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.
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 variandid.
Operatsioonvõimendi baasil.
Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriv lülitus.
Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab tekitada, ühendades operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi maaga (formula_1) ja mitteinverteeriva sisendi kahe takisti formula_2, formula_3 vahele. Takisti formula_2 on omakorda ühendatud ühe otsaga sisendpinge (formula_5) külge ja formula_3 teise otsaga operatsioonivõimendi väljundi külge (formula_7). Manipuleerides formula_2, formula_3 väärtustega saame kontrollida, missuguse sisendpinge korral tekib väljundis muutus.
Muutust tekitava sisendpinge saab arvutada järgnevalt, kui kasutame superpositsiooni meetodit, et leida formula_10.
Väljundpinge formula_7 on formula_12, kui formula_13 ning formula_7 on formula_15, kui formula_16, kus formula_12 tähistab operatsioonivõimendi ülemist ja alumist toitepiiri.
Leiame formula_18kasutades formula_19: formula_20
Leiame formula_21kasutades formula_22: formula_23
Leiame formula_10kasutades formula_18ja formula_21: formula_27
Nüüd oletame, et formula_7 on formula_15 seega formula_30.
Seega saame formula_10 valemiks: formula_32.
Operatsioonivõimendi lülitus toimub formula_33 juures, sest inverteeriv sisend on ühendatud maaga formula_34.
formula_35
formula_36
Viimaks saame lülituse toimumise ülemise lävendi formula_37.
formula_38
Kuna lülituse lävendid on sümmeetrilised, on lülituse alumine lävend formula_39:
formula_40
Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitus.
Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv Schmitti lülitus käitub oma loogikalt vastupidi. See tähendab, kui sisendpinge (formula_5) ületab ülemise lävendi muutub väljundpinge (formula_7) madalaks ning möödudes alumisest lävendist muutub sisendpinge kõrgeks.
Lülituse saab tekitada ühendades kaks takistit formula_2, formula_3 jadamisi maa (formula_1) ja operatsioonivõimendi väljundi vahele. Operatsioonivõimendi mitteinverteeriv sisend tuleb ühendada kahe jadamisi oleva takisti vahele ja inverteeriv sisend ühendada sisendpingega. formula_2, formula_3 tekitavad formula_7 ja formula_1 vahele pingejaguri ning lülituse lävend oleneb jadamisi olevate takisti omavahelisest proportsioonist.
Ülemise ja alumise lülituse lävendi väärtuste formula_37, formula_39 tuletamine on kasutades pingejaguri valemit triviaalne:
Kui formula_52.
Kui formula_53.
Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitus.
Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriva Schmitti lülituse saab ühendades sisendpinge (formula_5) operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi külge ja lisades skeemi kolm takistit. Takistid formula_2, formula_3 ühendatakse jadamisi toitepinge (formula_57) ja maa (formula_58) vahele. Takisti formula_59 ühendatakse ühe otsaga operatsioonivõimendi väljundiga (formula_22) ja teise otsaga võimendi mitteinverteeriva sisendi külge ning need mõlemad on ühendatud takistite formula_2 ja formula_3 vahele. Takisti formula_59 annab skeemile erinevad lülituslävendid, mis on seotud operatsioonivõimendi väljundpingega.
Kui operatsioonivõimendi väljund on kõrge (formula_57) tekib ekvivalentne skeem, kus formula_2 ja formula_59 on omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga formula_3. Vastupidises olukorras, kus võimendi väljund on võrdne maaga (formula_58), on formula_3 ja formula_59 omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga formula_2.
Muutust tekitavad väljundpinged saab arvutada kasutades pingejaguri valemit ning pidades meeles rööpühenduse omadusi.
Ülemine lävend formula_72.
Alumine lävend formula_73.
Transistoride baasil.
NPN transistoride baasil.
Ebasümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab kasutades takisteid ja transistore.
Oletame, et sisendpinge (formula_5) on nullilähedane, seega transistor formula_75 on välja lülitatud. Seetõttu läbib vool takisteid formula_2, formula_77, formula_78 ning tekitab transistoris formula_79 baasvoolu, mis avab transistori (transistor avaneb küllastunud olekus). Takistid formula_3, formula_81 tekitavad pingejaguri, millest sõltub väljundpinge (formula_7), kuid täpse tulemuse saamiseks tuleb arvesse võtta ka transistori pingelang.
Ülemine lävend formula_83.
formula_75 emitteri pinge on seotud transistor formula_79 baasvooluga ning formula_75 ja formula_79 emitterid omavahel otseühenduses ning seetõttu jagavad samasugust pinge potentsiaali. Sisendpinge tõusmisel kõrgemale kui pingelang formula_79 emitteril, hakkab läbi formula_75 jooksma baasvool, transistor formula_75 hakkab avanema. formula_75 avanedes näljutab see formula_79 baasvoolust ja seetõttu hakkab see transistor sulguma, lubades üha enam voolu läbi transistori formula_75. Positiivse tagasiside mõjul tekib skeemis olukord, kus formula_75 on täielikult avanenud (küllastunud olek) ning formula_79 on täielikult sulgunud. formula_79 sulgumise tõttu on väljundpinge võrdväärne toitepingega.
Alumine lävend formula_97.
Sisendpinge langemisel toimub sama protsess vastupidi. Transistori formula_75 hakkab läbima järjest vähem voolu ja see alustab sulgumist. Pinge transistor formula_75 kollektoril üha suureneb ja järjest rohkem voolu läbib transistori formula_79. Positiivse tagasiside abil kiireneb protsess üha kiiremini kuni formula_75 on täielikult suletud ning transistor formula_79 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.