6. Триггеры Шмитта на оу

Наряду с простейшей схемой компаратора широко используется схема на ОУ с положительной обратной связью, называемая триггером Шмитта. Охват ОУ петлей положительной обратной связи и его работа в режиме насыщения, когда выходное напряжение может принимать только два значения (+Uвых max и -Uвых max) приводят к появлению на передаточной характеристике триггера Шмитта петли гистерезиса и двух значений напряжения входного сигнала, в которых происходит опрокидывание схемы.

В схеме, приведенной на рис. 5.4,а, входное напряжение подается на инвертирующий вход ОУ. Опорным в этой схеме служит сумма напряжений, подаваемых на неинвертирующий вход с выхода ОУ через делительную цепочку резисторов Rи R(по цепи положительной обратной связи) и от дополнительного источника U.

Рисунок 5.4. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на инвертирующий вход ОУ (U₀ > 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Величина опорного напряжения в схеме рис. 5.4,а может быть определена с использованием принципа суперпозиции. Компонента этого напряжения, поступающая с выхода ОУ, определяется при условии, что напряжение дополнительного источника равно нулю (U = 0). Компонента напряжения, обусловленная источником U, определяется при условии заземления выходной клеммы ОУ. Тогда величина опорного напряжения

u = u_вых +U. (5.1)

При напряжении на выходе ОУ, равном +U_{вых max}, согласно соотношению (5.1) на неинвертирующий вход подается напряжение

U=U+R, (5.2)

которое называется напряжением срабатывания. При выходном напряжении, равном -U_{вых max}, на неинвертирующем входе ОУ напряжение равно

U=U - R (5.3)

которое называется напряжением отпускания. Напряжения срабатывания и отпускания – это значения, при которых происходит опрокидывание триггера Шмитта со схемой на рис. 5.4.а.

Передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис. 5.4,а представлена на рис. 5.4,б. Ее ход может быть объяснен следующим образом. Пусть напряжение на выходе ОУ равно +Uвых max, что обеспечивается при величине входного напряжения меньше напряжения срабатывания. При повышении входного напряжения положительное напряжение Uвых max на выходе ОУ будет сохраняться до тех пор, пока напряжение uне сравняется с напряжением срабатывания, после чего на выходе ОУ напряжение становится отрицательным и равным -Uвых max. Эта величина выходного напряжения не изменяется при дальнейшем увеличении входного напряжения. При опрокидывании схемы напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменится и станет равным напряжению отпускания U.

При обратном изменении входного напряжения, т.е. при его уменьшении, напряжение на выходе ОУ будет положительным лишь после того, как uсравняется с напряжением отпускания и произойдет опрокидывание схемы. Выходное напряжение, равное +Uвых max, сохраняется при дальнейшем уменьшении выходного сигнала.

Таким образом, передаточная характеристика триггера Шмитта имеет гистерезис, ширина которого при схеме рис. 5.4,а равна

U- U= U_{вых max}, (5.4)

а напряжение, равноудаленное от напряжения срабатывания и напряжения отпускания, т.е. соответствующее центру петли гистерезиса,

U_центр = U₀ . (5.5)

В схеме триггера Шмитта, приведенной на рис. 5.5,а, входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий. Кроме входного напряжения, на неинвертирующий вход подается напряжение с выхода ОУ через делительную цепочку, составленную из резисторов Rи R. По аналогии с соотношением (5.1) можно получить уравнение, связывающее напряжение на неинвертирующем входе ОУ с входным

u_нвх = u_вых + u_вх . (5.6)

Рисунок 5.5. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на неинвертирующий вход ОУ (U₀ < 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Соотношение для определения величин, при которых происходит опрокидывание схемы получается из уравнения (5.6) при учете условия

u_нвх =U₀

и подстановки вместо напряжения u_вых двух значений: +U_{ВЫХ max} и

-U_{ВЫХ max}. При подстановке -U_{ВЫХ max} получается большая из этих двух величин, т.е. определяется напряжение срабатывания.

U_ср =, (5.7)

а при подстановке +U_{ВЫХ max} определяется напряжение отпускания

U_отп =. (5.8)

На рис. 5.5,б приведена передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис. 5.5,а, которая имеет петлю гистерезиса. Изменение полярности напряжения на выходе триггера с отрицательного на положительное происходит при приближении uвх к напряжению срабатывания, когда выходное напряжение отрицательное. При приближении uвх к напряжению отпускания, когда на выходе триггера Шмитта положительное напряжение, т.е. с противоположной стороны, происходит изменение полярности выходного напряжения с положительной на отрицательную. Ширина петли гистерезиса определяется как:

U_ср - U_отп = , (5.9)

а ее центр

U_центр = U₀ . (5.10)

Таким образом, согласно (5.5) и (5.10) смещение петли гистерезиса передаточной характеристики триггера Шмитта осуществляется изменением напряжения источника U₀, аналога источника опорного напряжения в компараторе.

Рисунок 5.6. Временные диаграммы, иллюстрирующие

переключения триггера Шмитта при многократных

небольших изменениях контролируемого напряжения

Использование триггера Шмитта придает системам автоматического регулирования и защиты новое свойство. Действительно, при применении простейшей схемы компаратора величина напряжения, при которой срабатывают эти системы, остается одинаковой вне зависимости от того, в какую сторону изменяется величина контролируемого напряжения. При применении триггера Шмитта срабатывание систем автоматического регулирования или релейной защиты будет происходить при превышении контролируемым напряжением величины U, а восстановление режима работы аппаратуры, которое было до срабатывания, происходит только после уменьшения контролируемого напряжения ниже напряжения отпускания. Такое разделение напряжений срабатывания и отпускания обеспечивает, в частности, иные условия работы аппаратуры, при многократных небольших изменениях контролируемого напряжения. При применении простейшего компаратора режимы работы аппаратуры будут многократно изменяться в соответствии с изменением контролируемого напряжения. Применение триггера Шмитта исключает такие частые переключения, которые не всегда необходимы. Это иллюстрируется построениями на рис. 5.6.

В схемах компаратора и триггера Шмитта при переключении происходит резкое изменение режима работы с ОУ. В таких условиях работы важно быстродействие ОУ, которое характеризуется задержкой срабатывания (временем задержки момента изменения выходного напряжения) и временем нарастания выходного напряжения. Для работы в импульсном режиме выпускаются специальные ОУ, у которых время срабатывания составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.