УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО ГИСТЕРЕЗИСА
ELECTRONIC HYSTERESIS DEVICE

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам, аналогичным триггеру Шмитта.
Известен триггер Шмитта на основе операционного усилителя (http://rus12.on.ufanet.ru/el/39.htm). Это устройство является компаратором с гистерезисом передаточной характеристики и реализуется при охвате его положительной обратной связью по неинвертирующему входу. Особенностью такого построения является необходимость двух источников питания для работы операционного усилителя и наличие дополнительного опорного напряжения, что существенно сужает спектр применения схемы.
Известно устройство, представленное в авторском свидетельстве SU 1213522. Устройство решает задачу обеспечения возможности передачи величины амплитуды входного напряжения на выход триггера при превышении некоторого порогового уровня на входе. Достоинством указанного устройства является возможность обеспечения работы устройства без внешнего источника питания. Однако значения порогов срабатывания и отпускания схемы одинаковы, и теряется свойство гистерезисной передаточной функции.
За прототип взят триггер Шмитта, имеющий характеристику с гистерезисом, построенный на двух транзисторах одного типа проводимости (http://radioforall.ru/2010-01-11-19-05-54/311-2010-01-14-15-06-33). Ширина петли гистерезиса определяется разностью падений напряжения на общем эмиттерном сопротивлении транзисторов, создаваемых токами первого и второго коллекторов. Схема триггера на транзисторах проще, однако в ней сохраняется необходимость внешнего источника питания и сохраняется зависимость порогов срабатывания и отпускания триггера от значения питающего напряжения, кроме того, нижний уровень петли гистерезиса не равен нулю. Это существенно снижает область применения такой схемы.
Целью предлагаемого изобретения является создание устройства электронного гистерезиса, принцип работы которого аналогичен триггеру Шмитта, но работа которого обеспечивается без внешнего источника питания, а параметры петли гистерезиса передаточной характеристики определяются параметрами используемых элементов схемы.
Указанная цель достигается тем, что в известный триггер Шмитта, имеющий гистерезисную характеристику, у которого ширина петли гистерезиса определяется разностью падений напряжения на общем эмиттерном сопротивлении транзисторов, создаваемых токами первого и второго коллекторов, введены дополнительно стабилитрон, четвертый, пятый и шестой резисторы, третий биполярный транзистор того же типа проводимости, что и у используемых в триггере Шмитта, например n-p-n биполярный транзистор, и МОП транзистор p-типа, исток которого подключен ко входу устройства электронного гистерезиса, к шине питания триггера Шмитта, катоду стабилитрона и первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого соединен с затвором МОП транзистора и коллектором третьего биполярного транзистора, эмиттер которого подключен ко входу триггера Шмитта, а база к аноду стабилитрона и одному из выводов пятого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, соединенной также с шестым резистором, второй вывод которого соединен со стоком МОП транзистора и одновременно является выходом устройства электронного гистерезиса. Ток коллектора второго транзистора выбирается больше тока коллектора первого транзистора.
Электрическая схема устройства приведена на фиг.1, передаточная характеристика и диаграмма, поясняющие его работу, приведены на фиг.2.
Схема состоит из трех транзисторов одного типа проводимости 1, 2, 3, например транзисторов n-p-n типа, одного транзистора второго типа проводимости, например p-канального МОП транзистора, одного стабилитрона 5, шести сопротивлений 6, 7, 8, 9, 10, 11, входной шины 12, выходной шины 13, и общей шины 14.
Устройство работает следующим образом. В исходном, обесточенном состоянии затвор МОП транзистора 4 через резистор 9 подключен к своему истоку, база транзистора 4 и соответственно база транзистора 1 через переход б-э транзистора 3 и через резистор 10 подключены к общей шине 14. Транзисторы 3 и 1 закрыты, управляемый ключ между входом и выходом схемы, собранный на МОП транзисторе 4, закрыт. К выходу схемы подключено сопротивление 11, на котором фиксируется нулевой уровень напряжения.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>R</mi><mn>8</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>э</mi><mtext> </mtext><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
R10
вх
ст
ст
к2
к1
ср
При нарастании напряжения на входе схемы (вывод 12) это напряжение через резистор 6 попадает на базу транзистора 2, открывает его, и по цепи вход схемы 12, резистор 7, к-э транзистора 2, резистор 8, общая шина 14 начинает протекать ток. Напряжение на резисторе 8 начинает расти и еще более закрывает транзисторы 3 и 1, а транзистор 2 постепенно входит в насыщение. Триггер Шмитта из транзисторов 1, 2 и резисторов 6, 7 и 8 принимает свое первое устойчивое состояние. На выходе схемы продолжает удерживаться нулевой уровень напряжения (см. диаграмму работы, фиг.2). К базе транзистора 3 относительно эмиттера транзистора 1 приложено обратное напряжение
. Такая ситуация сохраняется до тех пор, пока уровень входного напряжения не достигнет уровня срабатывания стабилитрона. После этого напряжение на сопротивлении 10 будет изменяться по закону U=U-U, где U - напряжение открывания стабилитрона 5. Поскольку это напряжение направлено встречно по отношению напряжения на сопротивлении 8, напряжение межу базой транзистора 3 и эмиттером транзистора 1 начинает быстро расти. По достижении этого напряжения выше порога открывания транзисторов 3 и 1 ток транзистора 1 начинает возрастать, напряжение на его коллекторе и соответственно на базе транзистора 2 будет падать, и последний начнет закрываться. Так как ток коллектора I был больше тока коллектора I, напряжение на сопротивлении 8 начинает падать еще больше, открывая транзисторы 3 и 1. Развивается лавинообразный процесс, в результате которого триггер Шмитта и все устройство принимает свое второе устойчивое состояние. Транзисторы 3 и 1 открыты, транзистор 2 - закрыт. В результате этого ключ (МОП транзистор 4) между входом и выходом схемы открывается напряжением, которое образуется на сопротивлении 9 (линия a-b на диаграмме работы), и напряжение с входа схемы будет проходить непосредственно на ее выход. Напряжение на входе, при котором это происходит, принимается за порог срабатывания устройства электронного гистерезиса U. В дальнейшем при увеличении или уменьшении входного напряжения в некоторых пределах относительно точки "a", показанной на фиг.2, напряжение на выходе схемы будет полностью повторять напряжение на ее входе относительно точки "b", как это указано на диаграмме работы устройства (фиг.2). Условие срабатывания схемы описывается выражением
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>э</mi><mtext> </mtext><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>б</mi><mi>э</mi></mrow></msub></mrow>
отп
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mi>э</mi><mtext> </mtext><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>б</mi><mi>э</mi></mrow></msub></mrow>
Напряжение на сопротивлении 8 после этого будет определяться током коллектора транзистора 1 и избыточным током, протекающим через стабилитрон 5. При уменьшении входного напряжения схемы ниже некоторого значения, при котором разница напряжений на сопротивлении 10 и сопротивлении 8 станет меньше удержания транзисторов 3 и 1 в открытом состоянии, последние начнут закрываться. При этом напряжение на коллекторе транзистора 1 и, соответственно, на базе транзистора 2 начнет расти. Транзистор 2 начнет открываться, его ток коллектора и падение напряжения на резисторе 8 будут увеличиваться, еще более закрывая транзисторы 3 и 1. Развивается лавинообразный процесс, в результате которого триггер Шмитта и все устройство электронного гистерезиса перейдут в свое первоначальное состояние (линия c-d на диаграмме работы). Входное напряжение, при котором это происходит, принимается за напряжение отпускания устройства электронного гистерезиса U. В дальнейшем при уменьшении или увеличении входного напряжения устройства в некоторых пределах относительно точки "d", выходное напряжение схемы будет оставаться равным нулю до тех пор, пока входное напряжения опять не превысит порог срабатывания схемы. Условие отпускания схемы описывается выражением
ср
отп
кэ нас
ст
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>б</mi><mi>э</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>б</mi><mi>э</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
Из описания работы следует, что значения параметров U и U определяются параметрами используемых элементов и могут варьироваться в широких пределах. Если пренебречь разбросом параметров транзисторов и падением напряжения насыщенного транзистора U, то
а
где U - напряжение открывания стабилитрона.
Таким образом, предлагаемое устройство гистерезиса обладает явно выраженной гистерезисной передаточной функцией, не требует дополнительного источника питания, а параметры петли гистерезиса передаточной характеристики определяются параметрами используемых элементов схемы.