PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA INSTYTUT POLITECHNICZNY
2004/2005	LABORATORIUM Z AUTOMATYKI I STEROWANIA
Ćwiczenie nr 5	BRAMKA Z UKŁADEM SCHMITTA
Budowa i Eksploatacja Maszyn ST. Zaoczne Semestr III	Dyksik Arnold Stefaniak Łukasz Kania Mateusz
Data wykonania		Data	Ocena	Podpis
2005-04-04	T
	S

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z układem SCHMITTA stosowanym w technice cyfrowej.

2. Wiadomości wstępne

Przerzutnik Schmitta jest to układ dwóch tranzystorów T1, T2, w których między kolektorem tranzystora T1 a bazą T2 wprowadzono sprzężenie przez oporowy dzielnik napięcia R1R2, drugim zaś elementem sprzężenia zwrotnego jest wspólny opornik emiterowy Re. Stan początkowy układu przy zerowej wartości napięcia wejściowego jest taki, że przewodzi tranzystor T2, zaś tranzystor T1 jest zablokowany; wynika to ze sposobu polaryzowania baz tych tranzystorów, gdyż baza tranzystora T1 jest ujemnie polaryzowana przez spadek napięcia na oporniku Re, baza zaś tranzystora T2 - dodatnio przez oporniki R1, R2. Wartość napięcia wyjściowego (napięcie kolektorowe tranzystora T2) jest w stanie spoczynkowym mała, gdyż tranzystor ten pracuje w stanie nasycenia, a spadek napięcia na oprniku jest niewielki. Jeżeli napięcie wejściowe narasta w sposób liniowy, to początkowo nie powoduje to żadnych zmian w układzie, gdyz tranzystor T1 jest nadal zablokowany ujemnym napięciem bazy (dopóki uwe < od Ure) prąd ic1 pojawia się dopiero wtedy, gdy uwe> Ure, rośnie on początkowo liniowo, równoczesnie obniża się liniowo napięcie kolektora Uce1, ta zmiana napięcia przenosi się na bazę tranzystora T2 przez dzielnik R1R2, jednakże tranzystor T2 trwa dalej w stanie nasycenia i jego prąd ic2 nie ulega zmianie. Przy dalszym wzroście napięcia wejściowego następuje takie obniżenie napięcia bazy Ube2, że tranzystor T2 wychodzi z nasycenia i wchodzi w obszar aktywny; w tym momencie oba tranzystory znajdują się w stanie aktywnym, czyli ich wzmocnienia stają się duże i zostaje spełniony warunek niestabilności układu >> 1. Dodatnie sprzężenie powoduje gwałtowny przeskok układu, prąd ic1 szybko rośnie, prąd, ic2 równocześnie maleje do zera, odpowiednio zmieniają się także skokowo napięcia kolektorowe obu tranzystorów. Dalszy wzrost napięcia wejściowego nie powoduje już większych zmian w rozpływie prądu, jedynie dojście tranzystora T1 do stanu nasycenia.

Jeżeli napięcie wejściowe będzie się zmieniać w odwrotnym kierunku (a więc będzie liniowo opadać), to zajdą podobne przebiegi o przeciwnym znaku, czyli nastąpi przeskok układu, powodujący zablokowania tranzystora T1 i przepływ prądu tranzystora T2; przeskok następuje jednak przy innej nieco wartości napięcia wejściowego niż w poprzednim przypadku, co wskazuje na istnienie niejednoznaczności charakterystyki; charakterystyka układu u2 = f(uwe) ma przebieg typowego układu przekaźnikowego ze strefą nieczułości, przy czym jest to przekaźnik sterowany napięciowo. Przerzutnik Schmitta bywa często stosowany do przetwarzania napięcia sinusoidalnego na impulsy prostokątne o tej samej częstotliwości.

Jak przebiega praca przerzutnika w układzie Schmitta
    Gdy napięcie na wejściu (napięcie sterujące) jest równe zeru, tranzystor T₁ nie przewodzi. W tym czasie tranzystor T₂ przewodzi, gdyż otrzymuje on odpowiednią polaryzację z dzielnika R_C1, R₁, R₂. Dzielnik polaryzujący tranzystor T₂ (głównie R_C1 ) jest tak dobrany, aby tranzystor T₂ nie pracował w stanie nasycenia. Prąd płynący przez przewodzący tranzystor powoduje spadek napięcia na rezystorze emiterowym R_E, a to z kolei powoduje głębsze zatkanie tranzystora T₁.

    Zwiększenie napięcia wejściowego powyżej pewnego poziomu wywołuje przewodzenie tranzystora T₁ i szybki przerzut układu do drugiego stanu. W tym stanie napięcie na kolektorze tranzystora T₁ maleje, a więc maleje również napięcie na bazie tranzystora T₂, który przestaje przewodzić. Układ pozostaje w swym drugim stanie dopóty, dopóki poziom sygnału wejściowego pozostanie ponad tzw. poziomem progowym. Napięcie wyjściowe w tym stanie osiąga swą wartość maksymalną. Gdy napięcie sterujące tranzystor T₁ zmaleje, nastąpi wzrost napięcia na kolektorze tranzystora T₁, a więc również wzrost napięcia na bazie tranzystora T₂, tak że tranzystor T₂ zacznie przewodzić i nastąpi przerzut do pierwszego stanu układu.

    Z podanego opisu wynika jedno z typowych zastosowań przerzutnika Schmitta. Mianowicie, jeżeli ten przerzutnik pobudzi się napięciem sinusoidalnym, to na wyjściu pojawia się przebieg prostokątny. Jest to często stosowana metoda uzyskiwania przebiegów prostokątnych. Układ Schmitta wykorzystuje się również - dzięki jego właściwościom - jako tzw. dyskryminator amplitudy lub detektor poziomu (rys 6). Istnieją liczne modyfikacje układowe przerzutnika Schmitta.

Rys. 6 Przykład działania przerzutnika Schmitta: na wejściu sygnał analogowy, na wyjściu prostokątny

3. Wnioski

Gdy napięcie wejściowe jest niższe od U₁, to tranzystor T₁ jest zatkany, wobec czego T₂ przewodzi, a więc U_E to spadek napięcia wywołany prądem płynącym przez T₂.

Gdy napięcie wejściowe osiągnie wartość U­₁, to T₁ zacznie przewodzić. Przez R_E popłynie teraz większy prąd, gdyż przez chwilę obydwa tranzystory będą przewodzić. U_E zwiększy swoją wartość, co spowoduje zatkanie, T2 (bo zmniejszy się napięcie między jego bazą a emiterem). Dodatkowo w wyniku wchodzenia T₁ w stan nasycenia zmniejszy się napięcie U_C1, co także przyczyni się do zatkania T₂. Po chwili tranzystor T₁ będzie w stanie pełnego nasycenia. Cały prąd płynący, przez RE będzie płynął, od T₁. Tak, więc spadek napięcia U_E będzie teraz równy:

Gdy napięcie wejściowe zmniejszy się do U₂, to T₁ się zatka, natomiast T₂ zacznie przewodzić. Warunkiem przerzutu jest, aby U₁<U₂. Będzie on spełniony, gdy R_C1>R_C2.

Ponieważ przez T₁ płynie mniejszy prąd niż przez T₂, to spadek napięcia U_E jest mniejszy, gdy przerzutnik jest w stanie 1, co jest widoczne na przebiegach.

Różnice między U_C1 a U_C2 są wynikiem różnych sposobów sterowania obydwoma tranzystorami. Mianowicie, gdy T₁ przechodzi z zatkania w nasycenie, to jest to spowodowane narastaniem napięcia na jego bazie. Moment wejścia w pełne nasycenie zależy od szybkości, z jaką sygnał wejściowy osiągnie odpowiednią wartość. Natomiast, gdy T₂ przechodzi z zatkania w nasycenie, to jest to spowodowane zwiększeniem napięcia U_C1. Ponieważ jednocześnie wzrasta U_E, T₁ szybciej się zatyka, a więc napięcie U_C1 wzrasta itd. Takie sprzężenie zwrotne powoduje, że T₂ znacznie szybciej zmienia swój stan. Tak, więc najlepszym wyjściem przerzutnika jest napięcie U_C2, gdyż U­_C1 zbyt wolno się zmienia (nie ma cyfrowego charakteru).

---