ tähistab operatsioonivõimendi ülemist ja alumist toitepiiri.

Leiame $V_{1}^{+}$kasutades $V_{in}$: $V_{1}^{+}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{in}$

Leiame $V_{2}^{+}$kasutades $V_{out}$: $V_{2}^{+}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{out}$

Leiame $V^{+}$kasutades $V_{1}^{+}$ja $V_{2}^{+}$: $V^{+}=V_{1}^{+}+V_{2}^{2}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{in}+{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{out}$

Nüüd oletame, et $V_{out}$ on $-V_{sat}$ seega $V_{out}<0\Rightarrow V^{+}<0$.

Seega saame $V^{+}$ valemiks: $V^{+}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{out}+{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*(-V_{sat})$.

Operatsioonivõimendi lülitus toimub $0V$ juures, sest inverteeriv sisend on ühendatud maaga $\Rightarrow V^{+}=0$.

${\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{out}-{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*(V_{sat})=0$

$R_{2}V_{in}-R_{1}V_{sat}=0$

Viimaks saame lülituse toimumise ülemise lävendi $V_{T}$.

$V_{T}=V_{in}={\frac {R_{1}}{R_{2}}}*V_{sat}$

Kuna lülituse lävendid on sümmeetrilised, on lülituse alumine lävend $-V_{T}$:

$-V_{T}=-{\frac {R_{1}}{R_{2}}}*V_{sat}$

Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv Schmitti lülitus

Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitus

Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv Schmitti lülitus käitub oma loogikalt vastupidi. See tähendab, kui sisendpinge ($V_{in}$) ületab ülemise lävendi muutub väljundpinge ($V_{out}$) madalaks ning möödudes alumisest lävendist muutub sisendpinge kõrgeks.

Lülituse saab tekitada ühendades kaks takistit $R1$, $R2$ jadamisi maa ($GND$) ja operatsioonivõimendi väljundi vahele. Operatsioonivõimendi mitteinverteeriv sisend tuleb ühendada kahe jadamisi oleva takisti vahele ja inverteeriv sisend ühendada sisendpingega. $R1$, $R2$ tekitavad $V_{out}$ ja $GND$ vahele pingejaguri ning lülituse lävend oleneb jadamisi olevate takisti omavahelisest proportsioonist.

Ülemise ja alumise lülituse lävendi väärtuste $V_{T}$, $-V_{T}$ tuletamine on kasutades pingejaguri valemit triviaalne:

Kui $V_{out}=V_{sat}\Rightarrow V^{+}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{sat}=V_{T}$.

Kui $V_{out}=-V_{sat}\Rightarrow V^{+}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*(-V_{sat})=-V_{T}$.

Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriv Schmitti lülitus

Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitus

Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriva Schmitti lülituse saab ühendades sisendpinge ($V_{in}$) operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi külge ja lisades skeemi kolm takistit. Takistid $R1$, $R2$ ühendatakse jadamisi toitepinge ($VCC$) ja maa ($GND$) vahele. Takisti $R3$ ühendatakse ühe otsaga operatsioonivõimendi väljundiga ($V_{out}$) ja teise otsaga võimendi mitteinverteeriva sisendi külge ning need mõlemad on ühendatud takistite $R1$ ja $R2$ vahele. Takisti $R3$ annab skeemile erinevad lülituslävendid, mis on seotud operatsioonivõimendi väljundpingega.

Kui operatsioonivõimendi väljund on kõrge ($VCC$) tekib ekvivalentne skeem, kus $R1$ ja $R3$ on omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga $R2$. Vastupidises olukorras, kus võimendi väljund on võrdne maaga ($GND$), on $R2$ ja $R3$ omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga $R1$.

Muutust tekitavad väljundpinged saab arvutada kasutades pingejaguri valemit ning pidades meeles rööpühenduse omadusi.

Ülemine lävend $V_{out}=GND\Rightarrow {\frac {R2||R3}{R2||R3+R1}}=V_{up}$.

Alumine lävend $V_{out}=VCC\Rightarrow {\frac {R1||R3}{R1||R3+R2}}=V_{low}$.

Transistoride baasil

Ebasümmeetriline mitteinverteeriv Schmitti lülitus

NPN transistoride baasil

Ebasümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab kasutades takisteid ja transistore.

Oletame, et sisendpinge ($V_{in}$) on nullilähedane, seega transistor $Q1$ on välja lülitatud. Seetõttu läbib vool takisteid $R1$, $R3$, $R4$ ning tekitab transistoris $Q2$ baasvoolu, mis avab transistori (transistor avaneb küllastunud olekus). Takistid $R2$, $R5$ tekitavad pingejaguri, millest sõltub väljundpinge ($V_{out}$), kuid täpse tulemuse saamiseks tuleb arvesse võtta ka transistori pingelang.

Ülemine lävend $V_{up}={\frac {R2}{R2+R5}}*VCC$.

$Q1$ emitteri pinge on seotud transistor $Q2$ baasvooluga ning $Q1$ ja $Q2$ emitterid omavahel otseühenduses ning seetõttu jagavad samasugust pinge potentsiaali. Sisendpinge tõusmisel kõrgemale kui pingelang $Q2$ emitteril, hakkab läbi $Q1$ jooksma baasvool, transistor $Q1$ hakkab avanema. $Q1$ avanedes näljutab see $Q2$ baasvoolust ja seetõttu hakkab see transistor sulguma, lubades üha enam voolu läbi transistori $Q1$. Positiivse tagasiside mõjul tekib skeemis olukord, kus $Q1$ on täielikult avanenud (küllastunud olek) ning $Q2$ on täielikult sulgunud. $Q2$ sulgumise tõttu on väljundpinge võrdväärne toitepingega.

Alumine lävend $V_{low}={\frac {R1}{R1+R5}}*VCC$.

Sisendpinge langemisel toimub sama protsess vastupidi. Transistori $Q1$ hakkab läbima järjest vähem voolu ja see alustab sulgumist. Pinge transistor $Q1$ kollektoril üha suureneb ja järjest rohkem voolu läbib transistori $Q2$. Positiivse tagasiside abil kiireneb protsess üha kiiremini kuni $Q1$ on täielikult suletud ning transistor $Q2$ täielikult avatud.

Kasutusvõimalused

Mürakindlus

CMOS, BiCMOS ja TTL seadmed vajavad normaalseks opereerimiseks oma sisenditesse kiireid tõusvaid ja langevaid signaale. Aeglased lülitusajad võivad esile kutsuda suured voolutugevused, ostsillatsiooni, mitmeid ebakorrektseid lülitusi lävenditel või isegi kahjustada seadet. Kohati võib selliseid situatsioone olla raske vältida nagu seadme sisselülitamine või inimese poolt vajutatavad nupud.

Schmitti lülitus on odav lahendus, mis mõeldud kiirete tõusude ja languste tekitamiseks aeglastest analoogsisenditest või mürastest signaalidest.

Kasutus ostsillaatorina

 Pikemalt artiklis Relaksatsioongeneraator

Väljundpinge ja kondensaatori pinge sõltuvus komparaatoril põhineva relaksatsioongeneraatori korral.

Schmitti lülitus on bistabiilne multivibraator ning seda kasutades saab konstrueerida relaksatsioongeneraatori. See saavutatakse ühendades ühe RC-ahela inverteeriva Schmitti lülituse väljundi ja sisendi vahele. Väljundpinge tekitab katkematu kastsignaali, mille sagedus sõltub R ja C väärtustest ning Schmitti lülituse lävenditest.