Пороговое устройство на транзисторах

Пороговые устройства, называемые также компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию. Например, на выходе порогового элемента формируется сигнал какого-либо логического уровня, если входной аналоговый сигнал по своему значению меньше определенного напряжения, если же он больше, то на выходе порогового устройства формируется сигнал противоположного логического уровня.

Кроме регистрации или сигнализации о превышении (или снижении) напряжения контролируемого сигнала, пороговые устройства применяют в аналого-цифровых преобразователях, генераторах импульсов различной формы.

В составе некоторых серий аналоговых микросхем есть компараторы, пригодные для совместной работы с цифровыми микросхемами, но они не всегда доступны. Многие из них требуют двухполярного источника питания, что усложняет конструкцию. Поэтому в ряде случаев оказывается целесообразным использовать в качестве пороговых устройств элементы, что обеспечивает полное согласование логических уровней без каких-либо специальных мер.

В принципе, сам элемент представляет собой пороговое устройство, в чем легко убедиться, взглянув на рис. 18, на котором показаны передаточные характеристики идеального порогового устройства 1 и элемента КМОП 2. У идеального порогового устройства прямоугольная характеристика, элемент же имеет характеристику с некоторым наклоном, поэтому вблизи порогового напряжения возникает зона неопределенности, которая в итоге и определяет чувствительность порогового устройства. В тех случаях, когда не требуется высокой точности, в качестве порогового устройства можно использовать логический элемент.

Для повышения точности пороговых устройств на основе элементов применяют специальные схемные решения. Схема простого порогового устройства на двух элементах ТТЛ приведена на рис. 19,а. Благодаря наличию положительной обратной связи (ПОС) по постоянному току через резистор R2 передаточная характеристика становится прямоугольной (рис. 19,6). Устройство работает следующим образом. При входном сигнале меньше порогового на выходе будет напряжение низкого уровня. С увеличением входного напряжения до U2 на выходе элемента DD1.2 напряжение также начнет увеличиваться. Это напряжение через резистор R2 поступит на вход элемента DD1.1, что приведет к еще большему увеличению напряжения на выходе элемента DD1.2 и т. д. Таким образом, пороговое устройство скачком переходит в устойчивое состояние с высоким уровнем напряжения на выходе. Дальнейшее увеличение входного напряжения состояние порогового устройства не изменяет.

Рис. 18. Характеристики порогового устройства и элемента КМОП

При уменьшении входного напряжения до U] пороговое устройство скачком переходит в устойчивое состояние с низким уровнем напряжения на выходе. Разность напряжений U2—U1 называют шириной петли гистерезиса, она зависит от соотношения номиналов резисторов R1 и R2. От этих же резисторов зависит и чувствительность. При увеличении сопротивления резистора R2 и уменьшении R1 чувствительность повышается, а ширина петли гистерезиса уменьшается. Однако элементы ТТЛ работают с входными токами, поэтому сопротивление этих резисторов должны лежать в определенных пределах. Так, для микросхем серий К133 и К155 сопротивление резистора R1 может быть в пределах 0,1 . 2 кОм, a R2 — в пределах 2. 10 кОм.

Такое пороговое устройство не имеет на входе разделительного конденсатора, поэтому нижняя граница его частотной характеристики простирается вплоть до постоянного напряжения, а вот верхняя, из-за наличия к цепи сигнала резистора R1, ограничена частотой 8. 10 МГц.

Если необходимо пороговое устройство, реагирующее только на переменную составляющую сигнала, его следует несколько изменить в соответствии с рис. 20. Сопротивления резисторов R2 и R3 должны быть примерно равны, емкость конденсатора С1 определяет нижнюю частотную границу рабочего диапазона.

Большей граничной частотой обладает пороговое устройство на логических расширителях по ИЛИ микросхемы К155ЛД1 (рис. 21), по схемному построению аналогичное триггеру Шмитта на транзисторах. Порог срабатывания зависит от соотношения номиналов резисторов R1 и R3. Ширина петли гистерезиса составляет около 0,1 В, а порог срабатывания можно регулировать от 0,02 до і В. Номинал резистора SR1! должен быть в пределах 0,(1 . 1 кОм, a R2 — 22.

Рис. 19. Пороговое устройство на элементе ТТЛ

Рис. 20. Принципиальная схема порогового устройства на элементе ТТЛ

Рис. 21. Принципиальная схема порогового устройства на микросхеме К155ЛД1

Недостатком такого устройства является несколько повышенное, чем обычно, напряжение низкого логического уровня, за счет падения напряжения на резисторе R3.

Выполнить пороговый элемент можно и на элементах КМОП (рис. 22). Его отличительной особенностью является экономичность, а недостатком — низкая чувствительность. Поскольку элементы КМОП работают без входных токов и обладают невысокой нагрузочной способностью по току, то сопротивления резисторов R1 и R2 обычіно выбирают большими — десятки и сотни килорм. Для повышения чувствительности устройства на его вход следует подавать начальное смешение от источника питания через делитель R3R4.

При .контроле сигнала, уровень которого может изменяться в больших пределах, например музыкального сигнала, возможна ситуация, когда сигнал на очень короткое время превысит пороговое значение. Хотя устройство и сработает, но этого времени может не хватить, например, для включения индикатора. В таком случае будет полезным пороговое устройство с «памятью» (,рис. 23), которое на определенное время сохранит информацию о том, что сигнал превысил пороговое напряжение или был меньше него. От предыдущего устройства оно отличается тем, что в цепь ПОС между выходом элемента DD1.2 и одним из входов элемента DD1.1 включен конденсатор С2. Как только на выходе элемента DD1.2 появляется напряжение высокого уровня, оно через конденсатор С2 поступает на вход элемента DDL1. В таком состоянии устройство остается до тех пор, пока не зарядится этот конденсатор, даже в том случае, если уровень входного сигнала станет ниже порогового значения. Время, в течение которого информация о превышении сигнала хранится в устройстве, определяется постоянной времени цепи R1C2.

В каких же конструкциях можно применить пороговые устройства? В приборах, сигнализирующих об изменении напряжения, сигнала, в реле времени ^таймеры), различных индикаторах, генераторах и многих других. Цифровые микросхемы широко используют для генерирования сигналов с разными параметрами. Благодаря большому коэффициенту усиления н хорошим частотным свойствам на базе их логических элементов удается реализовать генераторы с частотой от долей герца до десятков и сотен мегагерц, к тому же самой различной формы.

Рис. 22. Принципиальная схема порогового устройства на элементе КМОП

Рис. 23. Принципиальная схема порогового устройства с «памятью»

Литература: И. А. Нечаев, Массовая Радио Библиотека (МРБ), Выпуск 1172, 1992 год.

Схемотехника тиристорных устройств. Практические примеры. (10+)

Тиристорная схемотехника — Пороговые и экспериментальные устройства

Пороговые устройства

В пороговых устройствах значение приобретает время отпирания и отпирающее напряжение. Время отпирания важно в силовых схемах, так как в этом типе устройств отпирание происходит, когда тиристор находится под напряжением. В течение переходного процесса напряжение на тиристоре снижается, а сила тока растет. При этом выделяется значительная мощность.

[Мощность, рассеиваемая за счет отпирания, Вт] = [Время отпирания, с] * [Отпирающее напряжение, В] * [Сила тока после отпирания, А] / (2 * [Длительность полупериода, с])

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

При проектировании динисторных пороговых схем важно знать отпирающее напряжение между анодом и катодом, а для тринисторных схем — зависимость отпирающего напряжения между анодом и катодом от силы тока управляющего электрода. Эта зависимость в справочной литературе приводится не всегда, кроме того имеет место большой разброс параметров, так что задавать режим работы тринистора обычно приходится экспериментально. Это довольно неудобно в промышленных условиях. Поэтому применяется следующее решение:

В этих схемах тиристор откроется, когда напряжение на управляющем электроде станет больше, чем отпирающее напряжение на управляющем электроде (этот параметр обычно в справочниках приводится). В левой схеме используется делитель напряжения. Описание, принцип действия и расчет делителя напряжения. В правой схеме тринистор отпирается, когда напряжение между катодом и анодом равно напряжению стабилизации стабилитрона плюс отпирающее напряжение управляющего электрода.

Коммутация постоянного тока

Для переключения (включения / выключения, прерывания) постоянного тока применяются запираемые тиристоры, либо специальные схемы, которые на короткое время прерывают ток через тиристор, например, эта:

Буквой ‘N’ помечена нагрузка. В схеме должны применяться обратно проводящие тиристоры, так как в момент выключения через них течет ток от катода к аноду. Катушка индуктивности и конденсатор подбираются так, чтобы максимальная сила тока через полученный последовательный контур превышала силу тока нагрузки. Длительность включающего и выключающего импульсов должна быть небольшой. Импульс тока через левый тиристор при открытии правого более чем в два раза превышает ток через нагрузку. Тиристор должен выдерживать такой импульсный ток.

Более подробная статья о применении тиристоров в цепях постоянного тока сейчас готовится. Если Вам это интересно, то подпишитесь на новости, чтобы узнать о ее выходе.

Экспериментальные устройства

Взглянув на вольт-амперную характеристику тиристора, Вы заметите, что если ток через тиристор больше Io, но меньше Ih, то увеличение силы тока приводит к уменьшению падения напряжения на электронном приборе. Это — участок отрицательного сопротивления. Возникает непреодолимый соблазн попробовать использовать динистор, как элемент с отрицательным сопротивлением. В некоторых источниках пишут, то выбрать рабочую точку тиристора на этом участке нельзя. Но это — неправда. Такое мнение связано с непониманием принципа работы тиристора. Рабочая точка этого электронного прибора задается силой электрического тока. Если питать тиристор через источник стабильного тока, то рабочую точку можно задать на любом участке характеристики. Я специально в этом убедился, построив две схемы, в которых динистор (или его транзисторный аналог) работает на участке отрицательного сопротивления.

Применение несимметричных и симметричных тиристоров

В схемах коммутации переменного напряжения и пороговых устройствах, работающих в цепях переменной полярности можно применять как симметричные (симисторы), так и несимметричные триодные тиристоры (тринисторы). Приведу типовые схемы включения симметричного и несимметричного тиристора:

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

RC — цепь. Резисторно — конденсаторная схема. Резистор, конденсатор. И.
Расчет RC — цепи, изменения напряжения на конденсаторе в зависимости от времени.

Конденсатор электрический. Принцип работы. Емкость. Математическая мод.
Конденсатор. Принцип работы. Емкость в схемах. Применение. Свойства. Классификац.

Сегодня была приобретена микросхема TL431 и собрана схема как предложено в начале страницы alabama4, схема или не доработана или имеет неточности, вообщем мягко выражаясь, работает она полный отстой, никакой ярко выраженной "ступеньки" на целом вольте (от 5 до 6 вольт) нет, о чём свидетельствует моё сегодняшнее видео

Люди дайте схему на полевике, очень прошу.

sadavod: Люди дайте схему на полевике, очень прошу.
Я её дал во втором сообщении:
Арс: Входное напряжение подаём на затвор-исток, сигнал снимаем со стока. Надо только отобрать экземпляр транзистора с Uзи_пороговое=3В.
Никаких дополнительных резисторов и стабилитронов не надо, голый полевик и всё.
Т.е. вот с этой схемы:

Выбрасываем R1 и D1 а вход подаём сразу на затвор.
Впринципе, можете попробовать без подбора с любым полевиком(MOSFET с индуцированным каналом) что найдёте у себя, у большинства обычных пороговое напряжение находится в диапазоне от 4 до 6В. Если не устроит, тогда надо искать полевики с низким пороговым напряжением. Это не проблема. Например на дохлых материнках их куча.
Если в таком простом варианте крутизна ступеньки не устроит, тогда надо будет уже заморачиваться с дополнительным стабилитроном и резистором.

sadavod: Люди дайте схему на полевике, очень прошу.

Ну, вот вариант.

У указанного полевика пороговое напряжение равно, примерно, 2.2В.
По этому резистивный делитель R2, R3 расчитан так, что бы при напряжении питания 3В полевик открывался.
То есть, при напряжении питания 3В на затворе должно быть 2.2В.
Ток делителя 2.2мкА при напряжении 3В.

В качестве нагрузки показан резистор R4, но Вы уже сами поставите туда всё, что захотите — резистор, светодиод, реле и т.д.

Вот зависимость напряжения на стоке полевика (красная линия) от напряжения питания (зелёная линия):

Показан разброс напряжения на стоке при изменении температуры в диапазоне -20. +100 градусов с шагом 20градусов.
То есть, порог переключения получается 3В +-50мВ.

Вот динамические характеристики.
Это реагирование на увеличение напряжения питания:

А это на уменьшение:

При изменении напряжения питания от нуля до 5В и обратно за 1мкс (tr и tf на зелёном графике), время задержки переключения (td) составляет 6-8мкс, а времена включения-выключения — 26мкс и 17мкс (tr и tf на красном графике).

Если это много, то уменьшите пропорционально сопротивление резисторов делителя R2, R3.
Например, при уменьшении их значений в10 раз (R2=36,4КОм, R3=100КОм) общее время переключения не превысит 3мкс.

При этом ток делителя увеличится то же в 10 раз и станет 22мкА.

Ещё вариант увеличения быстродействия — найти полевик с меньшей ёмкостью затвора.

На полевом транзисторе результат куда лучше, чем прежний, но думаю доработать логическим элементом или триггером, кстати в чём эмулировали схему?

Арс: . у большинства обычных пороговое напряжение находится в диапазоне от 4 до 6В.

По даташиту — 2. 4В для обычных.
Реально — крутится в диапазоне 3. 3,5В.

У низкопороговых — 0,5. 2В.

У 2N7002 по даташиту — 0,8. 3В, в реале 1,7. 2,4В в зависимости от тока стока (единицы мкА и десятки мА соответственно).

sadavod: . думаю доработать логическим элементом.

Если есть источник неизменного напряжения не более 6В, тогда сразу поставьте вместо полевика или другой схемы один из логических элементов серии КМОП.
Например, один из элементов К561ЛА7.

Чувствительность — единицы мВ, плюс есть возможность перевести этот элемент в режим триггера Шмитта с заданными порогами переключения.

sadavod: . в чём эмулировали схему?

MicroSim 8-й версии.

А что, простая логика 561 серии уже не катит? Переключение в диапазоне от 3 до 4 В — её любимый режим

Правильнее всего будет схему от DWD дополнить ещё одним каскадом, создав стандартный триггер Шмитта. Входные резисторы зададут в нём порог срабатывания, а резистор обратной связи — ширину гистерезиса. И кстати, все резисторы сделать раз в 10 поболее.

564тл1(или буржуйские 4093) при 5-6в питала работает лучше+на оставщихся элементах можно чето сделать
жрет наноамперы в статике и в пике до 1 ма при переключении можно и наш экзот 176лп1 заюзать
жаль нет ее СМД аналога .

Спец: . схему от DWD дополнить ещё одним каскадом, создав стандартный триггер Шмитта.

Да она и так работает как пороговое устройство. Благодаря пороговому напряжению полевика. Не даром же это напряжение назвали пороговым.
Я же специально "осциллограммы" привёл, что бы было видно, на сколько пороговой является схема.

musor: 564тл1(или буржуйские 4093) при 5-6в питала работает лучше.

Оно то работает, но у МОП-овской логики пороговое напряжение равно половине питающего.
При питании 5В пороговое будет равно 5В/2=2,5В, при 6В — соответственно 6В/2=3В.

По этому не получится сделать пороговый элемент при изменении контролируемого напряжения одновременно с питающим.
Логику придётся запитывать от стабильного напряжения, величиной не более двух напряжений срабатывания.
При напряжении срабатывания 3В логику нужно запитать стабильным напряжением не более 3В*2=6В.

Форум про радио — сайт, посвященный обсуждению электроники, компьютеров и смежных тем.