Monostabiele Multivibrators (One-Shots): Ontwerp, Timing en Industriële Toepassingen

We hebben al een monostabiele multivibrator in de praktijk ontmoet: de pulsdetector binnen een flip-flop die de latch momentaam aandrijft tijdens een klokflank.

Een pulsdetector wordt geclassificeerd als een monostabiele multivibrator omdat het slechts één stabiele uitgangstoestand heeft. In deze toestand houdt het apparaat de uitgang oneindig lang zonder externe interventie.

Daarentegen kan een bistabiel apparaat zoals een latch of flip-flop ofwel een "set" of een "reset" toestand voor een willekeurige lengte vasthouden. Eenmaal gezet of gereset, blijft het in die toestand totdat een extern signaal een verandering forceert.

Een monostabiel apparaat kan slechts één bepaalde toestand oneindig vasthouden; de andere toestand kan alleen kort worden vastgehouden wanneer extern getriggerd.

Een veelvoorkomende mechanische analogie is een momentaan-contact drukknop die terugveert naar zijn normale positie zodra de kracht vrijgegeven wordt. Een standaard wandeltoggle-switch is daarentegen bistabiel omdat het in zowel een aan- als uit-positie vergrendelt.

Alle monostabiele multivibrators zijn getimede apparaten. Hun onstabiele uitgangstoestand duurt een vooraf bepaalde minimumduur voordat het circuit automatisch terugkeert naar de stabiele toestand.

In halfgeleider monostabiele schakelingen wordt de timing bereikt met weerstanden en condensators die de exponentiële lading en ontladingskarakteristieken van RC-netwerken benutten. Een comparator meet typisch de condensatorspanning tegen een referentieniveau, en de logische uitgang bepaalt de hoge of lage toestand.

In ladder-logica worden tijdsvertragingen geïmplementeerd met tijdsvertragingsrelais. Deze kunnen gebouwd worden met RC-schakelingen zoals hierboven beschreven of met mechanische vertragingsapparaten die de beweging van de relaisanker vertragen.

Hieronder is de ladder-logica representatie van een basale pulsdetector. Ongeacht hoe lang de invoer hoog blijft, blijft de uitgang precies één seconde hoog voordat het terugkeert naar de stabiele lage toestand.

In veel toepassingen heb je een monostabiel nodig dat een langere puls produceert dan de triggerende invoer. Het volgende ladder-logica circuit demonstreert een 10-seconde uitgang die start wanneer de invoercontacten sluiten en 10 seconden persisteert na het openen van de invoer.

Deze configuratie heet een one-shot. Wanneer de invoerpuls eindigt, begint de timer, en eventuele opvolgende pulsen binnen dat 10-seconde venster resetten de timer simpelweg, wat de uitgang hoog houdt – een kenmerk van een retriggerbare one-shot.

Een retriggerbare one-shot is bijzonder nuttig voor het debouncen van een enkel mechanisch contact. De uitgang blijft hoog ondanks het snelle aan/uit bouncen van de invoer. In een praktische debouncer zou de timing typisch een paar milliseconden zijn in plaats van 10 seconden.

Wat als je een 10-seconde puls wilt ongeacht hoeveel invoerpulsen er voorkomen? In dat geval koppel je een pulsdetector aan een niet-retriggerbare one-shot, zoals geïllustreerd hieronder.

De eerste tijdsvertragingsrelais (TD₁) energiseert de tweede relayspoel (TD₂) voor minstens 0,5 s wanneer de invoer activeert. Zodra TD₂ energiseert, voorkomt het normaal-gesloten, getimede-gesloten contact enige verdere energisering van de spoel voor de volledige 10-seconde periode, wat het circuit niet-retriggerbaar maakt.

Zowel retriggerbare als niet-retriggerbare one-shots worden breed in de industrie gebruikt – bijvoorbeeld in sirenaanwerking, machinesequentieering, en elke toepassing waar een intermittente invoer een vast-lengte uitgangspuls moet genereren.

Herziening

• Een monostabiele multivibrator heeft slechts één stabiele uitgangstoestand; de alternatieve toestand kan slechts tijdelijk vastgehouden worden.
• One-shots komen in twee vormen: retriggerbaar en niet-retriggerbaar.
• Kortdurende one-shots zijn ideaal voor het debouncen van mechanische schakelaars.

Gerelateerde Werkbladen

• Timer Schakeling – Monostabiele Multivibrator Werkblad