Nr ćw.	Temat ćwiczenia	Data	Ocena	Podpis
22.	Badanie przerzutników monostabilnych.	2000-03-07

1. Narysować schemat ideowy przerzutnika monostabilnego i dokonać analizy działania układu.

2. Zapoznać się z budową modelu do badania przerzutników.

3. Dobrać elementy zapewniające prawidłową pracę układu.

4. Zestawić układ badanego przerzutnika monostabilnego.

5. Dokonać pomiary napięć w charakterystycznych punktach układu, gdy pozostaje on w stanie stabilnym.

6. Dokonać obserwacji przebiegu na wejściu i wyjściu układu formującego impulsy wyzwalające przerzutnik.

7. Przeprowadzić obserwację przebiegów napięć w charakterystycznych punktach badanego układu, gdy jest on sterowany impulsami wyzwalającymi.

8. Zbadać zależność przebiegów od wartości elementów RC i częstotliwości impulsów wyzwalających.

9. W sprawozdaniu zawrzeć opracowanie powyższych zagadnień, oscylogramy (na papierze milimetrowym) i własne wnioski.

Przerzutnik monostabilny

Przerzutniki monostabilne są generatorami pojedynczych impulsów o ustalonym czasie trwania i amplitudzie. Wygenerowanie jednak impulsu musi być zainicjowane zewnętrznym sygnałem wyzwalającym. Przerzutnik taki (jak sama nazwa wskazuje) posiada tylko jeden stan równowagi trwałej. Może w nim pozostać dowolnie długo, chyba że pojawi się impuls wyzwalający. Wtedy układ przechodzi do stanu niestabilnego. Będzie on pracował w nim tak długo jak pozwolą na to wartości pojemności i rezystancji w układzie. Po krótszej lub dłuższej chwili powróci do stanu stabilnego.

Zaraz po włączeniu zasilania tranzystor T1 jest zatkany, a T2 przewodzi. Dla tak dobranych elementów prędzej zacznie przewodzić T2. Prąd bazy T1 zależy od wartości rezystancji 47k + 1k. W chwili t = 0 po włączeniu zasilania kondensator w kolektorze T1 stanowi jednak zwarcie i zwiera on razem końcówki rezystorów po lewej stronie układu. Są one wtedy przez krótką chwilę połączone równolegle i stąd ich rezystancja zastępcza jest mniejsza od 4k7 + 220  Stąd prąd bazy T2 przyjmie większą wartość od prądu I_B T1, czyli zostanie szybciej nasycony. Napięcie na jego kolektorze będzie wynosiło ok. 0,1 - 0,2 V. Napięcie te jest jednocześnie napięciem U_BE tranzystora T1. Jest ono niewystarczające do jego wysterowania, więc zostanie on na pewno zatkany. W międzyczasie został naładowany kondensator do wartości w przybliżeniu równej napięciu zasilania układu. Zwrot napięcia zaznaczono na schemacie. Napięcie na kolektorze T2 jest napięciem wyjściowym układu, a więc w stanie stabilnym wyjście układu znajduje się w niskim stanie logicznym.

W naszym układzie w stanie stabilnym wartości charakterystycznych napięć (przy U_CC = 12,5 V ) przedstawiały się następująco :

U_BE1 = 78 mV

U_CE1 = 12,08 V

U_BE2 = 0,718 V

U_CE2 = 80 mV

Napięcie na kondensatorze (zwrot jak na rysunku) : U_C = 11,34 V

Wyzwolić układ można na dwa sposoby : podając ujemny impuls na bazę tranzystora T2 lub podając impuls dodatni o amplitudzie minimalnej 0,6 - 0,7 V na bazę T1. Obydwa sposoby dają ten sam wynik - chodzi o zatkanie tranzystora T2 i nasycenie T1. Do wyzwalania układu używaliśmy układu całkującego, który w zależności od podłączenia umożliwiał uzyskanie impulsów dodatnich / ujemnych o wysokości równej wysokości fali prostokątnej z generatora lub 0,7 V. Przedstawiony on został na niebiesko (pierwszy przebieg od góry)

Gdy dodatni impuls zostanie podany na bazę T1, zacznie on przewodzić. Napięcie na kolektorze spadnie do 0. Końcówka kondensatora, która miała wyższy potencjał zostanie zwarta do masy, a więc na drugiej pojawi się ujemne napięcie o wartości równej napięciu na kondensatorze w stanie stabilnym ale o przeciwnym znaku. Te duże ujemne napięcie zostanie podane na bazę T2 powodując jego natychmiastowe zatkanie. Na jego kolektorze pojawi się napięcie nieco mniejsze od napięcia zasilania (na wyjściu układu pojawi się „1”), które podtrzyma nasycenie tranzystora T1 przez pewien czas po zaniku impulsu wyzwalającego. Ten stan układu nie jest jednak stabilny. Będzie on trwał tak długo, dopóki napięcie na przeładowywanym przez rezystor R kondensatorze nie osiągnie wartości 0,7 V. Wtedy T2 zacznie przewodzić, szybko spadnie napięcie na jego kolektorze, zatykając tranzystor T1. Układ powróci do stanu stabilnego.

Natomiast jeśli rozpatrujemy wyzwolenie impulsem ujemnym podanym na bazę T2 to : ujemny impuls na bazie T2 spowoduje powstanie dużego ujemnego napięcia na niej, zatkanie T2, nasycenie T1. Kondensator będzie ładowany przez rezystor R, a gdy napięcie na bazie T2 osiągnie 0,7 V zostanie on nasycony - układ wróci do stanu stabilnego.

Nawet ślepy Indianin widzi, że układ trwa w stanie niestabilnym tak długo jak długo kondensator przeładowywuje się do napięcia 0,7 V, czyli zapewnia tranzystorowi T2 wejście w obszar nasycenia. Czyli czas generowanego impulsu zależy od wartości pojemności C i rezystancji R (czyli od stałej czasowej RC). Im większa wartość rezystancji R i pojemności C tym generowany impuls jest dłuższy.

Teoretyczny wzór to :

T = RCln2 = 0,69 RC

Przy wartości R = 20 k i C = 22 nF czas trwania impulsu wynosił ok. 3 ms

Postanowiliśmy jednak pobawić się opornicą dekadową R i pomierzyć czasy trwania impulsów dla różnych jej wartości. Wyniki przedstawia tabela :

Rezystancja R [  ]	T (teoretyczny) [ ms ]	T (zmierzony) [ ms ]
10000	1,518	1,6
20000	3,036	3
25000	3,795	3,7
30000	4,554	4,7

Jak widać wartości obliczone pokrywają się dość dobrze z wielkościami rzeczywistymi.

Odnośnie częstotliwości impulsów wyzwalających - do poprawnej pracy (tzn. do jakiej układ Bozia stworzyła) wymagane jest aby odstępy pomiędzy kolejnymi impulsami wyzwalającymi były dłuższe niż czas generowanego impulsu. Jeśliby np. założyć idealne ujemne impulsy podawane na bazę T2, to zbyt duża ich częstotliwość teoretycznie mogłaby spowodować trwanie układu w stanie niestabilnym przez cały czas podawania impulsów. Nasz przebieg wyzwalający składa się jednak z „długich ujemnych szpilek” i „szpilek dodatnich” o „wysokości” 0,7 V. Jeśli podajemy przebieg o zbyt dużej częstotliwości (tzn. czas pomiędzy dowolnymi szpilkami będzie mniejszy od „zaprogramowanego” przez elementy R i C) na bazę T2, to „ujemna szpilka” spowoduje wygenerowanie impulsu, a pojawiająca się za nią „dodatnia” może (to, czy może zależy od pojemności kondensatora) spowodować przewodzenie T2 i skrócenie generowanego impulsu. Układ nie będzie generował impulsu o ustawionym czasie trwania, ale będzie on jakby zsynchronizowany z impulsami wyzwalającymi. Zwiększanie jednak częstotliwości jest niebezpieczne, bo przesadzenie z nią jest nieprzewidywalne - tranzystory posiadają określoną częstotliwość graniczną, po przekroczeniu której zachowują się różnie. Lepiej nie przesadzać z częstotliwością. Przecież w praktyce przerzutniki monostabilne zazwyczaj są wyzwalane pojedynczym impulsem i nie próbujmy bez potrzeby komplikować sobie życia.

Zaobserwowane przebiegi uwieczniono na wykresach. Ze względu na czytelność i jak najlepsze przedstawienie zasady działania układu nie zachowano skali np. dla różnych częstotliwości generatora podstawy czasu.

Badany przez nas układ był najprostszą wersją przerzutnika monostabilnego. Można taki układ zbudować również np. na bazie bramek logicznych lub wzmacniacza operacyjnego. Produkuje się również scalone przerzutniki monostabilne np. 74121, 74123, mające o niebo lepsze parametry (stabilność, odporność na zakłócenia). Do budowy takiego układu nadaje się przecież również uniwersalny i kochany przez wszystkich NE555. Układ taki zajmie na pewno mniej miejsca niż zbudowany z elementów dyskretnych, łatwiej i szybciej można go zmontować a projektowanie wartości elementów sprowadza się jedynie do wyznaczenia wartości jednego rezystora i 1 kondensatora (nie wszyscy lubią obliczać punkty pracy tranzystorów):

Spis przyrządów :

- generator III / I / 191 PE

• oscyloskop METEX DX 800

• miernik cyfrowy YF-3700 III / I / 429 PE

• model do badania zastosowań tranzystorów unipolarnych

• opornica dekadowa DR6 - 16

R

---