5) Elektronická zapojení a příklady:

Integrovaný obvod NE555:

Vzhledem k tomu, že integrovaný obvod NE555 je v současnosti velmi rozšířený a používaný pro realizaci monostabilních a astabilních klopných obvodů, popíšu jej zde. Jeho vnitřní strukturu je vidět na obrázku níže. Jedná se o analogově - číslicový obvod. Analogovou část tvoří vstupní obvody (komparátory K₁ a K₂) a výstupní obvody (koncový stupeň s tranzistory T₁ a T₂ a spínací tranzistor T₃). Číslicovou část tvoří R - S klopný obvod realizovaný hradlem H₁ . Tranzistor T₄ umožňuje blokování činnosti R - S klopného obvodu. Tři stejné rezistory o hodnotě 5 kΩ nastavují řídící napětí pro komparátory K₁ a K₂ .

Vysvětlení zkratek jednotlivých vývodů obvodu :		obr. 82 - vnitřní struktura integrovaného obvodu 555
+U_CC	napájecí napětí
GND	elektrická zem obvodu
CV	control voltage - řídící napětí [0 V]
TH	threshold - prahová úroveň
TR	trigger - úroveň spouštění
OUT	output - výstup
DIS	discharge - vybíjení
RST	reset - nulování

Vysvětlení činnosti :

Činnost obvodu je založená na vyhodnocovaní velikostí napěťových úrovní na vstupech komparátorů K₁a K₂. Referenční úrovně pro tyto komparátory jsou odvozeny z napájecího napětí +U_CC prostřednictvím odporového děliče realizovaného třemi shodnými rezistory o hodnotě 5 kW. Komparátor K₁ má na svém invertujícím vstupu (–) (vývod číslo 5, označený CV ) referenční napěťovou úroveň 2/3 U_CC. Jeho výstup je připojený na vstup R ( reset ) R–S klopného obvodu H₁. Pokud se objeví na neinvertujícím vstupu (+) komparátoru K₁ ( vývod číslo 6, označený TH ) napětí stejné nebo větší než 2/3 U_CC, na jeho výstupu se změní napětí z 0V na napětí blízké +U_CC. Tato změna výstupu způsobí nastavení R–S klopného obvodu H₁ do logického stavu, a to : na výstupe Q bude logická “0”, t.j. napětí blízké 0V, což zapříčiní, že tranzistor T₁ koncového stupně bude zavřený. Na výstupe bude logická “1”, t.j. napětí blízké +U_CC, což zapříčiní, že tranzistor T₂ koncového stupně bude otevřený a tedy na výstupu obvodu 555 ( vývod číslo 3 ) bude napětí blízké 0V. Zároveň je otevřený i spínací tranzistor T₃.

Komparátor K₂ má na svém neinvertujícím vstupu (+) referenční napěťovou úroveň 1/3 U_CC. Jeho výstup je připojený na vstup S ( set ) R–S klopného obvodu H₁. Pokud se na invertujícím vstupu (–) komparátoru K₂ ( vývod číslo 2, označený TR ) objeví napětí stejné nebo menší než 1/3 U_CC, na jeho výstupe se změní napětí z 0V na napětí blízké +U_CC. Tato změna výstupu způsobí nastavení R–S klopného obvodu H₁ do logického stavu, a to : na výstupe Q bude logická “1”, t.j. napětí blízké +U_CC, což zapříčiní, že tranzistor T₁ se otevře. Na výstupu bude logická “0”, t.j. napětí blízké 0V, což zapříčiní, že tranzistor T₂ se zavře. Zároveň je zavřený i spínací tranzistor T₃. Na výstupu obvodu 555 ( vývod číslo 3 ) bude napětí blízké +U_CC.
Pokud chceme obvod zablokovat, stačí přepojit vývod 4 na elektrickou zem a na výstupu bude trvalé napětí 0V.
To by bylo vysvětlení vnitřních procesů a odezvy výstupu na změny uskutečněné na vstupních svorkách obvodu.

Další obvody založené na bázi integrovaného obvodu (časovače) 555 – klopné obvody, násobiče napětí, generátory

Astabilní klopný obvod – multivibrátor:

Schéma astabilního klopného obvodu a důležité průběhy napětí jsou níže:

obr. 83 - astabilní klopný obvod

obr. 84 - odezva výstupu na vstup v astabilním klopném obvodu

Jak je vidět z obrázku průběhů, v době nabíjení kondenzátoru C_x je na výstupu napěťová úroveň U_CC. To znamená, že tranzistor T₁ je otevřený a tranzistory T₂ a T₃ jsou zavřené. Kondenzátor C_x se nabíjí přes rezistory R₁ a R₂. Čas nabíjení t₁ určuje dobu, za kterou se kondenzátor C_x nabije z napětí U_Cmin = 1/3.U_CC na napětí U_Cmax = 2/3.U_CC. V konečném důsledku čas t₁ je daný rozdílem času t₄ , za který by se kondenzátor C_x nabil z napětí U_C = 0V na napětí U_Cmax a času t₃ , za který by se kondenzátor C_x nabil z napětí U_C = 0V na napětí U_Cmin. Tedy :

_{t₁ = t₄ – t₃

(111)}

Pro určení času t₁ si nejprve určíme časy t₄ a t₃:

Pro čas t₄ platí :

t₄ = C_x.( R₁ + R₂ ).ln3

(112)

Pro čas t₃ platí :

t₃ = C_x.( R₁ + R₂ ).ln(3/2)

(113)

Po dosazení výrazů za časy t₄ a t₃ pro čas t₁ platí :

t₁ = C_x.( R₁ + R₂ ).ln2

(114)

Pokud napětí U_C na kondenzátoru C_x dosáhne hodnoty 2/3.U_CC , R–S klopný obvod se překlopí a způsobí zavření tranzistoru T₁ a otevření tranzistorů T₂ a T₃. Na výstupu obvodu NE 555 bude napětí 0V. Tranzistor T₃ uzemní rezistor R₂ ( vývod 7 obvodu NE 555 ), přičemž se kondenzátor C_x začne přes tento rezistor vybíjet. Čas vybíjení t₂ určuje dobu, za kterou se kondenzátor C_x vybije z napětí U_Cmax = 2/3.U_CC na napětí U_Cmin = 1/3.U_CC , přičemž U_Cmin = 1/2.U_Cmax , tedy :

t₂ = C_x.R₂ .ln2

(115)

Výslednou periodu T generovaných kmitů určíme jako součet jednotlivých časů t₁ a t₂ , tedy :

T = t₁ + t₂ = C_x.( R₁ + R₂ ).ln2 + C_x.R₂.ln2 = 0,69.C_x.( R₁ + 2.R₂ )

(116)

Tyto vztahy byly odvozeny za předpokladu ideálního obvodu 555 , t.j. za předpokladu nulových vstupních proudů komparátorů, nulových časových zpoždění překlopení obvodu R–S , sepnutí tranzistoru T₃ a pod. V praxi se experimentálně zistilo, že je vhodnejší používat místo konstanty 0,69 konstantu 0,74. Takže například výsledná rovnice pro výpočet periody T bude :

T = 0,74.C_x.( R₁ + 2.R₂ )
(117)

Podobně by se změnily i rovnice pro výpočet časů t₁ a t₂.

Simulaci zapojení lze stáhnout zde.

Monostabilní klopný obvod:

Druhé, velmi časté zapojení obvodu 555 je ve funkci monostabilního klopného obvodu. Schéma zapojení a důležité průběhy jsou na následujících obrázcích:

obr. 85 - Monostabilní klopný obvod

obr. 86 - odezva výstupu na vstup v monostabilním klopném obvodu

Jak je ze schématu zapojení vidět, na rozdíl od astabilního obvodu je u monostabilního obvodu vynechaný rezistor R₂ a vývod 7 obvodu 555 je spojený přímo s vývodem 6. Naopak, vývod 2 tvoří vstup, na který přivádíme spouštěcí napětí U_spoušť. Tento vstup musí být pro správnou činnost obvodu ošetřený tak, Jak je to vidět ve schématu, pomocí rezistoru R₃ a diody D. Rezistor R₃ zabezpečuje, že na vývodu 2 je v klidu potenciál rovný napájecímu napětí U_CC. Když má být obvod spouštěný velmi krátkými zápornými impulzy, spouštěcí napětí je přivedené na vstup 2 přes vazební kondenzátor C_v. Tento kondenzátor spolu s rezistorem R₃ tvoří derivační článek. Dioda D zabezpečuje odřezání kladných impulzů ( špiček ) za derivačním kondenzátorem, protože na vstup 2 sa nesmí přivést napětí větší než je napájecí napětí +U_CC.

Pro odvození vztahu pro výpočet času t trvání nestabilního stavu monostabilního klopného obvodu využijeme graf průběhů zobrazený na druhém obrázku. Jak je z obrázku vidět, dokud je obvod ve stabilním stavu, na kondenzátoru C_x je napětí U_C = 0V. Tranzistor T₃ ( vývod 7 ) je otevřený. Na výstupu obvodu ( vývod 3 ) je taky napětí rovno 0V ( R–S klopného obvodu H₁ je nastavený tak, že na výstupu Q je úroveň log.“0”, tímto je tranzistor T₁ zavřený a na výstupu je úroveň log.“1”, tímto jsou tranzistory T₂ a T₃ otevřené. )

Po přivedení záporného spouštěcího impulzu na vstup ( vývod 2 ) se R–S klopného obvodu H₁ překlopí, tímto se úrovně na jeho výstupech změní na opačné a způsobí otevření tranzistoru T₁ a zavření tranzistorů T₂ a T₃. Zavřením tranzistoru T₃ se odblokuje kondenzátor C_x, který se začne nabíjet přes rezistor R₁ a začíná běžet čas t nestabilního stavu monostabilního klopného obvodu. Jak vidíme z grafu, za čas t se napětí na kondenzátoru C_x změní z napětí U_C = 0V na napětí U_C_max = 2/3.U_CC. Čas t je roven:

t = 1,1.C_x. R₁

(118)

Po dosáhnutí napětí 2/3.U_CC na kondenzátore C_x sa R–S klopného obvodu H₁ nastaví do výchozího stavu a to : na výstupu Q je úroveň log.“0”, tímto se tranzistor T₁ zavře a na výstupu je úroveň log.“1”, tímto se tranzistory T₂ a T₃ otevřou. Jakmile se tranzistor T₃ otevře, kondenzátor C_x se přes jeho jeho přechod K–E okamžitě vybije na napětí 0V. Monostabilní obvod se dostává do svého stabilního stavu.

Nevýhodou takto realizovaného MKO s obvodem 555 je, že pokud je perioda T vstupních spouštěcích impulzů kratší než čas t trvání nestabilního stavu monostabilního klopného obvodu, obvod reaguje na každý záporný spouštěcí impuls, tímto je jeho činnost nespolehlivá. Obvod tedy pracuje spolehlivě jen tehdy, pokud platí, že : t < T ( toto nemusí byť splněné u monostabilního klopného obvodu realizovaného tranzistory v základním zapojení. )

Kondenzátor C_f je filtrační kondenzátor a slouží k filtraci referenčních napětí obvodu 555 (připojuje se na vývod číslo 5.)

Znovu spustitelný monostabilní klopný obvod:

Obvod vytváří po spuštění vstupním spouštěcím impulsem výstupní impulz s definovanou šířkou (dobou). Spouštěcí impuls na vstupu je vždy kratší než výstupní impulz a monostabilní multivibrátor je proto používán pro prodloužení nebo pro obnovení impulzu. Délka impulzu je dána členem určujícím čas (zpravidla RC)

obr. 87 - Znovu spustitelný monostabilní klopný obvod

Simulaci zapojení lze stáhnout zde.

Astabilní obvod s periodou výstupního signálu 7,5 až 750 µs

obr. 88 - Astabilní klopný obvod s periodou výstupního signálu 7,5 až 750 µs

Simulaci zapojení lze stáhnout zde.

Generátor napětí pravoúhlého průběhu

obr. 89 - Generátor pravoúhlých kmitů s 555

Dobu T₁a T₂vypočteme podle vzorců:

(119)

(120)

Celková perioda výstupních kmitů:

(121)

Výpočet frekvence impulzů:

(122)

Simulaci zapojení lze stáhnout zde.

Ztrojovač napětí – výstupní napětí U₂ je přibližně trojnásobkem napětí U₁

Zde slouží integrovaný obvod 555 jako zdroj střídavého napětí, zesílení provede koncový násobič napětí.
Násobiče napětí jsou vhodně zapojené kombinace diod a kondenzátorů. Pomocí diod se kondenzátory při jedné polaritě střídavého proudu nabíjejí paralelně, a po přepólování se kondenzátory spojí sériově. Tím se napětí na jednotlivých kondenzátorech sčítají, a výstupní napětí je rovno násobku vstupního. Podobně jsou zapojené zdvojovače, které vstupní napětí pouze zdvojnásobí, případně umožní vytvořit symetrické napětí z jednoho napětí střídavého. Násobiče se používají pouze v některých zvláštních případech, v současnosti pouze při výrobě vysokého napětí pro napájení obrazovek nebo ionizátorů. Velkou nevýhodou násobičů napětí je rychle klesající účinnost s počtem stupňů.

obr. 91 - Villardův násobič napětí

obr. 92 - Ztrojovač napětí

Simulaci zapojení lze stáhnout zde.

Klopný obvod k úpravě napětí sinusového průběhu na pravoúhlý

obr. 92 - Klopný obvod k úpravě napětí sinusového průběhu na pravoúhlý

Simulaci zapojení lze stáhnout zde.

Modulátor pro amplitudovou modulaci AM:

obr. 93 - modulátor pro AM

Tranzistor v zapojení se společným emitorem pracuje jako vf zesilovač s laděným obvodem na výstupu (C2L2) a vstupu (L1C1). V sérii s obvodem L1C1 jsou rezistory, kterými je nastaven pracovní bod. Paralelně k nim je přiváděn nízkofrekvenční modulační signál f_nf . V jeho průběhu se pracovní bod mění, tranzistor se přivírá a otevírá. Tím se moduluje vf nosný signál f_vf. Na výstupu je nosný kmitočet o obě postranní pásma.

Modulátor pro amplitudovou impulsní modulaci:

obr. 94 - Modulátor pro amplitudovou impulsní modulaci:

Modulační signál je přiváděn na bázi tranzistoru T₁ který je ovládán spolu s tranzistorem T₂ napětím obdélníkového průběhu s opakovacím kmitočtem f_p. Vzorkovací impulsy musí mít dostatečnou amplitudu a jejich opakovací kmitočet je například 5 nebo 10 kHz a šířku 10, 25 nebo 50 mikrosekund.

Demodulátor pro amplitudovou modulaci - diodový detektor:

obr. 95 - Demodulátor pro amplitudovou modulaci - diodový detektor

Pro demodulaci AM signálů se nejčastěji používají diodové detektory, které vykazují malé zkreslení a správnou činnost i při velmi silných signálech. Velikost vstupního vf modulovaného napětí musí však být několik desetin Voltu.

Demodulátory FM signálů:

obr.č. 5.17 - Demodulátor FM signálu

Poměrový detektor:

obr. 96 - Poměrový detektor

Poměrový detektor je dokonalejší v tom, že je velmi citlivý a dokáže rušivou AM modulaci potlačit sám bez použití omezovače.

Zpět

5) Elektronická zapojení a příklady:

obr. 89 - Generátor pravoúhlých kmitů s 555

Dobu T1 a T2 vypočteme podle vzorců:

Celková perioda výstupních kmitů:

Dobu T₁a T₂vypočteme podle vzorců: