Schmitt-trigger Uitgelegd: Ontwerp, Functie en Praktische Toepassingen

De Schmitt-trigger, oorspronkelijk bekend als de thermionische trigger, bestaat al decennia. Tot nu toe heeft het bijgedragen aan levensveranderende technologische vooruitgang zoals het schakelen tussen twee spanningsstatussen. Het is een comparator of differentiële versterker die een additionele hysteresis heeft om ruisimmuunheid te bieden. Maar zelfs zonder de hysteresis kan het puur als comparator fungeren die schone digitale pulsen maakt.

Vandaag zullen we een Schmitt-trigger schakeling ontwerpen en uitleggen hoe het werkt. Daarnaast zullen we diverse gebieden benadrukken waar je de Schmitt-trigger schakeling kunt toepassen.

1. Wat is een Schmitt-trigger?

Kortom: het is een regeneratieve comparator. Het gebruikt positieve terugkoppeling om hysteresis-spanning te implementeren of sinusvormige input om te zetten in blokgolf-output. Vaak fungeert de uitgangsspanning van de Schmitt-trigger als de referentie-spanning van invoergolven. Het zorgt ervoor dat ruis van de analoge invoersignaalvorm wordt omgezet in een digitaal signaal.

De Schmitt-trigger kan ook een bi-stabiele schakeling zijn. De bi-stabiele schakeling heeft stabiele hoge en lage uitgangsspanningsschommelingen zodra de invoer het gewenste drempelniveau bereikt.

2. Typen Schmitt-trigger

Ongetwijfeld zijn er diverse logica geïntegreerde schakelingen met Schmitt-triggers als een van de componenten. In ons geval richten we ons echter op de DIY Schmitt-trigger die we zullen maken.

De typen omvatten:

• Een operationele-versterker-gebaseerde Schmitt-trigger, en
• Een transistor-gebaseerde Schmitt-trigger.

Vereerdere uitleg over de bovenstaande typen staat onder de veelvoorkomende Schmitt-trigger schakelingen.

3. Hoe Werkt Een Schmitt-trigger?

Een Schmitt-trigger gebruikt het concept van positieve terugkoppeling om zijn functionering te bereiken. Met andere woorden: het neemt een uitgangsmonster en voedt het terug in de invoerbron. Op deze manier wordt de uitgang versterkt.

(Positieve terugkoppeling uitleg).

De versterking helpt ervoor dat de comparator-uitgang zich op zijn toestand vestigt naar believen. Ook zorgt het ervoor dat de toestand constant is op het voorgeschreven niveau.

4. Veelvoorkomende Schmitt-trigger Schakelingen

Schmitt-trigger Met Transistoren

We gebruiken twee transistors (de essentiële componenten) en andere basale externe componenten voor deze Schmitt-trigger schakeling om het blokdiagram op te zetten.

Werking van de schakeling

Allereerst zal T1 niet geleiden wanneer VIN (invoerspanning) op 0V staat. Aan de andere kant heeft de Vref (referentiespanning) 1,98 V, wat T2 toestaat te geleiden.

Verder, als we naar knooppunt B gaan, kunnen we de schakeling behandelen als een spanningsdeler en de onderstaande formules gebruiken om de spanning te berekenen met de componentwaarden:

VIN = 0V, Vref = 5V

Va = (Ra + Rb / Ra + Rb + R1) x Vref

Vb = (Rb / Rb + R1 + Ra) x Vref

Zoals we hebben genoteerd, is de 1,98 geleidende spanning van T2 laag. Ook is de basisspanning aan de terminal van de transistor 1,28V, wat hoger is dan de emitter-terminalspanning van de transistor van 0,7V.

Dus het verhogen van de invoerspanning van de schakeling kan de T1-waarde overschrijden en het laten geleiden. Vervolgens leidt dit tot het dalen van de basisspanning van T2. Een kortere geleidingsperiode van de T2-transistor verhoogt dan de uitgangsspanning.

Schmitt-trigger met transistoren

Vervolgens begint de invoerspanning van de schakeling aan de basisterminalspanning van T1 te dalen. In het proces gaat de basisterminalspanning verder dan 0,7V van de emitterterminal van de transistor, wat de deactivering van de transistor veroorzaakt.

De hele procedure is afhankelijk van de emitterstroom die daalt tot een punt waar de transistor een voorwaarts-actieve modus vindt. Later stijgen zowel de basisspanning aan de terminal van T2 als de collectorspanning.

Soms zal er echter weinig stroom door T2 vloeien, en deze stroom kan T1 uitschakelen en de emitterspanning laten dalen. Onder dergelijke omstandigheden moet je de invoerspanning van de schakeling op ongeveer 1,3V brengen om T1 te deactiveren.

Uiteindelijk heb je twee drempelspanningen van 1,3V en 1,9V.

Operationele-versterker-gebaseerde Schmitt-trigger Schakelingen

De op-amp-gebaseerde Schmitt-trigger schakelingen hebben twee grote divisies: de niet-inverterende invoer en inverterende Schmitt-triggers.

Inverterende Schmitt-trigger Schakeling

Bij de inverterende Schmitt-trigger invoer pas je de inverterende terminal van de operationele versterker (Op-Amp) toe. Bovendien is de gegenereerde uitgang van de inverterende modus van tegengestelde polariteit, en je moet deze toepassen op een niet-inverterende terminal om positieve terugkoppeling te krijgen.

Inverterende Schmitt-trigger schakeling

Uitleg en formule van de bovenstaande inverterende Schmitt-trigger schakeling;

VREF kleiner dan VIN resulteert in een -VSAT comparator-uitgang. Tegelijkertijd, als -VREF iets groter is dan VIN (negatiever), zal de uitgang VSAT zijn. Daarom zal de Vo (comparator-uitgangsspanning) ofwel -VSAT ofwel VSAT zijn. Maar je moet de invoerspanningen van de schakeling regelen met R2 of R1 om de toestandswijzigingen van de schakeling te regelen.

Waarden van -VREF en VREF formulering:

1. V_REF = (V_O * R₂) / (R₁ + R₂)

2. V_O = V_SAT, daarom,

3. V_REF = (V_SAT * R₂) / (R₁ + R₂)

4. -V_REF = (V_O * R₂) / (R₁ + R₂)

5. V_O = -V_SAT daarom,

6. -V_REF = (-V_SAT * R₂) / (R₁ + R₂)

Soms vind je VREF aangeduid als Bovenste Drempelspanning (VUT), terwijl -VREF de Onderste Drempelspanning (VLT) is.

Schakeling van een Niet-Inverterende Schmitt-trigger

In de tweede modus van de op-amp-gebaseerde Schmitt-trigger schakeling pas je de invoerspanning van de schakeling toe op de niet-inverterende invoerterminal van de operationele versterker. Daarna laat de emitterweerstand R1 de uitgangsspanning terug naar de niet-inverterende terminalschakeling gaan.

Niet-inverterende Schmitt-trigger schakeling

Laten we zeggen dat de uitgangsspanning aanvankelijk op VSAT was. De uitgangsspanning blijft op hetzelfde verzadigingsniveau zolang VLT hoger is dan VIN. Als later de invoerspanning de onderste drempelspanning overschrijdt, verandert de uitgangsstatus naar -VSAT. Je kunt ook de biasspanning in serie variëren om gewenste referentiespanningswaarden te krijgen.

Ten slotte blijft de uitgang constant in de -VSAT-toestand tot de invoerspanning van de schakeling boven de bovenste drempelspanning stijgt.

5. Toepassingen van Schmitt-triggers

Je vindt de Schmitt-trigger schakeling in diverse toepassingen zoals:

• Eerst in de schakelontdender-schakeling.
• Dan kun je een Schmitt-trigger gebruiken om een relaxatie-oscillator te implementeren, met name in ontwerpen met een gesloten-lus negatieve respons.
• Ook kun je ze gebruiken in functiegeneratoren en voedingen.
• Daarnaast verandert de trigger-schakeling de sinusgolf in een blokgolf.
• Ten slotte kun je ze in digitale schakelingen inzetten als signaalconditie om helpend signaalcircuits te verwijderen.

Samenvatting

Samenvattend: dit artikel geeft een gedetailleerd inzicht in Schmitt-triggers, de werking, basis schakelingstructuur en ook enkele toepassingen.

Ondanks de hoge efficiëntie van de trigger, is het het beste om preventieve maatregelen te nemen zoals het drijven van een Op-Amp in de rails. Er zal meer stroomverbruik zijn, en dus heb je een hogere stroombron nodig. Ondanks de beperking krijg je ruisvrije signalen en een verminderd aantal meervoudige uitgangsovergangen.

Problemen met het opzetten van je schakeling of vastgelopen op een project? Neem contact met ons op voor meer details.