Circuite Basculante

7/27/2019 Circuite Basculante

1/20

155

LUCRAREA NR.13

CIRCUITE BASCULANTE CU COMPONENTEDISCRETE : ASTABILUL, MONOSTABILUL I

BISTABILUL

1. IntroducereIn afar de semnalele sinusoidale, n multe domenii cum sunt

msurrile electrice, comunicaiile, automatica, telecomenzile icalculatoarele se folosesc semnale de tip impuls.Un semnal poate ficonsiderat ca impuls dac acioneaz asupra sistemului un interval maiscurt sau comparabil cu durata procesului tranzitoriu din respectivulsistem.Pentru formarea impulsurilor se folosesc diferite metode imontaje dar toate au n comun funcionarea n regim de comutare adispozitivelor electronice care trec de la starea deblocat (conducieprofund) n starea blocat (curent foarte redus prin dispozitiv) iinvers.Acest regim este puternic neliniar.Impulsurile pot avea diferite forme i pot fi aperiodice (singulare)i

periodice avnd perioada mult mai mare dect durata.n figura 1 seprezint forme de impulsuri.

Fig.1 Forme de impuls: 1-dreptunghiular ; 2-liniar variabil ; 3-trapezoidal ; 4-triunghiular ; 5-clopot.


2/20

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICLUCRRI PRACTICE

156

Fig. 2 Caracteristicile unui impuls trapezoidal.

Mrimile care caracterizeaz un impuls trapezoidal sunt indicate nfigura 2,i anume: A - amplitudinea impulsului msurat la palier;

i - durata impulsului msurat la nivelul A5,0 ;

rt - durata frontului anterior (timpul de cretere) ;

dt - durata frontului posterior (timpul de cdere) ,

Orice amplificator sau circuit real deformeaz un impuls aplicat laintrare.Acesta va fi caracterizat prin mrimile din figura 2 dar i prinelemente suplimentare cum sunt :

A - descreterea palierului ;

0A - amplitudinea saltului invers ;

0t - durata de revenire ;

nt - timpul de ntrziere ;

- amplitudinea supracreterii ;

Semnificaiile acestor din urm mrimi sunt specificate nreprezentrile formelor reale din figura 3.


3/20

LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:astabilul, monostabilul, bistabilul

157

Fig.3a- Forme de impulsuri rezultate prin aplicarea unuiimpuls dreptunghiular unui circuit real. 3b- Definireaperioadei impulsurilor.

Impulsurile de durat i se succed cu o perioad T . Coeficientul deumplere al impulsurilor se definete ca :

TA i

(1)

Impulsurile pot fi obinute n circuite basculante (care comutntre dou stri stabile) cu funcionarea n proces regenerativ datoritunei bucle de reacie pozitiv.Reacia poate fi extern,aplicat prin

cuplarea convenabil a ieirii unui amplificator la intrarea acestuia sauintern ca la unele dispozitive electronice: tranzistorul unijonciune,dioda tunel,tiristorul,.a.


4/20


158

2. Circuitul basculant astabil cu tranzistoare bipolare

(Multivibratorul ).

Acest circuit basculant este format din dou etaje de amplificarecu tranzistoare bipolare cu cuplaj RC la care ieirea este legat laintrare,realizndu-se o reacie pozitiv puternic.Schema esteprezentat figura 4.a.

Fig. 4. Circuit basculant astabil cu tranzistoare bipolare.aSchema de principiu ; bSchema simetric real.

Rezistoarele 21 , bb RR sunt legate la o tensiune pozitiv careasigur punctul de funcionare n regiunea activ.Dac se modifictopologic schema pentru evidenierea unei simetrii a montajului i seconecteaz rezistoarele menionate la ccV ,se obine noua form a

circuitului ca n figura 4-b.La aplicarea tensiunii de alimentare,montajul fiind perfect simetric 21212121 ,,, TTCCRRRR bbCC tranzistoarele se afl n

regiunea activ i pentru scurt timp curenii din colectorii lor pot fiegali 21 CC II .Aceasta este ns o stare de scurt durat deoareceorice variaie a tensiunii sau a curentului (care apare chiar n momen-tul conectrii tensiunii de alimentare) provoac intrarea circuitului noscilaie.

Dac se presupune o fluctuaie a tensiunii pe baza tranzistorului

1T , 1Bv i c aceasta este negativ fa de BQV ,atunci efectul va fi de


5/20


159

scdere a curentului de colector 1CI ,fapt ce conduce la creterea

tensiunii n colectorul tranzistorului1T .Acest salt pozitiv este aplicat

prin condensatorul 2C bazei tranzistorului 2T care l amplific i linverseaz ca faz..Astfel ,n baza lui

1T ajunge un salt negativ

amplificat care se suprapune peste cel iniial.Acest proces de amplificare continu pn la intrarea lui

1T n

regim de blocare i a lui2

T n regim de conducie.Aceast stare

dureaz pn la descrcarea condensatorului1

C prin circuitul

11 bRC -sursa de entarea lim 2T (condensatorul 1C este la

nceput ncrcat n timpul procesului regenerativ de comutare).Cndtensiunea 1Bv devine zero i 1T trece n stare de conducie,se dezvolt

un nou proces regenerativ care conduce la trecerea montajului n cea

de-a doua stare de cvasiechilibru la care2

T este blocat iar1T este

deblocat.Procesul continu i n colectorii tranzistoarelor1T i

2T se

obin impulsuri dreptunghiulare.n figura 5 se prezint diagramele desemnal pentru schema din figura 4.

n aceste diagrame se consider momentul n care 1T este blocati

2T este n conducie.(Pentru un grad de generalitate se consider

schema asimetric din punct de vedere al elementelor RC).Dupcomutare ncepe procesul de descrcare al condensatorului

1C prin

circuitul 1bR -sursa de entarea lim 2T ,cu constanta de timp

111 CRb , tensiunea negativ pe baza lui 1T scznd spre

zero.Simultan are loc ncrcarea condensatorului2

C prin circuitul

1CR sursa de en taa lim 2inR ,tensiunea 1Cv avnd o cretere

pn la valoarea CCV cu o constant de timp dat de 12 , CRC i

2inR .La momentul 1t , cnd tensiunea 1bv devine zero , tranzistorul 1T trece n regiunea activ i dup dezvoltarea procesului regenerativmontajul ajunge n cea de-a doua stare:

1T n conducie i

2T

blocat,stare pstrat n intervalul de timp 222 CRb cnd


6/20


160

condensatorul2

C se descarc prin circuitul 2bR sursa de

entarea lim 1T .n acest timp are loc i ncrcarea condensatorului

1C prin circuitul 2CR -sursa de alimentare 1inR ,rezultnd un

timp de cretere i pentru tensiunea 2Cv .

Figura 5. Diagramele de semnal pentru circuitul astabil cutranzistoare bipolare.

Condiia de proces regenerativ din timpul comutrii estesatisfcut dac:

1.21 VV AAL (2)

unde VA1 i VA2 sunt coeficienii de amplificare ai celor douetaje la frecvene medii.tiind c :


7/20


161

21

1

11 h

R

RA

in

V (3)

21

2

22 h

R

RA

in

V (4)

unde : 22211 ininbC RRRRR (5)

11122 ininbC RRRRR (6)

Rezult pentru condiia (2) :

2

2121

2

121

1

2 hhR

Rh

R

RL

in

in

in

in (7)

ntotdeauna :

12

21h (8)

deoarece amplificarea n curent a tranzistoarelor bipolare arevalori supraunitare i de obicei 50 .

Durata i perioada impulsurilor.

Analitic se stabilete c intervalele de timp necesare descrcriicelor dou condensatoare sunt :

1111 7,02ln CRt b (9)

2222 7,02ln CRt b (10)

Perioada oscilaiilor este :


8/20


162

221121 7,0 CRCRttT bb (11)

Pentru varierea frecvenei oscilaiilor se pot modifica fie rezis-toarele 1bR i 2bR ,fie condensatoarele 1C i 2C .n unele aplicaii

se realizeaz un reglaj al factorului de umplere prin desimetrizarearezistoarelor.n studiul experimental se va analiza un circuit astabil cu tranzis-toare npn care are posibilitatea modificrii frecvenei generateprecum i a factorului de umplere. Schema montajului realizat pe

planet este prezentat n figura 6.

Fig. 6. Circuit basculant astabil experimental.

1) Se ridic schema cu valori a circuitului de pe planet ;2) Se calculeaz pe baza formulei 11 domeniul de variaie al

perioadei generate considernd valorile extreme pentru

rezistoarele bR ;3) Se alimenteaz montajul la o surs stabilizat de tensiune

continu la V12 ;4) Se conecteaz osciloscopul catodic ntre borna A i mas

vizualizndu-se forma oscilaiei n colector ;


9/20


163

5) Pentru diferite valori ale rezistoarelorb

R se msoar timpii

1 i

2 i perioada semnalului generat,comparndu-se cu

valorile calculate ;6) Se vizualizeaz semnalul ntre punctul C i mas comparn-

du-se cu forma descris n diagramele din figura 5 ;7) Folosind un osciloscop cu dou canale se vizualizeaz simul-

tan semnalele n punctele A i B ,iar apoi n punctele A i C i se compar cu cele din diagramele prezentate n figura 5 ;

8) Se modific factorul de umplere prin dezechilibrarea valorilorrezistoarelor 1bR , 2bR urmrindu-se pe osciloscop forma

semnalului ;9) Folosind un frecvenmetru se studiaz stabilitatea oscilaiilor

n funcie de variaiile tensiunii de alimentare ntre V10 iV14 .

3. Circuit basculant astabil cu tranzistor unijonciune(TUJ)

Prezentnd o rezisten diferenial negativ,tranzistorul

unijonciune poate fi folosit n circuite basculante.Schema de principiueste dat n figura 7.

Fig.7 Schema de principiu a unui circuit astabil cutranzistor unijonciune.


10/20


164

Pentru ca circuitul s oscileze trebuie ndeplinite dou condiii:

dreapta de sarcin s intersecteze caracteristica de emitor n zona derezisten diferenial negativ (vezi figura 8). capacitatea condensatorului

TC trebuie s depeasc o anumit

valoare critic.Dac se presupune c ulTUJ este iniial blocat,punctul defuncionare fiind n

1P ,condensatorul

TC ncepe s se ncarce ctre

valoarea : 211 RRRVBB prin dioda D .La atingerea tensiunii devrf TUJVP, intr n conducie ,tensiunea emitorului scade i dioda

1D se polarizeaz invers.Punctul de funcionare devine

2P ,la

intersecia caracteristicii de emitor cu dreapta de sarcin cores-punztoare rezistenei

2R .Condensatorul

TC este practic izolat de

emitori se descarc prin1

R .

Fig.8 Caracteristica de emitor a TUJ .

Cnd tensiunea n punctul A scade suficient ,dioda D ncepe sconduc.n acest moment curentul de emitor al TUJ scade i ncepeprocesul de ncrcare a condensatorului C . TUJ se blocheaz i


11/20


165

punctul de funcionare revine n1

P .Condiiile de oscilaie sunt cadreapta de sarcin II s intersecteze axa tensiunilor la o valoare peste

tensiunea de vrf,iar dreapta de sarcin I s intersecteze caracteristicade emitor n zona cu rezisten diferenial negativ,adic:

PVVRRR

R

1

21

1 (12)

V

I

VR 12 (13)

Timpii de conducie i de blocare ai acestui astabil cu TUJ sunt datede:

2

1 lnV

VCRt Pc (14)

P

b

VRR

RV

VRR

RV

CRRt

21

11

2

21

11

21 ln (15)

2V reprezint tensiunea corespunztoare punctelor de funcionare

1P i 2P . 2V poate fi aproximat cu VV . Dac :

1

2112

R

RRVV

(16)

Se obine:


12/20


166

1

21

21

1

1ln

R

RRCRRtb

(17)

este o mrime caracteristic TUJ (raport de divizare

intrinsec) 1 .Curentul poate fi luat 0,5.

n figura 9 se indic formele de semnal pentru oscilatorul cu TUJ discutat.

Fig. 9 Diagramele de semnal pentru astabilul cu TUJ

n cadrul prii experimentale se va analiza un circuit astabil cuTUJ realizat pe baza schemei din figura 7.1) Se ridic schema montajului i valorile componentelor;2) Se calculeaz pe baza formulelor (14) i (17) constantele de

timp ;3) Se alimenteaz montajul la tensiune stabilizat de 20V.4) Folosind un osciloscop catodic se urmresc formele

semnalelor generate n punctele CBA ,, i se compar cudiagramele din figura 9 ;

5) Se msoar timpii de conducie i de blocare i se compar cucei calculai la punctul 2 ;


13/20


167

6) Folosind un frecvenmetru se studiaz stabilitatea oscilaiilorn funcie de variaiile tensiunii de alimentare ntre 18 i

V22 .

4.Circuitul basculant monostabil cu tranzistoare bipolare.

Monostabilul este un circuit basculant caracterizat printr-o stare deechilibru stabil i una de echilibru instabil.Este utilizat la formareasemnalelor n circuite.Indiferent de durata impulsului de declanare,monostabilul furnizeaz un impuls dreptunghiular cu durat fix carepoate fi aleas prin valorile unor componente externe RC.Schema monostabilului este format dintr-un amplificator cu douetaje cu reacie pozitiv puternic (figura 10).

Fig.10 Circuit basculant monostabil cu tranzistoare bipolare.

ntre primul etaj de amplificare realizat cu tranzistorul1T i cel de-al

doilea etaj de amplificare realizat cu tranzistorul2

T exist un cuplaj

capacitiv (la fel ca la circuitul astabil).Cuplajul ntre ieirea celui de-al doilea etaj i intrarea primului se faceprintr-un divizor rezistiv.Starea de echilibru a schemei este

1T blocat i

2T n conducie

deoarece pe baza lui1T se aplic o tensiune negativ de nivel:


14/20


168

21

11

RR

RVV BBB

(18)

n timp ce baza lui2

T este conectat la plus prin rezistorul 2bR .

Conectarea n starea de cvasiechilibru (1T n conducie i

2T blo-

cat)are loc dac se aplic un impuls de declanare pozitiv la intrarea

decV care s aib un nivel suficient pentru a anula tensiunea negativ

continu de blocare , 1BV .

n figura 11 sunt date diagramele de funcionare ale monostabilului

analizat.n starea stabil condensatorul

2C este ncrcat prin circuitul surs

de entarea lim - 1CR - 2T ,cu polaritatea ca n figura 10.

Dac impulsul de declanare este pozitiv i satisface condiia

1Bdec VV montajul comut prin proces regenerativ n starea de

cvasiechilibru cu tranzistorul1T n conducie i

2T blocat.

La nceputul strii de cvasiechilibru condensatorul2

C aplic n baza

lui 2T tensiunea negativ ccB Vv 2 ,care ncepe s scad prindescrcarea condensatorului prin circuitul sursa de entarea lim

2BR 1T i ajunge la momentul 1t nul .

Montajul comut n starea de echilibru i ateapt un nou impuls dedeclanare.Durata impulsului generat de monostabil se determin cu formula :

227,02ln bRCt (19)

Frontul anterior al impulsului generat are o durat de cretere egal cuconstanta de timp a circuitului 12 CRC :

122 Cinc RC (20)


15/20


169

Fig.11 Diagramele de semnal la monostabilul cu tranzistoarebipolare.

n analiza experimental a monostabilului ,utiliznd planeta pecare este realizat un montaj ca n figura 10 se vor parcurgeurmtoarele etape:

1) Se ridic schema montajului i valorile componentelor ;2) Se calculeaz pe baza formulelor (19) i (20) constantele de

timp caracteristice;3) Se alimenteaz montajul la o tensiune stabilizat de

V12 ,realizndu-se configuraia din figura 12 ;4) Se identific cu oscilosopul i cu voltmetrul starea de

echilibru a montajului ;


16/20


170

5) Se aplic de la generatorul de semnale dreptunghiulareimpulsuri de declanare crora li se mrete nivelul de

tensiune pn la declanarea monostabilului ,declanare pusn eviden de osciloscopul catodic ;

Fig.12 Montaj experimental pentru studiul circuitului monostabilcu tranzistoare bipolare: 1-circuitul monostabil ; 2-sursa dealimentare ; 3-sursa de negativare ;4-generator de semnaledreptunghiulare ;5-oscilosop catodic ; 6- voltmetru electronic.6) Cu ajutorul osciloscopului (de preferin cu dou canale)se

urmresc formele semnalelor n punctele DCBA ,,, i secompar cu diagramele din figura 11 ;

7) Se msoar ti inc i se compar cu valorile calculate lapunctul 2 ;

8) Se modific valoarea rezistorului 2bR urmrindu-se efectulasupra duratei impulsului generat ;

9) Se variaz tensiunea de alimentare a monostabilului ntre V10 i V14 i se determin efectul asupra duratei impulsuluigenerat .


17/20


171

5.Circuitul basculant bistabil cu tranzistoare bipolare.Bistabilul este un circuit electronic cu dou stri de echilibru

stabil. Principala sa aplicaie este de a memora numere n cod binar ide a realiza numrarea.Schema unui bistabil cu tranzistoare bipolare este prezentat n

figura 13.Const dintr-un amplificator cu dou etaje cu cuplaj rezistivi reacie pozitiv puternic.Semnalul de ieire depinde de valoareainstantanee a semnalului la intrare i de starea n care se afla schema laaplicarea semnalului.Se poate spune c bistabilul este un circuit cumemorie .

Fig.13 Schema bistabilului cu tranzistoare bipolare.Prin polarizarea aleas la pornire ambele tranzistoare se afl n

regiunea activ de funcionare i datorit reaciei pozitive puterniceorice fluctuaie provoac un proces regenerativ de comutare care areca finalitate bascularea montajului ntr-una din cele dou stri deechilibru stabil n care un tranzistor este blocat iar cellalt n

conducie.Sunt posibile dou stri: 1T blocat ; 2T n conducie i1T n conducie; 2T blocat.Comutarea bistabilului dintr-o stare n

alta se poate face prin aplicarea unor impulsuri de declanare cuamplitudinea i polaritatea convenabil:a)separat i succesiv pe fiecarebaz (sau colector) regim de comutator electronic sau element dememorie ; b) simultan pe baze (sau colectori)regim de numrtor.


18/20


172

Pentru explicarea basculrii circuitului se consider de exempluc acesta se afl n starea stabil cu

1T blocat i

2T n conducie.

Aplicnd un impuls de declanare pozitiv pe baza lui 1T ,care are unnivel suficient pentru a-l scoate din regim de blocare i a putea iniiaun proces regenerativ,are loc comutarea circuitului n starea

1T n

conducie i2

T blocat.Montajul poate fi scos din aceast stare prin

aplicarea unui impuls pozitiv pe baza lui2

T .n figura 14 sunt prezentate diagramele de semnal pentru

circuitul basculant bistabil cu tranzistoare bipolare. CondensatoareleC

figurate punctat n figura 13 sunt elemente care se conecteaz nschemele reale i au rolul de a accelera procesele regenerative careconduc la basculare pFC 10010 . Studiul experimental albistabilului se realizeaz asupra unui montaj cu schema ca n figura 15n care se indic i configuraia de msur.

Fig.14 Diagramele de semnal ale circuitului basculant bistabilcu tranzistoare bipolare.


19/20


173

Fig. 15 Montaj experimental pentru studiul circuitului bistabil cutranzistoare bipolare unde: 1-circuitul bistabil ; 2-sursa dealimentare ; 3- sursa de negativare ; 4-generator de semnaledreptunghiulare ; 5-osciloscop catodic (cu dou canale) ;6-voltmetru electronicAnaliza regimului de declanare succesiv pe baze este identic cu

cel prezentat anterior (declanare prin aplicarea de semnale pozitive pe

C sau D ) .Analiza regimului de numrare este urmtoarea :Se presupune c iniial

1T este blocat i

2T este n conducie; n

acest caz dioda1

D este polarizat invers avnd o rezisten foarte

mare,iar dioda2

D este polarizat direct i are o rezisten redus.nacest caz impulsurile negative de declanare vor fi transmise spre bazalui

2T conducnd la procesul regenerativ de comutare n starea

2

T

blocat i 1T

n conducie.Urmeaz ca la urmtorul impuls dedeclanare dioda2

D s conduc i astfel circuitul s comute din

nou.Se observ c frecvena impulsurilor de ieire (n unul dincolectori) este jumtate din frecvena impulsurilor de declanare.nfigura 16 se indic diagramele de funcionare ale acestui tip de circuitbistabil.

1. Se ridic schema montajului i valorile componentelor ;


20/20


174

2. Se alimenteaz montajul la o tensiune stabilizat de V12 i seasigur tensiunea de negativare de Vcca1 ;

3. Se analizeaz starea iniial a montajului msurnd cuvoltmetrul electronic tensiunile n colectori ;4. Se aplic cu generatorul la nceput semnale succesiv pe

intrrile C i D urmrind comutarea circuitului bistabil ;5. Se aplic semnalul generatorului la intrarea E urmrindu-se

tensiunea la borna B (cu osciloscopul).ATENIE ! Estenecesar s se asigure nivelul de declanare;

6. Se conecteaz frecvenmetrul la borna B i se msoarfrecvena obinut comparnd-o cu cea aplicat la intrare;

7. Dac se cupleaz diode electroluminescente ntre colectoriitranzistoarelor i mas se poate pune n eviden stareatranzistoarelor ntr-un mod mai intuitiv.Folosind un semnal dedeclanare de frecven joas Hz201 ,se poate observabascularea montajului prin aprinderea succesiv a LED-urilor.LED aprins-tranzistor blocat ; LED stins tranzistor nconducie.

Fig.16 Diagramele de semnal ale circuitului bistabil n regimde numrare.

Documents

Circuite Basculante