Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
1
Tranzistorové klopné obvody
Obsah:
-základní pojmy, rozdělení, popis
-astabilní klopné obvody (AKO)
-monostabilní klopné obvody (MKO)
-bistabilní klopné obvody (BKO)
-Schmittův klopný obvod (SKO)
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
1
2
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
Klopné obvody (KO)
Nejjednodušší sekvenční obvody (stav výstupu závisí na kombinaci vstupních proměnných a navíc ještě na
předchozím stavu výstupu tohoto členu, zjednodušeně jde o kombinační obvod + paměť)
Elektronický obvod, který má 2 stavy. V nich zůstává určitou dobu nebo trvale. Přechod z jednoho stavu do
druhého je velice rychlý. Říkáme, že obvod překlápí. Využívá vlastností dvou tranzistorů ve spínacím režimu.
Provedení KO (dle součástkové základny)
-tranzistorové
-integrované (digitální, analogové)
Charakteristika KO (tři hlavní skupiny)
Astabilní klopný obvod (AKO), multivibrátor
-žádný stabilní stav, stále mění stavy, samostatně se překlápí s určitou frekvencí
-jako generátory pravoúhlých signálů, jako periodické spínače
Monostabilní klopný obvod (MKO)
-má pouze jeden stabilní stav, do nestabilního stavu ho překlápí na krátkou dobu vnější impuls
-jako zpožďovací člen nebo pro prodloužení impulzu
Bistabilní klopný obvod (BKO)
-má dva stabilní stavy, do opačného stabilního stavu ho překlápí každý další vnější impuls
-jako logický prvek pro zapamatování informace
Schmittův klopný obvod (SKO), (trigger)
-patří k BKO řízeným jedním vstupem
-je v podstatě BKO, který se překlápí z jednoho stavu do druhého v závislosti na frekvenci vstupního signálu
-jednodušeji řečeno, obvod dodržuje stejnou frekvenci, s jakou přichází střídavý signál na jeho vstup
-přitom převádí libovolný napěťový průběh na obdélníkový
-(případně na ostré špičky (po průchodu derivačním členem)
-používá se proto k úpravě obecného tvaru impulsu na pravoúhlý (obdélníkový)
-začne plnit svoji funkci, jakmile vstupní napětí dosáhne určité prahové hodnoty, nutné pro změnu stavu SKO
-někdy se mu proto říká prahový člen nebo detektor úrovně napětí
Klopné obvody
patří mezi sekvenční obvody. Současný stav jejich výstupů je závislý nejen na okamžitých hodnotách vstupu,
ale i na předcházejícím stavu výstupu. Mohou si tedy pamatovat informaci 1 bitu. U většiny z nich může ke
změně stavu dojit pouze pomoci tzv. hodinového impulsu (buď náběžnou, nebo sestupnou hranou).
Klopný obvod R-S
je nejjednodušším klopným obvodem. Můžeme jej sestavit ze dvou hradel. Úrovni L na vstupu R se na výstupu
Q nastaví úroveň L, úrovní L na vstupu S se na výstupu Q nastaví úroveň H. Slouží k uchování napěťové
úrovně. Na oba vstupy nesmíme současně přivést úroveň L, protože po skončení těchto impulsů by nastal
hazardní stav.
2
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
3
Astabilní klopný obvod
nemá žádnou klidovou polohu, neustále kmitá, je to generátor obdélníkových průběhů.
-obvod neustále kmitá
-pro vysvětlení funkce kmitání na chvíli zastavíme
-např. v okamžiku, kdy je T1 zavřen a T2 otevřen
-v tomto stavu se C2 bude nabíjet
-(v obvodu +Ucc, RC1, C2, bT2, eT2, zem)
-současně se bude vybíjet kondenzátor C1
-(nabitý v předchozím cyklu)
-(v obvodu +Ucc, RB1, C1, kT2, eT2, zem)
-C1 se bude vybíjet k nule
-a pak nabíjet na opačnou polaritu, než je značeno
-C1 dosáhne prahového (otvíracího) napětí na beT1
-T1 se otevře, jeho kolektorové napětí klesne na nulu
-tato záporná změna se přenese přes C2 do bT2 (bT2=0V)
-T2 se tak zavře
-v tomto stavu se bude nabíjet kondenzátor C1
-(v obvodu Ucc, RC2, C1, bT1, eT1, zem)
-současně se bude vybíjet kondenzátor C2
-v obvodu Ucc, RB2, C2, kT1, eT1, zem)
-C2 se bude se vybíjet k nule
-a pak se nabíjet na opačnou polaritu, než je naznačeno
-C2 dosáhne prahové (otvírací)hodnoty přechodu beT2
-T2 se otevře, jeho kolektorové napětí klesne k nule
-tato záporná změna se přenese přes C1 do bT1
-T1 se tak zavře
-děj se periodicky opakuje, než vypnou proud.
-na obrázku jsou časové průběhy napětí v AKO
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.
Na obrázcích máme zapojení k zabránění deformace výstupního impulsu
Právě zapojení s korekčními diodami se často používá. C2 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.
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
3
4
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
AKO někdy nazýváme multivibrátorem, Je to druh generátoru, který generuje trvalé kmity nezávisle na
vnějším vlivu. Je však možné ho synchronizovat. Na výstupu dává souvislý sled přibližně pravoúhlých
impulsů, s proměnnou střídou. Základní zapojení ukazuje obr.1.45. Podmínkou k rozkmitání obvodu je kladná
zpětná vazba, vedená z výstupu na vstup prostřednictvím kondenzátorů (platí pro oba tranzistory). Z podstaty
zapojení dále vyplývá, že je-li jeden tranzistor otevřený, druhý je zavřený. Otevřený tranzistor má napětí na
kolektoru zcela nepatrné, takže kolektor můžeme považovat za propojený se záporným pólem zdroje. U
zavřeného tranzistoru je napětí kolektoru stejné jako napětí zdroje.
Popis činnosti
vychází ze situace, kdy T1 je otevřen a T2 zavřen. C2 je ještě nabytý:
vývod u bT1 má kladné napětí, u kT2 je záporné napětí. C1 je polován
opačně, takže vývod spojený s bT2 má zápornou polaritu. V tomto
stavu oba kondenzátory podporují ustálený stav klopného obvodu.
Přitom probíhá vybíjení kondenzátorů, a to tak, že záporný pól C2 je
propojen přes pracovní odpor R4, kladný pól přes otevřený přechod
B-E prvního tranzistoru. Tím se zmenšuje kladné napětí na bT1 a
připravuje se změna (uzavření T1). Následně a plynule přechází C2 na nabíjení kladným napětím, z kT2 přes
R4.
Současně s C2 se vybírají i druhý kondenzátor C1, a také u něho se polarita elektrod mění. Uplatňuje se přitom
kladné napětí přivedené přes R1. Je zřejmé, že napětí na bT2 stoupá, zatímco na bT1 klesá. Když je nabíjení
kondenzátorů ukončeno, dochází ke změně stavu (obvod se překlopí). T2 se otevře, T1 zavře. Polarita napětí
na kondenzátorech (než se opět změní) nějakou chvíli stabilizuje současný stav.
Náboj C1 se postupně zmenšuje, protože se vybíjí přes R3 a otevřený přechod B-E druhého tranzistoru. Na bT2
proto napětí klesá. Současně napětí na bT1 stoupá, C2 se nabíjí kladně přes R2. Obvod se znovu překlápí, T1 se
otevírá, T2 zavírá. Popsaný děj se stále opakuje. Doba, po kterou je tranzistor T1 ve vodivém stavu, závisí na
časové konstantě RC členu:
Pro T1 platí t1 = 0,69.R1.C1
Pro T2 platí t2 = 0,69.R2.C2
AKO na obrázku pracuje v pásmu akustických kmitočtů. Potenciometrem P se mění časová konstanta RC
členu, a tím i kmitočet
AKO je dvoustupňový tranzistorový zesilovač se silnou kladnou zpětnou vazbou. Využívá se k nabíjení a
vybíjení C1 a C2. Dosáhne-li napětí na C1 hodnoty napětí UBE1 potřebného
k otevření T1, tranzistor T1 se otevře. Když se T1 otevře, začne se nabíjet C2
a celý postup se opakuje s T2. Takže tranzistory T1 a T2 se nabíjením
kondenzátorů pravidelně otevírají a zavírají – obvod překlápí, nemá trvalý
stabilní stav, proto se mu říká astabilní.
f = 1/ (T1 + T2), kde T1 ≅ 0,7.τ1 ≅ 0,7. RB1 . C1 (tranzistor T1 se otevře)
T2 ≅ 0,7.τ2 ≅ 0,7. RB2 . C2 (tranzistor T2 se otevře)
AKO v provedení s hradly TTL:
Astabilní klopné obvody se používají jako samokmitající
generátory periodických impulsových průběhů.
4
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
5
Monostabilní klopný obvod
-má jeden stabilní stav, v němž může setrvat libovolně dlouho, spouštěcím impulsem ho lze vychýlit do
kvazistabilního stavu, v němž setrvá po určitou dobu (doba kyvu) a poté se vrátí zpět do stabilního stavu.
-v klidové poloze bude T1 uzavřen a T2 otevřen
-C2 se tak bude nabíjet na naznačenou polaritu
-přivedeme kladný impuls do báze zavřeného T1
-(nebo záporný impuls do báze otevřeného T2)
-obvod se překlopí, T1 otevře, T2 uzavře
-C2 se bude přes RB2 a otevřený T1 vybíjet do nuly
-a pak nabíjet na opačnou polaritu, než je naznačeno
-C2 dosáhne prahového (otvíracího) napětí na beT2
-T2 se otevře, jeho kolektorové napětí klesne na nulu
-tato záporná změna se přenese do bT1 (bT1=0V)
-T1 se tak uzavře
-obvod se dostane do výchozí klidové polohy
- T1 uzavřen, T2 otevřen
- vyčkává příchodu dalšího spouštěcího impulsu
Pro urychlení překlápění se můžeme setkat se zapojením tzv. urychlovacího kondenzátoru C1 o relativně malé
kapacitě. C1 má za úkol vázat na sebe náboj otevřeného přechodu B-E v okamžiku přechodu tranzistoru
z vodivého do nevodivého stavu (podobně jako u BKO).
Záporné napětí (-UP) je tzv. přídržné napětí, které má za úkol zatlačit pracovní bod zavřeného tranzistoru
dovnitř oblasti uzavření (potvrdit uzavření tranzistorů)
Urychlovací kondenzátor
připojuje se paralelně k rezistoru v obvodu báze tranzistoru. Slouží ke zrychlení
dějů v oblasti přechodu báze – emitor, při změnách stavu tranzistoru,
s přicházejícími vstupními signály. Využití nachází u klopných obvodů, ale i
v samostatných spínacích obvodech.
Praktický význam urychlovacího kondenzátoru se projeví při spínání tranzistoru.
Dochází k velmi příznivému průběhu proudu báze, v porovnání s činností téhož
obvodu bez kondenzátoru. Pouze po dobu náběhového kolektorového proudu se
proud báze krátkodobě zvýší (IR + IC), aby vzápětí klesl. Odpadá tak nutnost
značného přesycení tranzistoru, kvůli dosažení strmé čelní hrany průběhu. Při následné změně stavu, tj.
s příchodem záporného napětí na bázi, zkrátí kondenzátor přepínací dobu při zavírání tranzistoru a zachová
strmou týlovou hranu.
Kondenzátor přenese přicházející napětí formou velmi krátkého derivačního vstupního (výstupního) impulsu.
Derivační účinek se přitom projeví pouze na čele (týlu) průběhu, přičemž temeno průběhu (uvažujeme
pravoúhlý impuls) zůstane beze změny.
Kromě strmějšího čela může vzniknout i překrmit u čela a týlu. Dobře je to patrné z obrázku, kde je derivační
člen C, R2 kombinovaný s odporovým děličem R1, R2. Působením
paralelní dvojice R1, C, s malou kapacitou kondenzátoru, se derivace
uplatní pouze v okamžiku přírůstku nebo úbytku napětí. Potom již
článek pracuje jako běžný odporový dělič, až do příchodu další skokové
změny napětí. Odpor R2 představuje celkový vstupní odpor tranzistoru.
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
5
6
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
MKO představuje zapojení, které s příchodem vstupního impulsu
vytváří na výstupu pravoúhlé impulsy konkrétní délky. Přitom
délka a tvar výstupního impulsu prakticky nezávisí na vstupním
impulsu. O délce rozhoduje časová konstanta RC členu v klopném
obvodu. Pro monostabilní klopný obvod je charakteristický pouze
jeden stabilní stav. S příchodem spouštěcího impulsu přechází do
nestabilního stavu, z kterého se vrací (v závislosti na časové
konstantě RC) zpět do stabilního stavu.
Na obrázku je MKO řízený kladným impulsem přes C3. Vytváří na
výstupu pravoúhlé impulsy konkrétní délky, v závislosti na časové
konstantě RC členu.
Popis činnosti
vychází ze stabilního stavu, kdy je T2 vždy otevřený, bT2 je připojená
přes R3 k +UCC. Téměř nulové (záporné) napětí na kT2 se přes R4 dostává k bT1, čímž podporuje stabilní stav,
tj. zavření T1. Přijde-li na bT1 přes C3 kladný impuls, T1 se otevře a na kT1 prudce klesne napětí. Pokles se C2
přenese na bT2, čímž se T2 uzavře. Na kT2 stoupne napětí a přes R4 se dostane k bT1. Kladným napětím na
bT1 udržuje určitou dobu T1 v otevřeném stavu.
Současně probíhá časově ohraničená změna náboje C2. Při stabilním stavu byl levý vývod u kT1 připojen ke
kladnému potenciálu přes R1, druhý vývod byl záporný, přes otevřený přechod beT2. S takovou polaritou byl
C2 nabitý. Nyní je situace opačná. Polarita na obou místech se změnila, C2 se vybíjí a nově nabíjí přes R3
kladným napětím. Druhý vývod je „uzemněn“ přes obvod keT1 a R6. V okamžiku, kdy kladné napětí na bT2
dostatečně stoupne, překlopí se obvod do původního stavu, T2 se otevře, T1 zavře. Zpětná vazba přes R4
podporuje stabilní stav klopného obvodu. Nestabilní stav trval po dobu, kdy C2 měnil polaritu přes R3.
Z kT2 se získá výstupní impuls, jehož délku určuje RC člen, tj. R3, C2. Platí, že šířka impulsu (neboli doba
trvání) t = 0,69.R3.C2 [µsek, MΩ, pF]
MKO má jeden stabilní stav. K překlopení potřebuje napěťový impuls, který se přivede na bázi tranzistoru.
Po připojení k napájení Ucc zůstává obvod ve svém stabilním stavu, T1 je
zavřený a T2 otevřený. Přivedeme-li na bázi T1 kladný impuls, T1 se otevře
a T2 se zavře => obvod se překlopí. Dosáhne-li napětí na kondenzátoru
hodnoty UBE2 potřebné pro otevření T2, T2 samočinně přejde do otevřeného
stavu. Obvod v tomto stavu čeká na příchod dalšího spouštěcího impulsu.
Délka vytvořeného pulsu je dána vztahem:
T ≅ 0,7.τ ≅ 0,7. RB2 . C2
MKO v provedení s hradly TTL:
Monostabilní klopné obvody se používají jako tvarovací obvody
ke zpožďování a prodlužování impulsů, i jako časovače, …
6
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
7
Bistabilní klopný obvod
-má dvě klidové polohy, v každé z nich může setrvat libovolně dlouhou dobu, vnějším impulsem lze klopný
obvod překlopit z jedné do druhé stabilní polohy.
-po připojení ke zdroji UCC se obvod ustálí
-jeden tranzistor bude otevřen a druhý uzavřen
-do báze otevřeného tranzistoru přijde záporný impuls
-tranzistor se začne zavírat
-jeho kolektorové napětí roste
-tento vzrůst se přenese na bázi druhého tranzistoru
-ten se otevírá
-celý děj probíhá lavinovitě (rychle)
-původně uzavřený tranzistor se tak úplně otevře
-původně otevřený tranzistor se tak úplně zavře
-tím skončí překlápění
-obvod setrvává v tomto novém stabilním stavu
-teprve příchodem dalšího spouštěcího impulsu se může opět překlopit do opačného stavu
Spouštět lze i zavedením kladného impulsu do báze zavřeného tranzistoru. Spouštěcí impuls je vždy třeba
přivést přes omezovací rezistor, nikdy nesmí být přiloženo plné napětí, aby nedošlo k destrukci tranzistoru.
Pro urychlení překlápění se můžeme setkat se zapojením tzv. urychlovacích kondenzátorů C1 a C2 o relativně
malé kapacitě. Tyto kondenzátory mají za úkol vázat na sebe náboj otevřeného přechodu B-E v okamžiku
přechodu tranzistoru z vodivého do nevodivého stavu.
Záporné napětí (-UP) je tzv. přídržné napětí, které má za úkol zatlačit pracovní bod zavřeného tranzistoru
dovnitř oblasti uzavření (potvrdit uzavření tranzistorů)
BKO lze spouštět:
Nesouměrně
-spouštěcí impulsy budeme přivádět střídavě na oba vstupy
Souměrně
-spouštěcí impulsy přivádíme na jeden společný vstup přes hradlo
Symetrické spouštění BKO pomocí derivačního článku a diodového hradla
V případě souměrného spouštění dělí obvod kmitočet vstupního signálu na jeho polovinu.
V hudbě to znamená snížení tónu o 1 oktávu.
Lze ho tedy v tomto zapojení použít jako děličku dvěma.
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
7
8
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
BKO (flip-flop) vytváří dva stabilní stavy, které se samovolně nemění a obvod setrvává v kterémkoliv z nich
libovolně dlouhou dobu. Změnu stavu způsobí výhradně spouštěcí
impuls, přivedený na bázi jednoho nebo obou tranzistorů. Základní
schéma BKO je na obrázku. Charakteristickým znakem je stejnosměrné
propojení obou stupňů, tj. prostřednictvím R3, R4, nikoliv pomocí
kondenzátorů. Paralelně připojené kondenzátory C1, C2 s malou
kapacitou slouží pouze ke zkrácení přechodového děje při překlápění
(urychlovací kondenzátory)
Popis činnosti:
Na obrázku máme BKO řízený impulsy střídavé polarity. Jestliže se po
připojení otevře T1, na jeho kolektoru bude nepatrné (nulové) napětí. Přes
R4 se změna napětí dostane k bázi T2 a T2 zavře. Ihned stoupne napětí na jeho kolektoru a kladná polarita se
přes R3 dostane na bázi T1. Tím stabilizuje stav otevřeného T1. Jedná se o první stabilní stav: T1 vede, T2
nevede
Změna tohoto stavu může nastat jedině v případě, že dojde k uzavření T1. Může to způsobit záporný impuls,
přivedený k bázi dosud otevřeného T1, přes R2. V okamžiku se T1 uzavře, na jeho kolektoru prudce stoupne
napětí a kladný impuls se přes R4 dostane k bT2. To stačí k otevření T2, přičemž na jeho kolektoru klesne
napětí k nule. Přes R3 je připojena bT1, kde toto „záporné“ napětí stabilizuje uzavření T1. Vznikl druhý stabilní
stav: T1 nevede, T2 je otevřený.
Jestliže se nyní objeví záporný impuls, uplatní se u otevřeného T2 přes R1. Klopný obvod se znovu překlopí.
Může ale přijít i kladný impuls a dosáhne stejného účinku. Bude na něj reagovat přes R2 dosud uzavřený T1,
takže se otevře. Jak je vidět, situaci kolem spouštěcích impulsů je možné řešit různým způsobem.
BKO se používají v řídících obvodech, jako součást spouštěné ČZ osciloskopu atd.
BKO se připojením na Ucc nastaví do nahodilého stavu. Aby se překlopil do opačného stavu, potřebuje vždy
napěťový impuls přiváděný na vstup C, vstup R slouží k nulování a
vstup S k nastavování požadovaného počátečního stavu. Obvod má
schopnost si pamatovat a přiváděný impuls dělí 2.
Po připojení Ucc přejde KO do náhodného stabilního stavu a čeká na
příchod spouštěcího impulsu. Přijde-li kladný spouštěcí impuls na
bT1, hned se otevře a T2 se zavře. Stav je stabilní, neboť stav T1, T2
se změní až po příchodu dalšího kladného spouštěcího impulsu na
bT2. Tedy pro vytvoření jednoho impulsu je třeba dvou spouštěcích
impulsů. Obvod lze rozšířit ještě o jeden vstup, pomocí diod, odporů
a dvou kondenzátorů, pak každým příchodem impulsu na tento
vstup se KO překlopí do opačného stavu. (Obdoba jako u TTL KOT). R – reset, nulování
S – set, nastavení C (clock) – hodinové impulsy k překlápění
BKOv provedení s hradly TTL
-vyrábí se celá řada BKO, základní z nich jsou RS, D, JK.Na obrázku je zapojení RS klopného obvodu:
Využití bistabilních klopných obvodů:
1. využívá se schopnosti obvodu zůstat ve stavu 0 (1) neomezenou dobu => má paměť
2. využívá se schopnosti, že při spouštění i zkresleným impulsem vytváří obvod přesně
obdélníkové impulsy - tvaruje
3. využívá se schopnosti vytvořit jeden výstupní impuls jako odezvu na dva spouštěcí
impulsy pro dělení frekvence – dělí dvěma
8
Rutar Jaromír, Klopné obvody – Tranzistorové
Download

1 - Rutar