Astabilní klopný obvod

Obdélníkový signál, který je výstupem AKO

Astabilní klopný obvod, označovaný také jako AKO, je klopný obvod, který nemá žádný stabilní stav, což znamená, že tyto obvody neustále oscilují (překlápějí se) mezi jedním a druhým stavem podle nastavené časové konstanty. Jsou používány jako impulzní generátory, tónové generátory, blikače.^[1] AKO se dá realizovat pomocí diskrétních součástek, s použitím dvou tranzistorů, nebo s pomocí logických členů (např. dvou NANDů),^[2] nebo s využitím časovače 555.

Příklady zapojení

Verze s bipolárními tranzistory

Po zapojení obvodu se začnou oba kondenzátory C₁ a C₂ nabíjet a tranzistory T₁ a T₂ se začnou otevírat. Jelikož jsou použity reálné tranzistory, které mají (vlivem nedokonalé výroby) mírně odlišné parametry, jeden z tranzistorů se otevře dříve. Za předpokladu, že se dříve otevře tranzistor T₁, kondenzátor C₁ se začne vybíjet, čímž uzavře tranzistor T₂. Kondenzátor C₂ se nabíjí a ještě více otevírá T₁ (kladná zpětná vazba). V okamžiku, kdy se C₁ přebije na opačnou polaritu, vzroste na bázi T₂ napětí a ten se začne otevírat. Toto způsobí nabíjení kondenzátoru C₁ a vybíjení C₂. V tomto okamžiku se obvod skokově překlopí a na výstupu (kolektor jednoho z tranzistorů) se objeví opačná úroveň napětí.

Doba, po jakou bude na výstupu jeden nebo druhý stav je závislá na velikostech použitých součástek:

t_{1}=\ln(2)R_{2}C_{1}

t_{2}=\ln(2)R_{3}C_{2}

Perioda kmitání obvodu je:

T=t_{1}+t_{2}=\ln(2)(R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})

Z toho lze vypočítat frekvenci a střídu:

f={\frac {1}{t_{1}+t_{2}}}={\frac {1}{T}}

D={\frac {t_{1}}{t_{1}+t_{2}}}={\frac {1}{1+{\frac {t_{2}}{t_{1}}}}}

Takto realizovaný obvod má však dvě nevýhody:

Čelo (vzestupná hrana) výstupního signálu je zaoblená (doba vzestupné hrany je ovlivněna velikostí rezistoru R₁, resp. R₄).
Kmitočet je silně závislý na teplotě.

První nevýhoda, velká doba vzestupné hrany, se dá částečně odstranit vložením diod mezi kolektor T₁ a bázi T₂, resp. kolektor T₂ a bázi T₁.

Kmitočtovou nestabilitu lze vyřešit přivedením synchronizačních impulzů na bázi jednoho z tranzistorů.

Verze s 555

Na začátku je kondenzátor C vybitý (není na něm žádné napětí) a výstup obvodu OUT je v logické jedničce. Poté se kondenzátor C začne nabíjet a jakmile dosáhne hodnoty 2/3 napájecího napětí (V_CC), vstup č. 6 (THR) způsobí, že výstup komparátoru K1 svým kladným napětím resetuje KO RS. Na výstupu č. 3 (OUT) se objeví logická nula.

Zároveň se ale otevře vybíjecí tranzistor, jehož kolektor (pin č. 7, DIS) spojí kondenzátor C se zemí a ten se tak začne vybíjet. Jakmile se kondenzátor vybije na hodnotu menší jak 1/3 napájecího napětí, výstup komparátoru K2 nastaví KO RS a tím pádem se na výstupu opět objeví logická jedna a vybíjecí tranzistor se uzavře. Dochází k nabíjení kondenzátoru.

Doba, po kterou se kondenzátor nabíjí je ovlivněna velikostí jeho kapacity a velikostí odporů R₁, R₂. Naopak velikost vybíjecí doby je závislá pouze na velikosti kondenzátoru a rezistoru R₂. Rezistor R₁ nemá na vybíjení vliv, protože kondenzátor se vybíjí přes tranzistor (pin č. 7).

t_{nab}=\ln(2)\cdot C(R_{1}+R_{2})\approx 0.693\cdot C(R_{1}+R_{2})

t_{vyb}=\ln(2)\cdot CR_{2}\approx 0,693\cdot CR_{2}

Délka periody signálu je pak:

T=t_{nab}+t_{vyb}=\ln(2)\cdot C(R_{1}+2R_{2})

Z toho lze vypočítat frekvenci a střídu:

f={\frac {1}{t_{nab}+t_{vyb}}}={\frac {1}{T}}

D={\frac {t_{nab}}{t_{nab}+t_{vyb}}}={\frac {1}{1+{\frac {t_{vyb}}{t_{nab}}}}}

Při tomto zapojení astabilního obvodu bude střída vždy větší než jedna polovina, protože pro D = 0,5 by muselo platit:

R_{2}=R_{1}+R_{2}

Tedy rezistor R₁ = 0 Ω. Rezistor R₁ však musí mít nenulovou hodnotu odporu, protože při vybíjení kondenzátoru přes kolektor vybíjecího tranzistoru by nastal zkrat napájecího zdroje, což může v nejhorším případě způsobit zničení tranzistoru. Rezistor R₁ tedy nesmí být v zapojení vynechán. Tento problém se dá ovšem snadno vyřešit připojením diody (doporučený typ 1N4148^[3]) paralelně k R2, takže se C nabíjí pouze přes jeden odpor a diodu a přes druhý odpor se vybíjí. Potom platí:

t_{nab}=\ln({\frac {2U_{CC}-3u_{D}}{U_{CC}-3u_{D}}})R_{1}C

,

což se při zanedbání úbytku na diodě (u_D = 0) zjednoduší na:

t_{nab}=\ln(2)\cdot CR_{1}\approx 0,693\cdot CR_{1}

Další možnost je vynechat oba odpory, pin 7 ponechat volný a C připojit přes jeden odpor k pinu 3.

Zpravidla se volí rezistory, aby platilo: $R_{1}\ll R_{2}$ , například: $R_{1}=1\;k\Omega ;R_{2}=100\;k\Omega$

Verze s operačním zesilovačem

Astabilní klopný obvod realizovaný operačním zesilovačem dosahuje na výstupu kladného nebo záporného saturačního napětí. Také se toto zapojení nazývá relaxační oscilátor. Frekvence výstupního signálu je dána vzorcem:

$f={\frac {1}{2RC\cdot \ln(3)}}={\frac {1}{2,2\cdot RC}}$

Verze s logickými hradly

Astabilní klopný obvod lze realizovat i pomocí logických hradel, a to jak NAND tak NOR. Předpokládejme nyní, že na vstupu prvního hradla (na obrázku více vpravo) je nejprve logická nula. Mezi oběma hradly je tak logická jedna a na výstupu opět logická nula. Tím pádem, je kondenzátor připojen přes rezistor k napájecímu napětí a nabíjí se. Až překročí určitou mez, dostane se na vstup prvního hradla logická jednička, mezi hradly tak bude nula a výstup se překlopí do jedničky. Tím je kondenzátor připojen k napájení s opačnou polaritou a začne se vybíjet. Až napětí klesne pod určitou mez, na vstupu bude opět nula a rovněž výstup se překlopí do nuly a tento cyklus se opakuje. Frekvence takto vzniklých kmitů je stejně jako v předchozím případě:

$f={\frac {1}{2RC\cdot \ln(3)}}={\frac {1}{2,2\cdot RC}}$

Odkazy

Reference

↑ HÁJEK, Jan. 2x časovač 555. Praha: BEN - technická literatura, 1998. ISBN 80-86056-27-9. Kapitola 2.4, s. 13–15.
↑ MALINA, Václav. Digitální technika. České Budějovice: KOPP, 2001. ISBN 80-85828-70-7. Kapitola 2.3, s. 59–69.
↑ xx555 Precision Timers [online]. Texas Instruments [cit. 2022-05-19]. Dostupné online.

Literatura

HÁJEK, J.: 2× ČASOVAČ 555: praktická zapojení, nakladatelství BEN - technická literatura, ISBN 80-86056-27-9.
MALINA, V.: Digitální technika, nakladatelství KOPP, ISBN 80-85828-70-7
Mašláň, M., D. Žák : Logické obvody I., PřF UP Olomouc, 1993
Doc. Ing. Jiří Bayer, CSc; Dr.Ing. Zdeněk Hanzálek; Ing. Richard Šusta: Logické systémy pro řízení, Vydavatelství ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Praha, 2000, ISBN 80-01-02147-5

Související články

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu Multivibrátory na Wikimedia Commons

Elektrické parametry logických obvodů, kombinační logické obvody na webu Fakulty strojí ČVUT
Logické řízení na webu Fakulty elektrotechnické ČVUT
Logické systémy na webu Fakulty elektrotechnické ČVUT
Elektronika, Sekvenční logické systémy na webu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy
Tranzistorové klopné obvody: http://maturitanazamku.kvalitne.cz/pdf/ELN5.pdf Archivováno 22. 6. 2019 na Wayback Machine.

[hajek1-1] HÁJEK, Jan. 2x časovač 555. Praha: BEN - technická literatura, 1998. ISBN 80-86056-27-9. Kapitola 2.4, s. 13–15.

[malina1-2] MALINA, Václav. Digitální technika. České Budějovice: KOPP, 2001. ISBN 80-85828-70-7. Kapitola 2.3, s. 59–69.

[3] xx555 Precision Timers [online]. Texas Instruments [cit. 2022-05-19]. Dostupné online.

[1]

[2]

[3]