K620ZENT 620ZENT – Základy elektroniky Základy elektroniky Přednáška č. 6 Přednáška č. ř d ášk č 6 O Osnova: 1. Klopné obvody 2 Univerzální obvod 555 2. Univerzální obvod 555 3. Oscilátory
Bistabilní klopný obvod
Po připojení ke zdroji napájecího napětí se obvod ustálí tak, že jeden tranzistor bude otevřen a druhý zahrazen. Zavedeme-li v libovolném čase do báze otevřeného tranzistoru záporný impuls, začne se tento tranzistor zavírat, jeho kolektorové napětí roste, tento vzrůst se přenese na bázi druhého tranzistoru, ten se otevírá, děj probíhá lavinovitě, až se původně zahrazený tranzistor úplně otevře a původně otevřený tranzistor úplně zahradí.. Tím skončí překlápění a obvod setrvává v tomto stabilním stavu až do příchodu dalšího spouštěcího impulsu. Spouštět lze i zavedením kladného impulsu do báze zahrazeného tranzistoru. Spouštěcí impuls je vždy třeba přivést přes omezovací rezistor, nikdy nesmí být přiloženo plné napětí, aby nedošlo k destrukci tranzistoru.
Monostabilní klopný obvod
V klidové poloze bude tranzistor T1 zahrazen a tranzistor T2 otevřen. V tomto stavu se bude kondenzátor C nabíjet na naznačenou polaritu. polaritu Pokud přivedeme kladný impuls do báze zahrazeného tranzistoru T1 nebo záporný impuls do báze otevřeného tranzistoru T2, obvod se překlopí a kondenzátor C se bude přes odpor RB2 a otevřený T1 vybíjet. Bude se vybíjet k nule a pak na opačnou polaritu než je naznačeno. V okamžiku, kdy napětí na kondenzátoru dosáhne prahového napětí B-E T2, T2 se otevře, jeho kolektorové napětí klesne na nulu, nulu tato záporná změna se přenese do báze T1, T1 se zahradí a obvod se dostane do výchozí klidové polohy. V ní bude vyčkávat příchodu dalšího spouštěcího impulsu.
Astabilní klopný obvod
Když bude tranzistor T1 zahrazen a tranzistor T2 otevřen. otevřen V tomto stavu se bude nabíjet kondenzátor C2 v obvodu +Ucc – RC1 – C2 – T2(B-E) – zem. Současně se bude vybíjet kondenzátor C1 (nabitý v předchozím cyklu) v obvodu +Ucc – RB1 – C1 – T2(C-E) – zem. Bude se vybíjet k nule a pak na opačnou polaritu, než je naznačeno. V okamžiku, kdy napětí na něm dosáhne prahového napětí přechodu B-E T1, T1 se otevře, otevře jeho kolektorové napětí klesne k nule, nule tato záporná změna se přenese přes C2 na bázi T2 a ten se uzavře. V tomto stavu se bude nabíjet kondenzátor C1 v obvodu Ucc – RC2 – C1 – T1(B-E) –zem. Současně se bude vybíjet kondenzátor C2 v obvodu Ucc – RB2 – C2 – T1(CE) – zem. Bude se vybíjet k nule a pak na opačnou polaritu, než je naznačeno. V okamžiku, kdy na něm napětí dosáhne prahové hodnoty přechodu B-E B E tranzistoru T2, T2 T2 se otevře, otevře jeho kolektorové napětí klesne k nule,tato nule tato záporná změna se přenese přes C1 do báze T1 a T1 se zahradí. Tento děj se periodicky opakuje, než vypnou proud.
Astabilní klopný obvod - pokračování Vzhledem k tomu, že kondenzátor C1, resp. C2 je nabíjen vždy přes kolektorový rezistor, dochází k silnému zatížení výstupního obvodu a výstupní impuls je zkreslen. Abychom toto zkreslení odstranili, je třeba zajistit nabíjení kondenzátoru z jiného odporu než kolektorového.
Právě zapojení z obr. a s korekčními diodami se často používá. Kondenzátor se nabíjí přes odpor R1, nabíjení přes RC1 brání záporně polarizovaná dioda D1. Pro vybíjení přes RB2 a otevřený T1 je dioda D1 polarizovaná propustně.
Univerzální obvod 555 - časovač
K ovládání RS klopného obvodu (RSKO) nepřímo slouží vývody 2 a 6, jejich napěťové urovně jsou porovnávány komparátory s 1/3 a 2/3 napájecího napětí (Vcc). Klesne-li napětí na vstupu 2 pod 1/3 Vcc přepne se RSKO do log. H (napětí alespoň 2,5 V). A naopak – přesáhne-li napětí na vstupu 6, označevaném jako práh, 2/3 Vcc RSKO se dostane do log. L (napětí 0 V). Zároveň se otevře tranzistor a na vývod 7 (vybíjení) se dostane záporné napájení. Toho se nejčastěji využívá právě k vybití kondenzátoru.
Univerzální obvod 555 – aplikace Astabilní klopný obvod
Po připojení napájecího napětí se začne kondenzátor C nabíjet přes rezistory R1 a R2, během tohoto procesu je na výstupu (3) Log. L (zesilovač invertuje signál z RSKO). Spojené vstupy 2 a 6, kontrolují napětí na kondenzátoru C, jakmile dosáhne 2/3 Vcc, RSKO se překlopí a na vývodu vybíjení (7) se objeví nulové napětí. Kondenzátor se začne přes R2 vybíjet až do doby, kdy jeho napětí dosáhne 1/3 Vcc, v ten okamžik se opět překlopí RSKO a kondenzátor se znovu nabíjí přes R1 a R2. Celý děj se opakuje dokud je přítomno napájecí napětí. Střída výstupního signálu není 1:1 neboť se kondenzátor nabíjí přes R1 i R2, ale vybíjí se jen přes R2.
T= t1 + t2 = 0,693(Ra + 2.Rb).C
Univerzální obvod 555 – aplikace Monostabilní klopný obvod
Zapojení se nachází v klidu, RSKO má úroveň. L, tranzistor je tedy otevřený a přes vývod 7 zkratuje kondenzátor, který se tak nemůže nabíjet. Až spouštěcí impulz v podobě spojení vývodu 2 se zemí překlopí RSKO a kondenzátor C se začne přes rezistor R nabíjet. Jakmile dosáhne napětí na kondenzátoru 2/3 Vcc RSKO se opět překlopí a kondenzátor se vybije. vybije V tomto stavu setrvává obvod až do dalšího spouštěcího impulsu. Doba nabíjení kondenzátoru, tedy doba, po jakou je na výstupu Log. L je opět vyjádřena vztahem: T = 1,1 × R × C
Oscilátory selektivní l ki í člen (fosc)
A zesilovač
zpětná vazba
Obecně jsou oscilátory všechna zařízení, která vytvářejí periodicky proměnné průběhy fyzikálních veličin Jsou to zařízení, veličin. zařízení které umí generovat napětí sinusového průběhu.
β Princip činnosti : Oscilátor obsahuje zesilovač, který zesiluje vstupní napětí U1, má na výstupu střídavé napětí U2 = U1, Au s fázovým posunem ϕ. Výstup je zatížen zátěží Rz a zpětnovazebním článkem. Toto má oproti napětí fázový posun β. Oscilace vznikají díky kladné zpětné vazbě, zavedené z výstupu zesilovače na jeho vstup. Oscilátor je schopen kmitat, jsou-li splněny podmínky: 1. rovná-li se U2 = U1 Æ Au=1 – amplitudová podmínka, 2. úhly ϕ + β = 2.π.k, kde k = Z(0,1,2…) – fázová podmínka. Existují 3 případy : a) jestliže k . Au < 1 – tlumené kmitání, amplituda klesá b) jestliže k . Au = 1 – pro držení držení, amplituda je stejná c) jestliže k . Au > 1 – pro start oscilátoru, amplituda roste Podle druhu řídícího obvodu, který určuje oscilační frekvence, dělíme oscilátory na : 1) krystalové oscilátory oscilátory, 2) RC oscilátory, 3) LC oscilátory.
Krystalové oscilátory
- vyznačují se především svou vysokou stabilitou. Řídící člen je tvořen piezoelektrickým rezonátorem, což je destička vhodně vyříznutá z křemene, křemene nebo jiného piezoelektrického krystalu. Tato destička je volně uložena mezi dvěma kovovými elektrodami. Střídavé napětí přivedené na elektrody rezonátoru způsobí mechanické kmity krystalového výbrusu. výbrusu Amplituda mechanických kmitů dosáhne maxima, jestliže kmitočet ladícího elektrického napětí bude roven vlastnímu mechanickému rezonančnímu kmitotu destičky oscilátoru. Změna amplitudy mechanických kmitů se projevuje jako změna elektrické impedance. Činitel jakosti rezonátoru se pohybuje v řádech 104 až 105.
RC oscilátory RC oscilátor je základním a konstrukčně nejjednodušším typem zpětnovazebního oscilátoru, oscilátoru neboť se obejde bez cívek. Obecně však mají malou stabilitu a obtížně se přelaďují. Používají se již nízkých kmitočtů, kde mnohdy bývají jediným možným řešením. Zpětná vazba je v RC oscilátoru tvořena trojicí shodných RC článků, z nichž každý posouvá fázi signálu o 60 stupňů. Jako zesilovač je obvykle používán tranzistor v zapojení se společným emitorem, otáčející fázi o 180 stupňů výsledný fázový posun je tedy 360 stupňů. stupňů, stupňů Při splnění podmínky zesílení, rovného 1 produkuje oscilátor čistý sinusoidální signál s frekvencí, úměrnou převrácené hodnotě ze součinu RC. Konstanta úměrnosti závisí na činiteli zesílení tranzistoru. tranzistoru
LC oscilátory Jako aktivní prvek se vzhledem k nejčastější kmitočtové poloze (MHz…GHz) (MHz GHz) nejčastěji užívá tranzistor (bipolární, FET) nebo jednoduchá tranzistorová struktura (IO). Základním problémem návrhu je optimalizace vzájemného přizpůsobení parametru tranzistoru a LC obvodu. Pro bezpečný start oscilátoru je nutný vyšší počáteční poměr β ⋅ A > 1 . Každé zapojení oscilátoru proto musí zajišťovat automatickou regulaci zisku aktivního prvku nebo přenosu zpětnovazební smyčky, což bývá u LC oscilátorů zajištěno nelinearitou tranzistoru a usměrňovací funkcí B-E přechodu. S rostoucí amplitudou kmitů na LC obvodu se tranzistor v důsledku toho přivírá, a tím klesá jeho strmost, amplituda kmitů na LC obvodu se tak stabilizuje. stabilizuje Kmitočet výstupního signálu je dán selektivním obvodem, v našem případě LC obvodem. Pro zajištění spektrální čistoty výstupního signálu je nutné vysoké Qef LC obvodu.
ωL =
1 ωC
ω 2 LC = 1
f0 =
1 2π LC
Crez + Un
Lrez Cf
Příklad Meissnerova LC oscilátoru
T1
R1
Rlin
Cτ Re
Cv
R2
