Pod pomenovaním klopné obvody rozumieme také obvody, ktoré môžu nadobúdať najmenej dva fyzikálne rôzne stavy, pri prvom priblížení dochádza pri týchto obvodoch k zmene stavu skokom. Klasické zapojenie je na obr.12.1, dva zosilňovacie stupne so zosilnením A prepojené väzobnými impedanciami Z1 a Z2. Druh impedancie (R alebo C) určuje chovanie príslušného obvodu. Spätná väzba je kladná, každý stupeň pracuje v klopnom režime ("zapnutý - vypnutý" , "on - off ").


Obr.12.1 Všeobecné zapojenie klopného obvodu

Využívame ich na generovanie impulzov určitej dĺžky, amplitúdy a frekvencie, dokážu si pamätať určité stavy, alebo deliť frekvenciu signálu.


12.1 Bistabilný klopný obvod




Obr.12.2 Principiálna schéma bistabilného klopného obvodu

Bistabilný klopný (BKO) obvod zotrváva ľubovoľne dlho v jednom z dvoch stabilných stavov. Zmena nenastane pokiaľ neprivedieme do vstupu V1 alebo V2 impulz vhodnej polarity k preklopeniu. Výstupy obvodu Y1 a Y2 sú vzájomne komplementárne. Väzba medzi stupňami je zabezpečená pomocou odporov R, kapacitory CU len urýchľujú dynamiku preklápania.[12.1][12.2]


Obr.12.3 Tranzistorový bistabilný klopný obvod

Použime zapojenie BKO podľa obrázku 12.3. , nazýva sa tiež flip-flop , alebo binárny obvod. Napätie -UP je pomocné predpätie určené k dokonalému uzatvoreniu tranzistora. Predpokladáme symetrický obvod, t.j. teoreticky T1 a T2 sú rovnaké a zhodné sú aj odporové prvky. Kľudové prúdy tranzistorov by mali byť tiež rovnaké, ale v skutočnosti vplyvom veľkej kladnej spätnej väzby (βA > 1) v obvode je jeden tranzistor v oblasti nevodivej a druhý v oblasti nasýtenia.
         Predpokladajme, že v obvode sa vyskytne z nejakého dôvodu nepatrné zvýšenie kolektorového prúdu tranzistora T1, zväčší sa úbytok napätia na rezistore Rk a napätie v bode Y1 poklesne. Pomocou odporového deliča R a RB sa táto zmena prenesie do bodu V2 , spôsobí uzatvorenie tranzistora T2 a teda zmenšenie jeho kolektorového prúdu. Napätie na jeho výstupe, bod Y2 sa zvýši a cez odporový delič R a RB sa táto zmena prenesie do bodu V1 , kde spôsobí ďalšie otváranie T1 a zvyšovanie jeho kolektorového prúdu. Tento proces sa opakuje až tranzistor T1 bude v stave nasýtenia a T2 v stave uzavretia. [12.1][12.3]

Urýchlenie preklápania BKO..

Ovládanie bistabilného klopného obvodu .


12.2 Schmittov klopný obvod


Často používaný a zaujímavý BKO je tzv. Schmittov obvod na obr.12.6. Odlišnosť od základného zapojenia BKO je v tom, že väzba z výstupu tranzistora T1 je realizovaná odporovým deličom R1 a R2 a väzba z výstupu T2 na vstup tranzistora T1 je prevedená spoločným emitorovým rezistorom RE . Tento obvod predstavuje dvojstupňový zosilňovač s emitorovou spätnou väzbou.

Existencia jedného z dvoch stabilných stavov v obvode je podmienená kladnou spätnou väzbou a potrebou splnenia podmienky prenosu otvorenej spätnoväzobnej slučky βA > 1. Pre vysvetlenie činnosti najprv predpokladajme dva stavy:

   •   βA < 1

   •   βA = 1


Obr.12.6 Schmittov klopný obvod

V prípade, že prenos otvorenej slučky βA > 1, potom prevodová charakteristika bude mať tvar písmena S. Zvyšovaním vstupného napätia u1 od nuly zostáva v svojej najnižšej úrovni pokiaľ napätie u1 nedosiahne prahovú hodnotu UV1 , jej prekročením sa výstupné napätie u2 zmení skokom na hodnotu u2 = U . V prípade ak počiatočná hodnota u1 > UV1 a klesáme smerom k nule pri dosiahnutí UV2 ktoré je menšie ako UV1 sa zmení výstup skokom na najnižšiu úroveň. Tomuto chovaniu obvodu hovoríme "hysterézia" a je to jav, kedy pri zmene vstupného napätia jedným smerom sa prechádza cez hodnotu vstupného napätia, pri ktorej sa realizuje skoková zmena výstupného napätia pri opačnej zmene vstupného napätia. Hysterézii odpovedá UH = UV1 - UV2 . Keď chceme hysteréziu obmedziť tak zvolíme prenos A blízky hodnote 1.

Schmittov klopný obvod sa využíva ako komparátor, generátor napätia obdĺžníkového tvaru, alebo na získanie nespojitého signálu zo spojitého. [12.2]

12.3 Monostabilný klopný obvod

Pre tento obvod je charakteristický jeden stabilný stav, z ktorého prechádza na dobu Ti do kvázistabilného stavu po privedení vhodného vstupného impulzu. Medzi jednotlivými stupňami je väzba realizovaná pomocou kapacitora C a rezistoru R. Doba preklopenia je daná parametrami vlastného monostabilného klopného obvodu.


Obr.12.7 Principiálna schéma monostabilného klopného obvodu

V kľudovom stave (bez vstupného signálu) otvorenie T2 zabezpečíme rezistorom R a uzavretie tranzistora T1 a spätnú väzbu získame deličom R1 a R2 . MKO na obr.12.8 je s väzbou kolektor - báza medzi tranzistormi T1 a T2 realizovanou kapacitou C. Pre optimálnu funkciu musia byť parametre obvodu také , aby sa obvod mohol sám dostať do svojho stabilného stavu v ktorom tranzistor T1 je nevodivý a tranzistor T2 je v oblasti nasýtenia. Pre prechod obvodu do kvázistabilného stavu privedieme kladný spúšťací impulz na bázu T1 .

Správna funkcia obvodu môže byť zabezpečená aj bez pomocného zdroja predpätia -UP , treba však použiť kremíkové tranzistory, kde hodnota prahového napätia priechodu báza - emitor Uγ je väčšia.


Obr.12.8 Monostabilný preklápací obvod

Popis činnosti

Kapacita C je v stabilnom stave nabitá na hodnotu uC = U - UBE2 . UBE2 je saturačné napätie prechodu báza - emitor , pre kremík približne 0,7 V. Na svorku V privedieme kladný spúšťací impulz, otvorí sa tranzistor T1 a pripojí kapacitor C kladným pólom na zem a záporným na bázu tranzistora T2 a tým ho uzavrie. Napätie na kapacitore C bude exponenciálne klesať s konštantou τ = RC a smerovalo by k hodnote uC = -U . Priebeh napätia uBE2 na báze tranzistora T2 sa exponenciálne mení z hodnoty -(U - UBE2) k hodnote +U, akonáhle však dosiahne hodnotu prahového napätia Uγ priechodu báza - emitor tranzistora T2 (malá kladná hodnota) , T2 sa otvorí a vplyvom spätnej väzby sa T1 uzavrie. Týmto spôsobom sa MKO dostane z kvázistabilného stavu opäť do stabilného (kľudového stavu). Pre MKO môžeme určiť matematické vzťahy: [12.2] [12.3]

12.4 Astabilný klopný obvod


Obr.12.9 Principiálna schéma atabilného klopného obvodu

Tento obvod je charakteristický dvoma kvázistabilnými stavmi, ktoré sa vzájomne striedajú a na jeho výstupoch Y a sú priebehy napätí v tvare periodického približne pravouhlého signálu. Väzba medzi stupňami je realizovaná pomocou kapacitorov C1 a C2 , ktoré svojou veľkosťou ovplyvňujú parametre obvodu. Astabilné klopné obvody (AKO) nazývané tiež multivibrátory sa využívajú ako zdroje pravouhlého periodického signálu s požadovanou frekvenciou f. Pre optimálne fungovanie obvodu musí byť splnená podmienka, že prenos otvorenej spätnoväzobnej slučky βA > 1.

Najprv predpokladajme stav, že spínač S je otvorený až do časového okamžiku t = t0 . V reálnych zapojeniach sa spínač nepoužíva, slúži len pre zadefinovanie východzích podmienok a lepšie pochopenie činnosti obvodu. Bázový prúd tranzistorov T1 a T2 je dostatočne veľký k tomu, aby mohli byť v nasýtenom stave. Musí byť splnená podmienka pre prúd IB .


Obr.12.10 Astabilný klopný obvod

Časové priebehy jednotlivých obvodových veličín sú na obr.12.10. V momente zopnutia spínača sa napätie uk2 zmení skokom z hodnoty U na nulu. Kapacitor C1 je v momente zopnutia spínača nabitý na hodnotu uC1 = U , čo sa prejaví na báze T1 ako uBE1 = -U . Cez otvorený tranzistor T2 sa kapacitor C1 kladným pólom pripojí na zem "uzemní sa" a záporným na bázu tranzistora T1 . Napätie na jeho báze bude uBE1 = -U a uzavrie ho. Priebeh tohto napätia uBE1 sa bude exponenciálne zvyšovať od hodnoty -U so snahou ustáliť sa na hodnote +U . Pri dosiahnutí prahového napätia priechodu báza - emitor (malá kladná hodnota) sa však tranzistor T1 otvorí a prechodový ja je prerušený v čase t1 . Matematicky možno priebeh napätia uBE1 vyjadriť .

Akonáhle sa tranzistor T1 otvorí. Napätie na jeho kolektore poklesne skokom na nulu a táto zmena sa prenesie cez kapacitor C2 na bázu tranzistora T2rovnakým spôsobom ako sa predtým preniesla zmena napätia z výstupu tranzistora T2 na vstup tranzistora T1 . Tranzistor T2 sa uzavrie a dej, ktorý platil pre tranzistor T1 teraz platí pre tranzistor T2 . V čase keď je T2 uzavretý môžeme vyjadriť hodnoty napätí rovnako ako v časovom intervale uzavretia tranzistora T1 , ale je potrebné zmeniť indexy obvodových veličín. Perióda T preklápania obvodu je daná:

(12.1)

V prípade symetrického obvodu C1 = C2 = C a RB1 = RB2 = RB , potom perióda T

(12.2)

Výstupné priebehy napätia nie sú dokonale pravouhlé, súvisí to s tým, že oba výstupy sú ovplyvňované nabíjaním a vybíjaním kapacít zapojených v obvode. V dobe zatvárania tranzistora je na kolektore "vidieť" nabíjanie príslušného kapacitora cez kolektorový odpor s časovou konštantou Rk2.C1 resp. Rk1.C2 . Ak potrebujeme ostrosť nábežných hrán je potrebné prevádzať korekciu. [12.1] [12.2] [12.4]


Obsah>>>