Lammert Bies     Interfacing     Sitemap     Forum 
 EN   NL   
Snelkoppelingen

Schmitt-trigger schakeling uitleg

Storing reductie met hysterese

Het elimineren van storingen is ťťn van de grote problemen voor het behalen van hogere datasnelheden en langere communicatiekabels. Er zijn verscheidene manieren waarop storingen kunnen worden gereduceerd. Communicatiekabels kunnen worden afgeschermd. DifferentiŽle communicatie zoals bij RS422 en RS485 is relatief immuun voor storing, speciaal wanneer de draden getwist zijn. Een lage uitgangsimpedantie en passende afsluitweerstanden om reflecties tegen te gaan kunnen ook helpen, maar er zal altijd een fractie storing aanwezig blijven op de lijn. Deze storing kan worden gereduceerd door het toevoegen van ingangsfilters, bijvoorbeeld met een RC netwerk, maar ingangsfilters hebben het nadeel dat ze niet alleen storingen reduceren, maar ook de maximaal toegestane datasnelheid. Een andere mogelijkheid is het toevoegen van hysterese in de ingangslijn. Een ingang met hysterese gebruikt twee schakelniveaus Vhigh en Vlow. Wanneer de ingangsspanning Vhigh overschrijdt schakelt de uitgang naar een hoog niveau. Alleen wanneer de ingangsspanning beneden Vlow valt (dat lager moet liggen dan Vhigh) schakelt de uitgang terug naar zijn lage toestand. Dit type storingsreductie is geÔmplementeerd in de ingangen van de I2C bus. Het effect van een hysterese kan worden gezien in de volgende afbeelding.

Schmitt trigger spanningsniveaus
Schmitt trigger spanningniveaus

De eerste grafiek toont het actuele ingangssignaal. Er is behoorlijk wat storing op de lijn en als de middenspanning wordt genomen om te bepalen wanneer de ingang in de aan of uit toestand is kunnen er vier hoge periodes worden gedetecteerd in het signaal, zoals getoond is in de tweede grafiek. Wanneer we echter twee trigger niveaus met hysterese introduceren is het mogelijk het aantal gedetecteerde logische hoge signalen te reduceren tot slechts ťťn. Dit is wat de Schmitt trigger doet in de laatste grafiek.

Basis Schmitt trigger schakeling

Het maken van een elektronische schakeling met hysterese is niet moeilijk dankzij Otto Schmitt, een Amerikaanse wetenschapper. Hij ontwierp een eenvoudige elektronische schakeling met een ingebouwd hysterese effect. Dit circuit is nu bekend onder de naam Schmitt-trigger. Twee transistoren en een handvol van zorgvuldig geselecteerde weerstanden zijn genoeg om de schakeling op te bouwen. De waarde van de weerstanden bepaalt de ingang spanningsniveaus waarop de Schmitt trigger schakeling van toestand verandert. Het basis Schmitt trigger circuit is getoond in de volgende afbeelding.

Basis Schmitt trigger schakeling
Basis Schmitt trigger schakeling

Berekening van het hoge trigger niveau

Laten we proberen deze schakeling te begrijpen door aan te nemen dat de ingangsspanning nul is. Transistor T1 zal dan niet geleiden door de ontbrekende ingangspanning. De toestand van transistor T2 wordt totaal bepaald door de weerstanden RC1, R1 en R2. Deze drie weerstanden creŽren een spanningsdeler. Laten we aannemen dat de basisstroom die door T2 stroomt klein genoeg is om te worden verwaarloosd. Met moderne transistoren waar de versterking hFE vaak groter is dan 150 ontstaat door deze aanname slechts een zeer kleine fout. De basisspanning van T2 kan dan worden berekend als

VB2 = Vsupply * R2/(RC1+R1+R2)

De emitterspanning van T2 zal dan kleiner zijn vanwege het spanningsverschil VBE tussen de basis en emitter. Voor een silicium transistor waar stroom vloeit is de VBE spanning ongeveer gelijk aan 0.61 Volt. De emitterspanning kan worden berekend als:

VE2 = VB2 - VBE2 = Vsupply * R2/(RC1+R1+R2) - 0.61

De Schmitt trigger schakeling gebruikt emitter gekoppelde logica. Daarom geldt VE = VE1 = VE2.

Beschouw nu de situatie dat de ingangsspanning van de schakeling toeneemt. Wanneer VB1 groter wordt dan VE1 zal een zeer kleine stroom beginnen te lopen door transistor T1. Deze stroom vloeit ook door weerstand RC1 en daardoor zal de basisspanning van transistor T2 afnemen. Naarmate de basisspanning lager wordt, wordt ook de emitter spanning van transistor T2 lager en omdat de emitters van transistor T1 en T2 direct verbonden zijn zal het spanningsverschil VBE1 toenemen. Meer stroom zal vloeien door transistor T1 en transistor T2 zal zich sluiten. Merk op, dat de emitterspanning over weerstand RE niet naar nul zal afvallen. Hoewel T2 zich sluit, opent T1 zich op hetzelfde moment waardoor de emitterspanning min of meer stabiel blijft op de waarde Vin - VBE. Wanneer T2 totaal gesloten is en T1 zich heeft geopend is het systeem van toestand veranderd. De uitgang zal omschakelen naar de hoge toestand omdat weerstand RC2 de output naar de voedingsspanning trekt. De triggerspanning waarbij dit effect start wordt de hoge trigger spanning genoemd en kan bij benadering worden berekend als

Vhigh = Vsupply * R2/(RC1+R1+R2) - 0.61

Het is duidelijk dat een verder verhogen van de spanning aan de ingang van de schakeling het systeem in de hoge toestand zal houden. Dit is omdat een hogere spanning aan de ingang een hogere basis- en collectorstroom zal veroorzaken en deze hogere collectorstroom zal de basisspanning van transistor T2 nog verder naar beneden trekken. Maar wanneer valt de schakeling weer terug naar zijn nul toestand? Dit vereist verdere analyse van de schakeling.

Berekening van het lage trigger niveau

Wanneer Vin wordt verlaagd zal de stroom die vloeit door T1 afnemen. Dit zorgt ervoor dat de stroom door weerstand RC1 afneemt en het spanningsniveau op de basis van transistor T2 zal toenemen. Omdat de transistoren via de emitter zijn gekoppeld zal de emitterspanning van die transistor afnemen en wanneer Vin laag genoeg is zal de basisspanning van transistor T2 een fractie hoger worden dan de emitter spanning, waardoor een zeer kleine basisstroom zal lopen door T2. Deze kleine basisstroom zal een emitterstroom creŽren door de gedeelde weerstand RE. De emitterspanning zal toenemen en minder stroom zal vloeien door T1 omdat het spanningsverschil tussen de basis en de emitter van T1 afneemt. Dit zorgt ervoor dat er minder stroom vloeit door RC1 en de basisspanning van T2 zal hierdoor meer toenemen. T2 zal openen terwijl T1 zich op hetzelfde moment sluit. Met dit ingangsniveau Vin schakelt het circuit terug naar de nultoestand. Maar bij welke specifieke spanning wordt deze toestandsverandering getriggerd?

Het berekenen van de lage trigger spanning van een Schmitt trigger is iets moeilijker dan het berekenen van het hoge trigger niveau. T2 zal beginnen met openen wanneer de basisspanning VB2 iets hoger wordt dan de emitterspanning VE2. We zullen proberen de ingangsspanning te berekenen waarbij VB2 en VE2 gelijk zijn als T2 is gesloten.

Allereerst enkele basis berekeningen voor spanningen en stromen in de schakeling wanneer T2 is gesloten. Zoals hierboven opgemerkt nemen we aan dat de basisstromen die door de transistoren vloeien zeer klein zijn. Daardoor mogen we de collectorstroom en emitterstroom door T1 als gelijk beschouwen. Omdat T2 is gesloten zal er ook geen basisstroom door deze transistor vloeien.

VE = IE1 * RE

VC1 = IR1R2 * (R1+R2)

Vsupply - VC1 = (IC1 + IR1R2) * RC1

De belangrijke factor in deze berekening is de collectorspanning van transistor T1 omdat we als we deze waarde weten we eenvoudig de basisspanning van transistor T2 kunnen berekenen. Gegeven bovenstaande vergelijkingen en de aanname dat IE1 gelijk is aan IC1 kunnen we afleiden dat

VC1 = Vsupply - RC1 * (VE/RE + VC1/(R1+R2))

VC1 staat nog steeds aan beide zijden van de vergelijking, maar dit kan worden opgelost met wat eenvoudige wiskunde. Dit geeft:

VC1 = (Vsupply - VE * RC1/RE) / (1 + RC1/(R1+R2))

Met deze vergelijking kunnen we gemakkelijk het spanningsniveau VB2 van de tweede transistor berekenen.

VB2 = VC1 * R2/(R1+R2)

VB2 = (Vsupply * R2 - VE * RC1*R2/RE) / (RC1+R1+R2)

Dit is het moment waarop we de zwarte magie introduceren. We zoeken naar de waarde van VB2 waarbij de transistor T2 begint te geleiden. Dit is het punt waar de basisspanning VB2 gelijk is aan de emitterspanning VE. We mogen daarom VE invullen voor VB2 en reduceren de vergelijking verder. Ik zal enkele stappen overslaan, maar het eindresultaat kan hieronder worden gezien:

VE = Vsupply * R2/(RC1+R1+R2 + RC1*R2/RE)

Wanneer transistor T2 start met geleiden is transistor T1 nog steeds geopend, dus om de ingangsspanning te berekenen waarbij T2 begint met geleiden moeten we VBE of 0.61 Volt optellen bij deze vergelijking om de waarde te berekenen op de basispoort van T1. Het lage trigger niveau van de Schmitt trigger kan daarom worden berekend als

Vlow = Vsupply * R2/(RC1+R1+R2 + RC1*R2/RE) + 0.61

Many of life's failures are people who never realized how close they were to success until after they quit
THOMAS ALVA EDISON

  Sep. 2017
   Copyright © 1997-2017 Lammert Bies, Alle rechten voorbehouden