Nr ćw.	Temat ćwiczenia	Data	Ocena	Podpis
21.	Badanie przerzutników bistabilnych.	2000-02-29

1. Narysować schemat ideowy przerzutnika bistabilnego i dokonać analizy jego działania.

2. Zapoznać się z budową modelu do badania przerzutników.

3. Dobrać elementy zapewniające prawidłową pracę przerzutnika bistabilnego.

4. Zestawić układ badanego przerzutnika.

5. Dla przerzutnika pozostającego w stanie stabilnym dokonać pomiaru napięć w charakterystycznych punktach obwodu.

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

7. Przeprowadzić obserwację przebiegów napięcia w charakterystycznych punktach badanego układu - U_BE (t), U_CE (t) podczas cyklicznego przełączania pomiędzy stanami pracy.

8. Zestawić układ do badania przerzutnika bistabilnego Schmitta.

9. Przerysować przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego i na ich podstawie wykreślić charakterystykę przejściową układu U_WY = f(U_WE) oraz opisać jego zasadę działania.

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

Przerzutnik bistabilny

Przykładowe układy automatycznego wyzwalania :

R_C = 1 k

R₁ = 47 k

Przerzutnik bistabilny jest to układem, który może znajdować się w jednym z dwóch stanów równowago stałej. Może pozostać w jednym stanie tak długo, dopóki nie pojawi się odpowiedni impuls wyzwalający lub diametralnie nie zmienią się warunki pracy układu. Czyli każdą zmianę muszą wymusić sygnały zewnętrzne.

Gdyby rozpatrywać powyższy układ przerzutnika bistabilnego w praktyce, okazuje się, że nie ma on prawa działać. Jeżeli założylibyśmy idealną symetrię układu (jednakowe rezystancje, tranzystory o identycznych parametrach, wszystkie elementy pracują w jednakowej temperaturze) to najprawdopodobniej oba tranzystory pracowałyby w stanie aktywnym i w układzie nic by się nie działo. Niestety człowiek nie jest w stanie przy najnowocześniejszych nawet technologiach wyprodukować tranzystorów o identycznych parametrach, nie mówiąc o rezystorach (w modelu zapewne zastosowano najpopularniejsze rezystory o tolerancji 20%). Z powyższych powodów zaraz po włączeniu zasilania, na pewno jeden z tranzystorów będzie pracował w stanie zatkania a drugi w stanie nasycenia. Układ posiada dwa komplementarne wyjścia połączone z kolektorami tranzystorów. Zawsze na jednym z nich będzie napięcie równe napięciu nasycenia danego tranzystora, a na drugim napięcie będące równe napięciu zasilającemu pomniejszonemu o spadek napięcia na rezystorze R_C. Można powiedzieć, że tranzystory pracują jako wzajemnie przełączające się klucze tranzystorowe.

Jeżeli na samym początku będzie przewodził tranzystor T₁, to na jego kolektorze będzie napięcie ok. 0,1 - 0,2 V, które zostanie podane przez rezystor R₁ na bazę T₂. Takie napięcie jest niewystarczające aby go wysterować, więc T₂ będzie zatkany. Napięcie na kolektorze T₂ będzie prawie równe napięciu zasilania i będzie ono jakby dodatkowo polaryzować bazę T₁. Jak widać taki stan jest bardzo stabilny.

Aby móc obserwować zmienne przechodzenie tranzystorów w stan zatkania i nasycenia należy dołączyć odpowiednie układy wyzwalające. Za pomocą impulsów wyzwalających z generatora, można przy odpowiednim szczęściu zmusić układ do przełączania. Nam jednak ta sztuka nie chciała się udać. Najskuteczniejsze okazały się jak zwykle metody najprostsze, czyli ręczne. Zmienić stan przerzutnika można np. poprzez połączenie bazy tranzystora przewodzącego z masą czy połączenie bazy tranzystora zatkanego z napięciem zasilania (oczywiście poprzez rezystor zabezpieczający), czy bardziej brutalne (jednorazowe) - połączenie kolektora tranzystora zatkanego z masą, odłączenie emitera tranzystora przewodzącego…

Do zmieniania stanów posłużyliśmy się doprowadzaniem napięcia do bazy odpowiedniego tranzystora. Wystarczy jeden krótki impuls, aby zmienić stan przerzutnika. Po jego zaniku układ zostaje przełączony i pozostaje w tym stanie dowolnie długo (aż do następnego odpowiedniego impulsu). Marzył nam się przełącznik, aby wygodnie doprowadzać napięcie do bazy raz jednego, a raz do drugiego.

Dokonaliśmy pomiarów napięć charakterystycznych w stanach stabilnych :

I STAN	T1	T2
UBE	0,712 V	0,078 V
UCE	0,08 V	9,17 V

II STAN	T1	T2
UBE	0,091 V	0,715 V
UCE	9,2 V	0,09 V

Potwierdzają się powyższe stwierdzenia - zawsze jeden z tranzystorów przewodzi a drugi jest zatkany. Widać doskonale iż tranzystory różnią się parametrami - napięcia na bazach oraz kolektorach są różne dla jednego i drugiego tranzystora.

Działanie takiego przerzutnika bistabilnego można porównać z przerzutnikiem rs. Jeżeli przyjąć aktywny sygnał jako 1 i jako wyjście Q kolektor tranzystora T₂, to jego bazę można potraktować jako wejście Reset, a bazę T₂ jako wejście Set. Różnica może polegać na tym, że działanie takiego przerzutnika będzie nieprzewidywalne zarówno przy jednoczesnym ustawieniu wejść na 00 jak i na 11.

Przerzutnik bistabilny Schmitta.

Układ Schmitta jest przerzutnikiem bistabilnym zamieniającym zmienne sygnały napięciowe na sygnał cyfrowy - falę prostokątną o stromym zboczu. Dla odpowiednich napięć (wyższych lub niższych od progów przełączania) układ pracuje w stanie stabilnym, tj. jeden tranzystor przewodzi, a drugi jest w stanie zatkania. W pośrednim zakresie napięć, układ utrzymuje taki sam stan, jaki miał uprzednio. Przerzutnik Schmitta realizuje charakterystykę z histerezą. Przy wzroście napięcia wejściowego przełączenie w stan wysoki (0 1) następuje przy wyższym progu napięcia. Przełączenie z powrotem w stan niski (1 0) wymaga spadku napięcia wejściowego poniżej dolnego progu przełączania, który jest mniejszy od górnego. Dwa poziomy przełączania zapewniają, że układ zmienia stan, wtedy gdy jest naprawdę „pewny”, że napięcie wejściowe rzeczywiście spełniło warunek przełączenia. Przerzutniki Schmitta są najczęściej elementami układów wejściowych układów cyfrowych, czyli tam gdzie np. trzeba przekształcić jakiś sygnał w falę prostokątną, przekształcić wolno narastające zbocza itp. W standardowych układach np. bramkach, układ Schmitta nie występuje (zwiększa on koszt wykonania układu, zmniejsza szybkość i pobór prądu). Lecz każdy układ, bramka ma swoją drugą wersję z tymże przerzutnikiem. W standardowej bramce (z jednym progiem przełączania) np. wolno zmieniający się sygnał + pojemności bramki + sprzężenia zwrotne = wzbudzenie bramki lub w najlepszym wypadku nieprzewidywalne zmiany stanów. Za pomocą potencjometru P₁ regulujemy wstępną polaryzację T₁ a za pomocą P₂ prądy kolektorów tranzystorów. Im mniejsza wartość P₂ tym osiągamy bardziej stromą histerezę. Zbyt duża jego wartość odbija się niekorzystnie na działaniu układu.

W ćwiczeniu na wejście układu podaliśmy sygnał sinusoidalny o amplitudzie 8 V i częstotliwości 500 Hz. Dane przebiegu wyjściowego :

Poziom H : 5 V

Poziom L : 2,4 V

Próg przełączania L H : 2,78 V

Próg przełączania H L : 1,74 V

Przebieg wejściowy i wyjściowy :

Histereza przerzutnika :

Przyrządy użyte w ćwiczeniu :

• Zasilacz - praca dyplomowa K. Leja III TE 93/94

• Model - praca dyplomowa L. Nawrocka, A. Kusina

• Oscyloskop cyfrowy

• Mierniki cyfrowe :

YF-3503 III / I / 441 PE

III / I / 432 PE

YF-1075 III / I / 417 PE

III / I / 419 PE

---