Schmitti lülitus

Schmitti lülitus on elektroonikakomponentidest koosnev skeem, mille väljundpinge muutub kahe oleku vahel vastavalt sisendpingele.

Sarnaselt komparaatoriga hoiab skeem oma väljundit 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.

Tööpõhimõte 
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.

Lülituse variatsioonid

Operatsioonvõimendi baasil

Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriv lülitus 

Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab tekitada, ühendades operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi maaga () ja mitteinverteeriva sisendi kahe takisti ,  vahele. Takisti  on omakorda ühendatud ühe otsaga sisendpinge () külge ja  teise otsaga operatsioonivõimendi väljundi külge (). Manipuleerides ,  väärtustega saame kontrollida, missuguse sisendpinge korral tekib väljundis muutus.

Muutust tekitava sisendpinge saab arvutada järgnevalt, kui kasutame superpositsiooni meetodit, et leida .

Väljundpinge  on , kui  ning  on , kui , kus  tähistab operatsioonivõimendi ülemist ja alumist toitepiiri.

Leiame kasutades : 

Leiame kasutades : 

Leiame kasutades ja : 

Nüüd oletame, et  on  seega .

Seega saame  valemiks: .

Operatsioonivõimendi lülitus toimub  juures, sest inverteeriv sisend on ühendatud maaga .

Viimaks saame lülituse toimumise ülemise lävendi .

Kuna lülituse lävendid on sümmeetrilised, on lülituse alumine lävend :

Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitus 
Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv Schmitti lülitus käitub oma loogikalt vastupidi. See tähendab, kui sisendpinge () ületab ülemise lävendi muutub väljundpinge () madalaks ning möödudes alumisest lävendist muutub sisendpinge kõrgeks.

Lülituse saab tekitada ühendades kaks takistit ,  jadamisi maa () ja operatsioonivõimendi väljundi vahele. Operatsioonivõimendi mitteinverteeriv sisend tuleb ühendada kahe jadamisi oleva takisti vahele ja inverteeriv sisend ühendada sisendpingega. ,  tekitavad  ja  vahele pingejaguri ning lülituse lävend oleneb jadamisi olevate takisti omavahelisest proportsioonist.

Ülemise ja alumise lülituse lävendi väärtuste ,  tuletamine on kasutades pingejaguri valemit triviaalne:

Kui .

Kui .

Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitus 
Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriva Schmitti lülituse saab ühendades sisendpinge () operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi külge ja lisades skeemi kolm takistit. Takistid ,  ühendatakse jadamisi toitepinge () ja maa () vahele. Takisti  ühendatakse ühe otsaga operatsioonivõimendi väljundiga () ja teise otsaga võimendi mitteinverteeriva sisendi külge ning need mõlemad on ühendatud takistite  ja  vahele. Takisti  annab skeemile erinevad lülituslävendid, mis on seotud operatsioonivõimendi väljundpingega.

Kui operatsioonivõimendi väljund on kõrge () tekib ekvivalentne skeem, kus  ja  on omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga . Vastupidises olukorras, kus võimendi väljund on võrdne maaga (), on  ja  omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga .

Muutust tekitavad väljundpinged saab arvutada kasutades pingejaguri valemit ning pidades meeles rööpühenduse omadusi.

Ülemine lävend .

Alumine lävend .

Transistoride baasil

NPN transistoride baasil  
Ebasümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab kasutades takisteid ja transistore.

Oletame, et sisendpinge () on nullilähedane, seega transistor  on välja lülitatud. Seetõttu läbib vool takisteid , ,  ning tekitab transistoris  baasvoolu, mis avab transistori (transistor avaneb küllastunud olekus). Takistid ,  tekitavad pingejaguri, millest sõltub väljundpinge (), kuid täpse tulemuse saamiseks tuleb arvesse võtta ka transistori pingelang.

Ülemine lävend .

 emitteri pinge on seotud transistor  baasvooluga ning  ja  emitterid omavahel otseühenduses ning seetõttu jagavad samasugust pinge potentsiaali. Sisendpinge tõusmisel kõrgemale kui pingelang  emitteril, hakkab läbi  jooksma baasvool, transistor  hakkab avanema.  avanedes näljutab see  baasvoolust ja seetõttu hakkab see transistor sulguma, lubades üha enam voolu läbi transistori . Positiivse tagasiside mõjul tekib skeemis olukord, kus  on täielikult avanenud (küllastunud olek) ning  on täielikult sulgunud.  sulgumise tõttu on väljundpinge võrdväärne toitepingega.

Alumine lävend .

Sisendpinge langemisel toimub sama protsess vastupidi. Transistori  hakkab läbima järjest vähem voolu ja see alustab sulgumist. Pinge transistor  kollektoril üha suureneb ja järjest rohkem voolu läbib transistori . Positiivse tagasiside abil kiireneb protsess üha kiiremini kuni  on täielikult suletud ning transistor  täielikult avatud.

Kasutusvõimalused

Mürakindlus 
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.

Kasutus ostsillaatorina 

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.

Viited 

Elektrotehnika
Elektroonika