Schmitti lülitus

Schmitti lülitus ehk Schmitti triger (inglise keeles Schmitt trigger) on elektroonikakomponentidest koosnev lülitus, mille väljundpinge muutub kahe oleku vahel vastavalt sisendpingele. Lülitus töötab komparaatorina, mis hoiab oma väljundit muutumatuna seni, kuni sisendpinge on muutunud piisavalt, et kutsuda esile muutus. Mitteinverteeriva Schmitti lülituse väljundpinge on võrdne loogilise ühega, kui sisendpinge on võrdne või kõrgemal kui lülitile seatud ülemine lävend. Väljundpinge muutub loogiliseks nulliks, kui sisendpinge on võrdne või madalam kui lülitile seatud alumine lävend. Väljundi seis ei muutu, kui sisendpinge väärtus on kahe lävendi vahel. Schmitti lülituse tööpõhimõte baseerub positiivsel tagasisidel ja hüstereesil. Ühendades süsteemi väljundi süsteemi sisendiga tekitame positiivse tagasisideahela, mis tekitab süsteemi vaheväärtustes ebastabiilsuse, sundides süsteemi ühte kahest võimalikust ekstreemumist. Kui sisendpinge ületab seatud lävendi, kindlustab tagasiside, et muutus ekstreemumite vahel toimuks nii kiiresti kui võimalik, sõltumata sisendi muutumise kiirusest. Hüsterees kindlustab, et skeemis ei tekiks hulgalisi ebakorrektseid lülitusi ekstreemumite vahel. Hüstereesi piirkonda valides peab silmas pidama sisendsignaali amplituudi ja selle mürasisaldust. Kui need parameetrid on ajas muutuvad või teadmata, võib liiga suure hüstereesi piirkonna valikul juhtuda, et sisendsignaal ei suuda esile tuua muutusi ühe või mõlema lülituslävendi puhul. Liiga väikese piirkonna valikul võib müra tekitada mitmeid ebakorrektseid lülitusi. Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab tekitada, ühendades operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi maaga ( G N D {\displaystyle GND} ) ja mitteinverteeriva sisendi kahe takisti R 1 {\displaystyle R1} , R 2 {\displaystyle R2} vahele. Takisti R 1 {\displaystyle R1} on omakorda ühendatud ühe otsaga sisendpinge ( V i n {\displaystyle V_{in}} ) külge ja R 2 {\displaystyle R2} teise otsaga operatsioonivõimendi väljundi külge ( V o u t {\displaystyle V_{out}} ). Manipuleerides R 1 {\displaystyle R1} , R 2 {\displaystyle R2} väärtustega saame kontrollida, missuguse sisendpinge korral tekib väljundis muutus. Muutust tekitava sisendpinge saab arvutada järgnevalt, kui kasutame superpositsiooni meetodit, et leida V + {\displaystyle V^{+}} . Väljundpinge V o u t {\displaystyle V_{out}} on V s a t {\displaystyle V_{sat}} , kui V + > 0 {\displaystyle V^{+}>0} ning V o u t {\displaystyle V_{out}} on − V s a t {\displaystyle -V_{sat}} , kui V + < 0 {\displaystyle V^{+}<0} , kus V s a t {\displaystyle V_{sat}} tähistab operatsioonivõimendi ülemist ja alumist toitepiiri. Leiame V 1 + {\displaystyle V_{1}^{+}} kasutades V i n {\displaystyle V_{in}} : V 1 + = R 2 R 1 + R 2 ∗ V i n {\displaystyle V_{1}^{+}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{in}} Leiame V 2 + {\displaystyle V_{2}^{+}} kasutades V o u t {\displaystyle V_{out}} : V 2 + = R 1 R 1 + R 2 ∗ V o u t {\displaystyle V_{2}^{+}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{out}} Leiame V + {\displaystyle V^{+}} kasutades V 1 + {\displaystyle V_{1}^{+}} ja V 2 + {\displaystyle V_{2}^{+}} : V + = V 1 + + V 2 2 = R 2 R 1 + R 2 ∗ V i n + R 1 R 1 + R 2 ∗ V o u t {\displaystyle V^{+}=V_{1}^{+}+V_{2}^{2}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{in}+{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{out}} Nüüd oletame, et V o u t {\displaystyle V_{out}} on − V s a t {\displaystyle -V_{sat}} seega V o u t < 0 ⇒ V + < 0 {\displaystyle V_{out}<0\Rightarrow V^{+}<0} . Seega saame V + {\displaystyle V^{+}} valemiks: V + = R 2 R 1 + R 2 ∗ V o u t + R 1 R 1 + R 2 ∗ ( − V s a t ) {\displaystyle V^{+}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{out}+{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*(-V_{sat})} . Operatsioonivõimendi lülitus toimub 0 V {\displaystyle 0V} juures, sest inverteeriv sisend on ühendatud maaga ⇒ V + = 0 {\displaystyle \Rightarrow V^{+}=0} . R 2 R 1 + R 2 ∗ V o u t − R 1 R 1 + R 2 ∗ ( V s a t ) = 0 {\displaystyle {\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{out}-{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*(V_{sat})=0} R 2 V i n − R 1 V s a t = 0 {\displaystyle R_{2}V_{in}-R_{1}V_{sat}=0} Viimaks saame lülituse toimumise ülemise lävendi V T {\displaystyle V_{T}} . V T = V i n = R 1 R 2 ∗ V s a t {\displaystyle V_{T}=V_{in}={\frac {R_{1}}{R_{2}}}*V_{sat}} Kuna lülituse lävendid on sümmeetrilised, on lülituse alumine lävend − V T {\displaystyle -V_{T}} : − V T = − R 1 R 2 ∗ V s a t {\displaystyle -V_{T}=-{\frac {R_{1}}{R_{2}}}*V_{sat}} Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv Schmitti lülitus käitub oma loogikalt vastupidi. See tähendab, kui sisendpinge ( V i n {\displaystyle V_{in}} ) ületab ülemise lävendi muutub väljundpinge ( V o u t {\displaystyle V_{out}} ) madalaks ning möödudes alumisest lävendist muutub sisendpinge kõrgeks. Lülituse saab tekitada ühendades kaks takistit R 1 {\displaystyle R1} , R 2 {\displaystyle R2} jadamisi maa ( G N D {\displaystyle GND} ) ja operatsioonivõimendi väljundi vahele. Operatsioonivõimendi mitteinverteeriv sisend tuleb ühendada kahe jadamisi oleva takisti vahele ja inverteeriv sisend ühendada sisendpingega. R 1 {\displaystyle R1} , R 2 {\displaystyle R2} tekitavad V o u t {\displaystyle V_{out}} ja G N D {\displaystyle GND} vahele pingejaguri ning lülituse lävend oleneb jadamisi olevate takisti omavahelisest proportsioonist. Ülemise ja alumise lülituse lävendi väärtuste V T {\displaystyle V_{T}} , − V T {\displaystyle -V_{T}} tuletamine on kasutades pingejaguri valemit triviaalne: Kui V o u t = V s a t ⇒ V + = R 1 R 1 + R 2 ∗ V s a t = V T {\displaystyle V_{out}=V_{sat}\Rightarrow V^{+}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*V_{sat}=V_{T}} . Kui V o u t = − V s a t ⇒ V + = R 1 R 1 + R 2 ∗ ( − V s a t ) = − V T {\displaystyle V_{out}=-V_{sat}\Rightarrow V^{+}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}*(-V_{sat})=-V_{T}} . Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriva Schmitti lülituse saab ühendades sisendpinge ( V i n {\displaystyle V_{in}} ) operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi külge ja lisades skeemi kolm takistit. Takistid R 1 {\displaystyle R1} , R 2 {\displaystyle R2} ühendatakse jadamisi toitepinge ( V C C {\displaystyle VCC} ) ja maa ( G N D {\displaystyle GND} ) vahele. Takisti R 3 {\displaystyle R3} ühendatakse ühe otsaga operatsioonivõimendi väljundiga ( V o u t {\displaystyle V_{out}} ) ja teise otsaga võimendi mitteinverteeriva sisendi külge ning need mõlemad on ühendatud takistite R 1 {\displaystyle R1} ja R 2 {\displaystyle R2} vahele. Takisti R 3 {\displaystyle R3} annab skeemile erinevad lülituslävendid, mis on seotud operatsioonivõimendi väljundpingega. Kui operatsioonivõimendi väljund on kõrge ( V C C {\displaystyle VCC} ) tekib ekvivalentne skeem, kus R 1 {\displaystyle R1} ja R 3 {\displaystyle R3} on omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga R 2 {\displaystyle R2} . Vastupidises olukorras, kus võimendi väljund on võrdne maaga ( G N D {\displaystyle GND} ), on R 2 {\displaystyle R2} ja R 3 {\displaystyle R3} omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga R 1 {\displaystyle R1} . Muutust tekitavad väljundpinged saab arvutada kasutades pingejaguri valemit ning pidades meeles rööpühenduse omadusi. Ülemine lävend V o u t = G N D ⇒ R 2 | | R 3 R 2 | | R 3 + R 1 = V u p {\displaystyle V_{out}=GND\Rightarrow {\frac {R2||R3}{R2||R3+R1}}=V_{up}} . Alumine lävend V o u t = V C C ⇒ R 1 | | R 3 R 1 | | R 3 + R 2 = V l o w {\displaystyle V_{out}=VCC\Rightarrow {\frac {R1||R3}{R1||R3+R2}}=V_{low}} . Ebasümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab kasutades takisteid ja transistore. Oletame, et sisendpinge ( V i n {\displaystyle V_{in}} ) on nullilähedane, seega transistor Q 1 {\displaystyle Q1} on välja lülitatud. Seetõttu läbib vool takisteid R 1 {\displaystyle R1} , R 3 {\displaystyle R3} , R 4 {\displaystyle R4} ning tekitab transistoris Q 2 {\displaystyle Q2} baasvoolu, mis avab transistori (transistor avaneb küllastunud olekus). Takistid R 2 {\displaystyle R2} , R 5 {\displaystyle R5} tekitavad pingejaguri, millest sõltub väljundpinge ( V o u t {\displaystyle V_{out}} ), kuid täpse tulemuse saamiseks tuleb arvesse võtta ka transistori pingelang. Ülemine lävend V u p = R 2 R 2 + R 5 ∗ V C C {\displaystyle V_{up}={\frac {R2}{R2+R5}}*VCC} . Q 1 {\displaystyle Q1} emitteri pinge on seotud transistor Q 2 {\displaystyle Q2} baasvooluga ning Q 1 {\displaystyle Q1} ja Q 2 {\displaystyle Q2} emitterid omavahel otseühenduses ning seetõttu jagavad samasugust pinge potentsiaali. Sisendpinge tõusmisel kõrgemale kui pingelang Q 2 {\displaystyle Q2} emitteril, hakkab läbi Q 1 {\displaystyle Q1} jooksma baasvool, transistor Q 1 {\displaystyle Q1} hakkab avanema. Q 1 {\displaystyle Q1} avanedes näljutab see Q 2 {\displaystyle Q2} baasvoolust ja seetõttu hakkab see transistor sulguma, lubades üha enam voolu läbi transistori Q 1 {\displaystyle Q1} . Positiivse tagasiside mõjul tekib skeemis olukord, kus Q 1 {\displaystyle Q1} on täielikult avanenud (küllastunud olek) ning Q 2 {\displaystyle Q2} on täielikult sulgunud. Q 2 {\displaystyle Q2} sulgumise tõttu on väljundpinge võrdväärne toitepingega. Alumine lävend V l o w = R 1 R 1 + R 5 ∗ V C C {\displaystyle V_{low}={\frac {R1}{R1+R5}}*VCC} . Sisendpinge langemisel toimub sama protsess vastupidi. Transistori Q 1 {\displaystyle Q1} hakkab läbima järjest vähem voolu ja see alustab sulgumist. Pinge transistor Q 1 {\displaystyle Q1} kollektoril üha suureneb ja järjest rohkem voolu läbib transistori Q 2 {\displaystyle Q2} . Positiivse tagasiside abil kiireneb protsess üha kiiremini kuni Q 1 {\displaystyle Q1} on täielikult suletud ning transistor Q 2 {\displaystyle Q2} täielikult avatud. CMOS, BiCMOS ja TTL seadmed vajavad normaalseks opereerimiseks oma sisenditesse kiireid tõusvaid ja langevaid signaale. Aeglased lülitusajad võivad esile kutsuda suured voolutugevused, ostsillatsiooni, mitmeid ebakorrektseid lülitusi lävenditel või isegi kahjustada seadet. Kohati võib selliseid situatsioone olla raske vältida nagu seadme sisselülitamine või inimese poolt vajutatavad nupud. Schmitti lülitus on odav lahendus, mis mõeldud kiirete tõusude ja languste tekitamiseks aeglastest analoogsisenditest või mürastest signaalidest.  Pikemalt artiklis Relaksatsioongeneraator Schmitti lülitus on bistabiilne multivibraator ning seda kasutades saab konstrueerida relaksatsioongeneraatori. See saavutatakse ühendades ühe RC-ahela inverteeriva Schmitti lülituse väljundi ja sisendi vahele. Väljundpinge tekitab katkematu kastsignaali, mille sagedus sõltub R ja C väärtustest ning Schmitti lülituse lävenditest. AspenCore Inc. "Feedback Systems". Vaadatud 23.10.2017. Anthony Smith (16.03.2015). "Schmitt trigger adapts its own thresholds". Vaadatud 23.10.2017. Dejan Nedelkovski (24.08.2015). "What is Schmitt Trigger | How It Works". Vaadatud 25.10.2017. Cristina Crespo (02.05.2017). "Inverting Schmitt Trigger". Vaadatud 25.10.2017. Paul Wesley Lewis (11.01.2013). "Schmitt Trigger". Vaadatud 25.10.2017. AspenCore Inc. "NPN Transistor". Vaadatud 24.10.2017. John Hearfield. "Schmitt trigger design". Vaadatud 25.10.2017. Chris Cockrill (september 2011). "Understanding Schmitt Triggers" (PDF). Vaadatud 25.10.2017.