В триггере Шмитта использованы два транзистора

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2014

Einar Abell

EDN

Вебинар «Новинки и решения Traco для промышленных и отраслевых приложений» (28.10.2021)

В статье показано, каким образом, добавив цепь положительной обратной связи к паре Дарлингтона, можно создать триггер Шмитта с очень большим коэффициентом усиления тока (в типичном случае – 10,000). Я не знаю каких-либо решений, сравнимых по характеристикам, за исключением интегральных схем. Тем не менее, эта очень простая схема успешно выполняет универсальные функции. Схему можно рассчитать на работу с токами нагрузки от единиц миллиампер до ампер, причем при низких токах ее входное сопротивление может превышать 100 МОм.

На Рисунке 1 показана упрощенная схема в версии с входным NPN транзистором и активным низким уровнем, а на Рисунке 2 – с PNP транзистором и активным высоким уровнем. R2 и R3 (с учетом RL) задают напряжение на эмиттере Q1. Когда входное напряжение VIN возрастает от нуля до значения VIN(ON), определяемого выражением (1), Q1 начинает включаться. Возрастающий ток его коллектора, усиливаемый транзистором Q2, будет приводить к снижению выходного напряжения VOUT, вследствие чего напряжение на эмиттере Q1 будет уменьшаться, еще больше открывая транзистор. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока Q1 не войдет в насыщение. Предполагается, что положительная обратная связь через резистор R3 больше, чем отрицательная, обусловленная током эмиттера Q1.

В триггере Шмитта использованы два транзистора
Рисунок 1. Триггер Шмитта на двух транзисторах.

В этом и последующих уравнениях VBE и VCE с соответствующими индексами обозначают напряжения база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзисторов Q1 и Q2.

  (1)

Последнее иллюстрируется неравенством (2), которое должно выполняться, по крайней мере, с двукратным запасом. (В этой формуле β1 и β2 обозначают коэффициенты усиления токов транзисторов Q1 и Q2, соответственно, а RS – сопротивление источника сигнала VIN). Чем строже неравенство, тем большей будет величина гистерезиса.

  (2)
  (3)
  (4)
  (5)
  (6)

Решая неравенство (2), можно, в соответствии с выражениями (3) и (4), определить границы допустимых значений сопротивления нагрузки RL и входного сопротивления RIN (в нашей схеме оно обозначено как R1). Кроме того, из (4) и (5) определяем граничное значение R3, которое должно быть, по крайней мере, в β2 раз больше, чем RL, чтобы сопротивление RIN было положительным. Типичное значение R3 не превысит половины от этой величины. Очевидно, что это будет справедливо, если коэффициент усиления Q2 велик. Выбрав R3 и VIN(ON), можно по формуле (6) рассчитать R2.

В состоянии «включено» напряжение VOUT приблизительно описывается выражением (7), где оно обозначено как VOUT(ON). Поскольку основной член выражения зависит от усиления Q2, измеренное напряжение обычно несколько отличается, но в типичном случае не выходит за пределы диапазона 2…3 В.

В триггере Шмитта использованы два транзистора
Рисунок 2. Версия с активным высоким уровнем.

Ток, протекающий через RIN, увеличивает падение напряжения VR2 на резисторе R2 (уравнение 9), и если сопротивление R1 слишком мало, этот ток станет чрезмерно большим. (В предельном случае, если RIN равно 0, напряжение VOUT будет повторять VIN). При снижении входного напряжения VIN выход останется включенным до тех пор, пока Q1 не выйдет из насыщения. В этот момент положительная обратная связь выключит как Q1, так и Q2. Напряжение VIN(OFF), при котором этом произойдет, можно найти с помощью выражения (8). В связи с тем, что, скорее всего, вы захотите выбирать сопротивление R2, минимальным, чтобы минимизировать выходное напряжение низкого уровня, уровень VIN(OFF) будет зависеть от сопротивления резистора R1, но, опять же, значение VIN(OFF) зависит от коэффициентов усиления β транзисторов Q1 и Q2

  (7)
  (8)
  (9)

где

и

Это неточное определение точки выключения является одним из недостатков предлагаемой схемы. Однако для множества приложений высокая точность и не требуется. Как правило, сопротивления R2 и R3 вы будете выбирать минимально допустимыми с точки зрения возможности практической реализации схемы, не забывая про ток покоя, протекающий через RL. Сопротивление R1 может быть настолько большим, насколько это необходимо, но с учетом как ограничения, задаваемого уравнением (4), так и желаемого уровня VIN(OFF). Еще одним существенным недостатком можно считать относительно высокое напряжение на открытом транзисторе Q2, что при токах, превышающих несколько ампер, делает использование схемы непрактичным. Все вышесказанное делает нишей целесообразного использования схемы устройства с более высокими напряжениями и токами, чем это возможно реализовать на большинстве интегральных схем.

В триггере Шмитта использованы два транзистора
Рисунок 3. Дополнения для практической реализации.

На Рисунке 3 изображена схема из Рисунка 1, в которую добавлены три дополнительных компонента, сделавших ее пригодной для множества практических приложений. Диод D1 защищает переход база-эмиттер транзистора Q1 от пробоя в том случае, если в выключенном состоянии напряжение не эмиттере превысит 6…7 В. D2 уменьшает вклад R3 в выходное напряжение открытой схемы. D2 особенно необходим в случае, если R3 вы сделаете равным или меньшим R2. R4 способствует более уверенному закрыванию транзистора Q2 и предохраняет его от включения током утечки Q1.

В качестве Q2 можно использовать транзистор Дарлингтона. (Аналогичная замена транзистора Q1 существенного выигрыша не даст). Кроме того, любой из транзисторов, или оба можно заменить на MOSFET, соответствующим образом изменив расчетные уравнения.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Schmitt trigger uses two transistors

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Прецизионный высоковольтный операционный усилитель ADA4097−1 с низким потреблением от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Вроде бы работает. Пороги срабатывания примерно 540 и 580 мВ. Но мне кажется, не стоит огород городить, в микросхеме 74HC14 их 6 штук, пороговые напряжения симметричны относительно питания и термонезависимы, выходной сигнал квадратен, входное сопротивление огромное, быстродействие хорошее, сотовую сеть не ловит, и цена смешная.
  • А никто на микрухи и не покушается :) Чётко обозначено - для высоковольтных и сильноточных устройств...