Schmitti lülitus

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

Schmitti lülitus on elektroonikakomponentidest koosnev skeem, mille väljundpinge muutub kahe oleku vahel vastavalt sisendpingele.

Sarnaselt komparaatoriga hoiab skeem oma väljundit 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.

TööpõhimõteRedigeeri

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.[1]

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.[2]

Lülituse variatsioonidRedigeeri

Operatsioonvõimendi baasilRedigeeri

Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriv lülitusRedigeeri

 
Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriv Schmitti lülitus

Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab tekitada, ühendades operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi maaga ( ) ja mitteinverteeriva sisendi kahe takisti  ,   vahele. Takisti   on omakorda ühendatud ühe otsaga sisendpinge ( ) külge ja   teise otsaga operatsioonivõimendi väljundi külge ( ). Manipuleerides  ,   väärtustega saame kontrollida, missuguse sisendpinge korral tekib väljundis muutus.[3]

Muutust tekitava sisendpinge saab arvutada järgnevalt, kui kasutame superpositsiooni meetodit, et leida  .

Väljundpinge   on  , kui   ning   on  , kui  , kus   tähistab operatsioonivõimendi ülemist ja alumist toitepiiri.

Leiame  kasutades  :  

Leiame  kasutades  :  

Leiame  kasutades  ja  :  

Nüüd oletame, et   on   seega  .

Seega saame   valemiks:  .

Operatsioonivõimendi lülitus toimub   juures, sest inverteeriv sisend on ühendatud maaga  .

 

 

Viimaks saame lülituse toimumise ülemise lävendi  .

 

Kuna lülituse lävendid on sümmeetrilised, on lülituse alumine lävend  :

 

 
Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv Schmitti lülitus

Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitusRedigeeri

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

Lülituse saab tekitada ühendades kaks takistit  ,   jadamisi maa ( ) ja operatsioonivõimendi väljundi vahele. Operatsioonivõimendi mitteinverteeriv sisend tuleb ühendada kahe jadamisi oleva takisti vahele ja inverteeriv sisend ühendada sisendpingega.  ,   tekitavad   ja   vahele pingejaguri ning lülituse lävend oleneb jadamisi olevate takisti omavahelisest proportsioonist.[4]

Ülemise ja alumise lülituse lävendi väärtuste  ,   tuletamine on kasutades pingejaguri valemit triviaalne:

Kui  .

Kui  .

 
Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriv Schmitti lülitus

Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitusRedigeeri

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

Kui operatsioonivõimendi väljund on kõrge ( ) tekib ekvivalentne skeem, kus   ja   on omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga  . Vastupidises olukorras, kus võimendi väljund on võrdne maaga ( ), on   ja   omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga  .[5]

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

Ülemine lävend  .

Alumine lävend  .

Transistoride baasilRedigeeri

 
Ebasümmeetriline mitteinverteeriv Schmitti lülitus

NPN transistoride baasilRedigeeri

Ebasümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab kasutades takisteid ja transistore.

Oletame, et sisendpinge ( ) on nullilähedane, seega transistor   on välja lülitatud. Seetõttu läbib vool takisteid  ,  ,   ning tekitab transistoris   baasvoolu, mis avab transistori (transistor avaneb küllastunud olekus). Takistid  ,   tekitavad pingejaguri, millest sõltub väljundpinge ( ), kuid täpse tulemuse saamiseks tuleb arvesse võtta ka transistori pingelang.[6]

Ülemine lävend  .

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

Alumine lävend  .

Sisendpinge langemisel toimub sama protsess vastupidi. Transistori   hakkab läbima järjest vähem voolu ja see alustab sulgumist. Pinge transistor   kollektoril üha suureneb ja järjest rohkem voolu läbib transistori  . Positiivse tagasiside abil kiireneb protsess üha kiiremini kuni   on täielikult suletud ning transistor   täielikult avatud.[7]

KasutusvõimalusedRedigeeri

MürakindlusRedigeeri

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.[8]

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

Kasutus ostsillaatorinaRedigeeri

  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.

ViitedRedigeeri

  1. AspenCore Inc. "Feedback Systems". Vaadatud 23.10.2017.
  2. Anthony Smith. "Schmitt trigger adapts its own thresholds". 16.03.2015. Vaadatud 23.10.2017.
  3. Dejan Nedelkovski. "What is Schmitt Trigger | How It Works". 24.08.2015. Vaadatud 25.10.2017.
  4. Cristina Crespo. "Inverting Schmitt Trigger". 02.05.2017. Vaadatud 25.10.2017.
  5. Paul Wesley Lewis. "Schmitt Trigger". 11.01.2013. Vaadatud 25.10.2017.
  6. AspenCore Inc. "NPN Transistor". Vaadatud 24.10.2017.
  7. John Hearfield. "Schmitt trigger design". Vaadatud 25.10.2017.
  8. Chris Cockrill. "Understanding Schmitt Triggers". September 2011. Vaadatud 25.10.2017.