Schmittova spoušť

Schmittova spoušť  - dvoupolohový reléový (spínací) prvek, jehož statická charakteristika má zónu nejednoznačnosti - hysterezní smyčku .

Schmittova spoušť je v užším slova smyslu elektronické zařízení, v širším smyslu jakýkoli spínací prvek s hysterezí, realizovaný na libovolných fyzikálních principech - elektromechanická zařízení, pneumatická, čistě mechanická.

Fázová dráha (statická odezva) Schmittova spouště je odezvou spínače, ale s pravoúhlou hysterezní smyčkou . Nejednoznačnost statické charakteristiky se vstupním signálem, jehož hodnota je mezi spínacími prahy, nám umožňuje tvrdit, že Schmittův spouštěč má, stejně jako ostatní spouštěče, paměťovou vlastnost - jeho stav v zóně nejednoznačnosti (stav uložení zaznamenané informace) je určeno prehistorií - dříve působící vstupní signál.

Elektronická Schmittova spoušť je schematicky kombinací dvou zařízení: dvouprahového komparátoru a explicitně nebo implicitně přítomného RS klopného obvodu .

V implementaci nazývané „přesná Schmittova spoušť“ nebo někdy obecněji nazývaná „přesná Schmittova spoušť s RS klopným obvodem“ je explicitně přítomen dvouprahový komparátor a RS klopný obvod a dvouprahový komparátor je implementován jako dva jednoprahové komparátory s různými prahy [1 ] [2] [3] .

V jiné implementaci, nazvané "Schmittův spouštěč se zpětnou vazbou" nebo " komparátor s hysterezí ", je dvouprahový komparátor obvodově tvořen z jednoprahového komparátoru s prahem spínaným kladnou zpětnou vazbou a v jednom stavu komparátoru je horní spínací práh úroveň je tvořena, a ve druhé - úroveň nižší spínací práh. Stejná pozitivní zpětná vazba organizuje implicitní RS klopný obvod ze stejného komparátoru.

Elektronické Schmittovy spouště se používají k obnově dvouúrovňového digitálního signálu zkresleného v komunikačních linkách šumem a zkreslením, v kontaktních odrazových filtrech , jako dvoupolohový regulátor v systémech automatického řízení , ve dvoupolohových regulátorech napětí , v relaxačních oscilátorech . Spoušť Schmitt vyniká v rodině elektronických spouště: má jeden analogový vstup a jeden výstup se dvěma výstupními úrovněmi.

Existují elektromechanická a mechanická zařízení s hysterezí, což jsou v podstatě funkční obdoby spouště Schmitt, tvořené mechanicky pohyblivými částmi. Například konvenční elektromechanické relé je neelektronickým funkčním analogem spouště Schmitt. Takové spouště se používají v regulátorech teploty chladniček různých elektrických ohřívačů ( žehličky , olejové ohřívače , stabilizátory tlaku kompresoru atd.), v automatických zbraních .

Historie

Schmittovu elektronickou spoušť, implementovanou na elektrovakuových triodách , vynalezl americký biofyzik a inženýr Otto Herbert Schmitt v roce 1934, v té době jako student. V roce 1937 to Schmitt popsal ve své doktorské práci s názvem „Thermion Trigger“, kterou napsal o výsledcích studia šíření nervových vzruchů v nervovém systému chobotnic [4] .

Možnosti implementace spouštěče

Přesný Schmitt Trigger

Schmittův klopný obvod je RS klopný obvod řízený jediným vstupním analogovým signálem se dvěma různými spínacími napětími do dvou různých stavů. Přesnost se nazývá proto, že spínací prahy jsou nastaveny nezávisle a přesnost těchto prahů závisí pouze na přesnosti spínacích prahů vstupních jednovstupových komparátorů. Typicky jsou stavy spouštěcího výstupu označeny symboly "0" a "1" a spínací napětí na "1" je vyšší než spínací napětí na "0". Když je vstupní napětí mezi spínacími napětími, Schmittova spoušť je ve stavu ukládání informací, které do ní byly dříve zapsány, a její výstupní signál je určen historií změny vstupního signálu.

Schmittovy spouštěče s RS klopným obvodem nemají zpětnou vazbu z výstupu na analogový vstup. Skládají se z dvouprahového komparátoru, ve kterém se dvě samostatně nastavitelná spínací prahová napětí porovnávají se vstupním signálem. K přepnutí klopného obvodu do stavu "0" a do stavu "1" dochází z výstupních signálů jednoprahových komparátorů, které jsou přiváděny na asynchronní nastavené a resetovací vstupy S a R klopného obvodu RS [1 ] [2] [3] .

Schmitt spoušť se zpětnou vazbou

Ve verzích klopného obvodu se zpětnou vazbou se zpětná vazba používá také ke spínání napětí prahové hodnoty srovnání v běžném komparátoru, který má prahovou hodnotu přepínání nula, čímž se současně mění na dvouprahový komparátor s různými prahy a na RS klopný obvod na stejném jednoprahovém komparátoru. Při vysokém napětí (stav logická "1") na výstupu komparátoru snižuje zpětná vazba napětí spínacího prahu na vstupu Vstup, jak je sečteno vstupní sčítačkou se vstupním signálem, takže napětí na vstup komparátoru, rovný výstupnímu napětí sčítačky, se rovná nule, vstupní napětí by mělo být záporné a v absolutní hodnotě se rovnat výstupnímu napětí komparátoru, který je ve stavu logické "1". V souladu s tím při nízkém napětí na výstupu komparátoru (stav logické "0") zpětná vazba na výstupu komparátoru zvyšuje napětí spínacího prahu.

V takové struktuře je samostatné a nezávislé nastavení prahů obtížné [5] . Kromě toho u vstupního napětí, jehož hodnota leží mezi prahovými hodnotami sepnutí, to znamená v zóně nejednoznačnosti, vynucení spouště do daného stavu vyžaduje použití dalších komponent.

Varianty Schmittových spouštěčů

Přesný Schmitt Trigger

Přesná Schmittova spoušť, někdy označovaná déle jako „přesná RS klopná Schmittova spoušť“, se skládá z dvouprahového komparátoru založeného na dvou konvenčních komparátorech s dvouúrovňovým výstupem (binární výstup), který rozděluje celé vstupní napětí rozsah do tří částí - první - pod spodním prahem, druhá - mezi prahy a třetí - nad horním prahem, a RS-spouštěč, který se přepne, když vstupní napětí opustí druhý rozsah - mezi spodní a horní spínací prahy [1] [2] [3] .

Existuje řada mikroobvodů od různých výrobců, které obsahují dva analogové jednoprahové komparátory a logická hradla pro uspořádání externích propojek mezi kolíky v integrovaném mikroobvodu spouštěče RS, například mikroobvod NE521 [6] .

Další populární mikroobvod, integrovaný časovač 555 , také vyráběný mnoha výrobci mikroobvodů (domácí analogy mikroobvodu - KR1006VI1, KR1008VI1), obsahuje všechny prvky přesné Schmittovy spouště. Takže při kombinaci vstupů mikroobvodu budou "THRES" a "TRIG" vykonávat funkci invertující Schmittovy spouště. Nevýhodou tohoto mikroobvodu při použití jako Schmittova spoušť je nemožnost libovolného nastavení spínacích prahů, které jsou pevně určeny vnitřním odporovým děličem napětí a jsou přibližně jednou třetinou napájecího napětí mikroobvodu pro spodní spínací práh a 2/3 pro horní spínací práh.

Přesná Schmittova spoušť je vhodná pro konstrukci obvodů dvoupolohových klíčových stabilizátorů napětí , teploty, hladiny kapaliny, otáček motoru, reléových regulátorů atd. [7]

Elektromechanickou obdobou přesné Schmittovy spouště s klíčovým ovladačem je elektromechanické relé .

Dalšími elektromechanickými nebo mechanickými obdobami přesné Schmittovy spouště jsou spínače se třemi polohami ovládací páky a se dvěma výstupními stavy, ve kterých je ovládací páka ve stavu uložení informace zaznamenané do spouště RS ve střední poloze, a spínací dochází pouze při vychýlení ovládací páky ze střední polohy . Například joystick v některých mobilních telefonech.

Softwarová implementace spouště Schmitt

V „softwarově přesném Schmittově spouštěči “ jsou dva jednoprahové komparátory dva operátory IF-THEN a stav spouštěče RS je uložen pomocí nějaké proměnné, například nulové číslice (bitu) celočíselné proměnné nebo booleovská proměnná , která nabývá hodnot „FALSE“ a „TRUE“.

S logickými prvky se stejnými časy zpoždění má jakákoliv hardwarová Schmittova spoušť výrazně vyšší výkon ( zpoždění t ≈ 3 dt , kde dt  je doba zpoždění v jednom logickém hradle) než softwarová. Kromě toho v hardwarovém Schmittově spouštěči proces porovnávání probíhá současně ve dvou řetězcích se dvěma paralelními komparátory a v softwarovém Schmittově spouštěči v jednovláknových procesorech probíhají postupně dvě porovnávací operace se dvěma prahy. Doba provádění spouštěcího kódu softwaru Schmitt se mírně prodlouží, pokud programovací jazyk nepodporuje bezpodmínečný skok na štítek, v tomto případě s datovým vstupem < Lower_threshold , se provede druhý operátor porovnání. Pokud programovací jazyk podporuje nepodmíněné skákání, pak jsou případy Input < Lower_threshold vynechány předáním druhého příkazu IF , jak je znázorněno v příkladu pseudokódu.

Příklad pseudokódu neinvertujícího Schmittova spouštěče:

Vstup, Upper_threshold, Lower_threshold - real; // Upper_threshold > Lower_threshold Trigger - boolean; Nastavení Upper_threshold, Lower_threshold; Spouštěč := 0; // Označení booleovských proměnných: 0 a 1 jsou "FALSE" a "TRUE", respektive LOOP // Například zde můžete vložit podmínku pro ukončení smyčky ENTER Input; IF Vstup < Lower_threshold THEN Trigger := 0; OUTPUT Trigger; PŘEJÍT DO METKA1 ; END IF ; IF Vstup > Upper_threshold THEN Trigger := 1; OUTPUT Trigger; END IF ; LABEL1: KONEC CYKLU ;

Schmittova spoušť s analogovou zpětnou vazbou

Na analogových prvcích

Příklad implementace Schmittovy spouště na dvou tranzistorech je na obrázku. V tomto obvodu je tranzistorový stupeň T1 nejjednodušším komparátorem . Kladná zpětná vazba je vedena z emitoru druhého tranzistoru k emitoru prvního tranzistoru, pro zpětnovazební signál pracuje první tranzistor v režimu společné báze .

V moderních analogových obvodech se Schmittovy spouštěče obvykle provádějí na operačním zesilovači v režimu komparátoru , pokrytého odporovou kladnou zpětnou vazbou, jejíž dvouúrovňový výstupní signál je podle stejné zpětné vazby s určitým zpožděním určeným odporem zpětné vazby. odpor a rozložená a parazitní vstupní kapacita komparátoru mění komparátorové komparační napětí. Výsledkem je, že pro vstupní napětí se komparátor stává dvouprahovým, se dvěma různými vstupními napětími pro přepínání do dvou stavů. Vlivem kladné zpětné vazby se ve statické charakteristice zařízení vytvoří hysterezní smyčka, to znamená, že zařízení získá vlastnosti spouště.

U Schmittova klopného obvodu se zpětnou vazbou je po přepnutí klopného obvodu interval, ve kterém je platná předchozí hodnota porovnávacího napětí před příchodem signálu pro spínání porovnávacího napětí zpětnovazebním obvodem. Pokud v tomto intervalu dojde k náhlé změně vstupního signálu v opačném směru, pak se spoušť přepne na předchozí srovnávací napětí, tedy předčasně.

Na digitálních logických prvcích

Nejjednodušší implementací Schmittovy spouště na digitálních logických prvcích jako analogových invertujících zesilovačích jsou dva logické měniče zapojené do série, které v tomto zapojení tvoří analogový jednoprahový komparátor se spínacím prahem rovným přibližně polovině napájecího napětí. Komparátor tvořený dvěma prvky je krytý odporovou zpětnou vazbou, jejíž výstupní signál prostřednictvím zpětné vazby mění prahové spínací napětí pro vstupní signál.

Doba náběhu a rychlost přeběhu výstupního signálu tohoto zařízení nezávisí na rychlosti přeběhu vstupního signálu a je konstantní hodnotou, která závisí na rychlosti logických hradel .

Použití logických hradel jako analogového komparátoru zhoršuje přesnost, stabilitu a reprodukovatelnost spínacích prahů a odporová zpětná vazba spolu s parazitními a vstupními kapacitami poněkud snižuje rychlost zařízení.

Použití spouště Schmitt

Obnovení zkresleného dvouúrovňového signálu během přenosu

Princip rekonstrukce zkresleného dvouúrovňového signálu je znázorněn na obrázku. Předpokládejme, že vysoká úroveň signálu kóduje logickou „1“, nízká úroveň kóduje logickou „0“. Předpokládejme, že nezkreslené napětí logické "1" mírně překročí horní práh spouště Schmitt, ale když je linka zkreslená rušením, horní úroveň na konci linky kolísá. Na linku nechť je přenášena pouze logická „1“, pokud napětí na výstupu linky klesne pod prahovou hodnotu spínání komparátoru kvůli rušení, pak se na výstupu komparátoru objeví falešné hodnoty odpovídající logické „0“.

Na výstupu Schmittova spouště se falešná logická "0" s vysílanou logickou "1" objeví pouze v případě, že úroveň signálu na výstupu přenosového kanálu klesne pod spodní spínací práh Schmittovy spouště. Podobně funguje ochrana proti rušení při přenosu logické "0".

Správná volba úrovní signálu a prahů přepínání s předem známou úrovní rušení v přenosovém kanálu může významně snížit pravděpodobnost zkreslení přenášených informací.

Ve filtrech chvění elektromechanických klíčů

Při sepnutí kontaktů v elektromechanických spínacích zařízeních - spínačích, tlačítkách, elektromagnetických relé atd. dochází k odskoku kontaktu  - vícenásobnému nekontrolovanému sepnutí a rozepnutí obvodu způsobenému odskakováním kontaktů při kolizích. V mnoha případech není chvění kritické, jako například u vypínačů, ale v mnoha digitálních zařízeních je chvění nepřijatelné, protože může způsobit více nežádoucích stavů sepnutí spouštěčů digitálního zařízení.

K eliminaci škodlivého účinku chvění v takových zařízeních se používají různé filtry chvění. Jedna z variant takového filtru s invertující Schmittovou spouští a dolní propustí (LPF) na jejím vstupu je znázorněna na obrázku.

Když není tlačítko stisknuto, je napětí na kondenzátoru přibližně stejné jako napájecí napětí, proto napětí na spouštěcím vstupu překračuje horní práh, a protože spouštěč je invertující, jeho výstup bude mít nízké napětí blízké hodnotě zemní napětí nebo logický stav "0".

Po stisknutí tlačítka se kondenzátor velmi rychle vybije na nulové napětí, napětí na spouštěcím vstupu klesne pod spodní spínací práh a spouštěcí výstup nastaví napětí blízké napájecímu napětí - stav logiky "1" ".

Časová konstanta obvodu je zvolena záměrně delší než doba zklidnění odskoku , proto se kondenzátor při odskoku, kdy se obvod tlačítka krátce otevře, nestihne nabít až na spodní práh spínání spouště a stabilní stav logické Na spouštěcím výstupu se udržuje "1".

Po uvolnění tlačítka se kondenzátor postupně nabíjí přes rezistor a když napětí na něm dosáhne nad horní spínací práh spouště, výstup spouště se přepne do stavu logické „0“.

V klíčových regulátorech napětí na spouště Schmitt

U stabilizátorů napětí klíče ovládaných klíčem ze spouště Schmitt se využívají vlastnosti hystereze spouště Schmitt - když výstupní napětí stabilizátoru překročí horní spínací práh spouště, spoušť otevře elektronický klíč, což způsobí postupné pokles výstupního napětí v důsledku výstupního filtračního kondenzátoru, poté, co výstupní napětí dosáhne spodního prahu sepnutí, spoušť sepne a spínač opět sepne. Poté se proces opakuje. Při tomto periodickém procesu výstupní napětí kolísá mezi spínacími prahy Schmittovy spouště [9] .

Elektromagnetické relé používané jako Schmittova spoušť v různých regulátorech

Elektromechanická relé jsou Schmitt spoušť s klíčovým akčním členem .

Konvenční elektromagnetické relé má hysterezní smyčku v souřadnicích proudu vinutí relé  - jeho stav , protože provozní proud relé vždy překračuje přídržný proud, proto v rozsahu proudů vinutí mezi pracovním proudem a přídržným proudem existuje nejednoznačnost stavu relé, v tomto rozsahu závisí stav relé na historii.

Solenoid relé spolu s pohyblivou kotvou je v podstatě dvouprahový komparátor, který rozděluje celý rozsah proudů vinutí relé do tří dílčích rozsahů: proud je pod vypínacím proudem, proud je nad přídržným proudem, ale pod snímačem. proud - analogický stavu uložení binárního RS klopného obvodu a proud je nad aktuálním spouštěním.

Skupiny kontaktů relé jsou klíčem , který má dva stabilní stavy: „kontakty rozepnuté“ a „kontakty sepnuté“.

Relé ve skutečnosti obsahuje všechny funkční prvky klíčového stabilizátoru napětí (regulátoru) na spouště Schmitt : RS klopný obvod a klíčový spínač , proto se často používá v různých zařízeních nazývaných reléové regulátory a takové regulátory jsou vhodné pro on-off řízení veličin různé fyzikální povahy, např. teploty, tlaku atd.

V automobilovém generátoru klíče stabilizátory napětí

V automobilových stejnosměrných generátorech , v klíčových napěťových stabilizátorech se Schmittovou spouští , je relé jak přesná Schmittova spoušť , tak klíčový ovládací prvek , který převádí další sériový odpor ve budicím vinutí generátoru, a generátor je řídicím objektem.

V automobilových alternátorech , v klíčových stabilizátorech napětí na spouště Schmitt .

V různých termostatech Termostaty chladničky

V mechanickém regulátoru-stabilizátoru teploty je tlak plynu uvnitř teplotního senzoru vlnovcového typu přiváděn do pneumomechanického dvouprahového komparátoru s přestavitelným prahem odezvy.

Pneumomechanický dvouprahový komparátor rozděluje celý rozsah vstupních tlaků plynu uvnitř vlnovcového teplotního senzoru do tří podrozsahů: zapínací tlak, zapínací přidržovací tlak a vypínací tlak. Přídržný tlak je stav uložení informací zaznamenaných v mechanickém klopném obvodu RS .

Pneumomechanický dvouprahový komparátor spíná jak mechanický RS-spouštěč, tak provozní práh pneumomechanického dvouprahového komparátoru. Mechanická spoušť RS ovládá elektrický spínač, jehož kontakty zapínají a vypínají motor kompresoru nebo topné těleso v absorpčních chladničkách .

Mechanický termostat chladničky je tedy elektromechanický stabilizátor teploty s mechanickou Schmittovou spouští s přepínatelným prahem a se skupinou kontaktů, která funguje jako klíč a funguje jako klíčový stabilizátor napětí na spouště Schmitt .

Jiné použití jako regulátory teploty

Elektromechanické analogy spouště Schmitt se také používají v termostatech elektrických žehliček, kuchyňských pecí, elektrických sporáků a elektrických pecí, v bimetalových relé regulátorů teploty, například domácích topných kotlů , v termostatech kotlů a varných konvic s funkcí kotle. .

Viz také

Literatura

  • Kalabekov B. A. Digitální zařízení a mikroprocesorové systémy - M .: Telecom, 2000
  • Potěmkin I. S. Funkční jednotky digitální automatizace - M .: Energoatomizdat, 1988, str. 166-206.
  • Martynov D.V. Pokyny pro laboratorní práci 1 - RGU NiG, 2000, str. 1-15

Odkazy

  1. ↑ 1 2 3 Tietze W. Shenk K. Polovodičové obvody. Mir, 1982. Pp. 292, Obr. 17:36. . Datum přístupu: 21. prosince 2017. Archivováno z originálu 22. prosince 2017.
  2. ↑ 1 2 3 CircuitLab. Schmitt-Trigger s konfigurovatelnou hysterezí . Získáno 14. prosince 2012. Archivováno z originálu dne 23. října 2015.
  3. ↑ 1 2 3 Elektronický vývojář. Schmitt-Trigger mit Präziser Hysterese . Získáno 14. prosince 2012. Archivováno z originálu 15. července 2013.
  4. ↑ Otto H. Schmitt Termionický spouštěč. Journal of Scientific Instruments 15 (leden 1938): 24.-26.
  5. ↑ Elektronický vývojář. Schmitt-Trigger s operačním zesilovačem / komparátorem . Datum přístupu: 14. prosince 2012. Archivováno z originálu 28. prosince 2012.
  6. ↑ NE521 Vysokorychlostní dvoudiferenciální komparátor/Smyslový zesilovač . Získáno 15. 8. 2016. Archivováno z originálu 22. 8. 2016.
  7. ↑ Klíčový regulátor napětí na přesné Schmittově spoušti s RS spouští . Získáno 12. 8. 2016. Archivováno z originálu 22. 8. 2016.
  8. ↑ Stepanenko I.P. Základy teorie tranzistorů a tranzistorových obvodů, ed. 3., revidovaný. a doplňkové M., "Energie", 1973. 608 s. od nemocných. Strana 481 . Získáno 2. září 2020. Archivováno z originálu dne 3. března 2022.
  9. ↑ Kitaev V. E., Bokunyaev A. A., Kolkanov M. F. Napájení komunikačních zařízení. - M .: Komunikace, 1975. - S. 196-207. — 328 s. — 24 000 výtisků. . Staženo 2. září 2020. Archivováno z originálu 7. února 2018.