Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Н. — И какой из двух станет жертвой?

Л. — Это зависит от величины Uвх. Предположим для начала, что Uвх имеет отрицательный знак; разумеется, что в этом случае запертым окажется Т1. При увеличении напряжения Uвх до некоторой величины А транзистор Т1 открывается, а Т2 запирается. На этот раз очень приятно, что отпирание Т2 происходит очень быстро и совершенно независимо от скорости, с какой напряжение Uвх проходит величину А, именуемую порогом.

Н. — Чудесно! Значит я могу повышать напряжение Uвх на 1 в в сутки, но когда напряжение пройдет величину А, опрокидывание схемы все равно произойдет быстро?

Л. — Конечно. Здесь имеется определенная аналогия с реле: можно медленно увеличивать ток в катушке и, когда ток достигнет нужного значения, реле сработает. В реле тоже действует положительная обратная связь: как только язычок реле начинает двигаться, воздушный зазор уменьшается и это усиливает магнитное притяжение.

Н. — А если я также медленно начну снижать напряжение Uвх, то когда оно вновь пройдет величину А, схема также резко опрокинется обратно?

Л. — Схема действительно резко опрокинется обратно, но это произойдет не при прохождении величины А, а при прохождении величины В меньшей, чем А. При первом опрокидывании схемы на коллекторе транзистора Т1 высокий потенциал на базе Т2, следовательно, тоже относительно высокий (это же относится к потенциалу эмиттеров). Поэтому для отпирания транзистора Т1 напряжение Uвх должно подняться довольно высоко.

В отличие от этого при втором опрокидывании, соответствующем снижению потенциала базы транзистора Т1, ток проходит через транзистор Т1. Потенциал на его коллекторе низкий, потенциал базы Т2 тоже; это же относится и к эмиттерам. В этих условиях транзистор Т2 окажется вновь запертым только при более низком напряжении Uвх, а именно, когда оно достигнет величины В. Все происходит точно так, как в реле: когда язычок реле замкнул контакт, можно снизить ток в катушке значительно ниже уровня тока, потребовавшегося для срабатывания реле.

Н. — А что произойдет в твоей странной схеме, если напряжение Uвх будет держаться в пределах между А и В?

Л. — Моя странная схема называется триггером Шмитта. А если ты будешь удерживать значение напряжения Uвх между А и В, я не смогу сказать, в каком состоянии будет триггер. В этих условиях транзистор Т1 может оказаться запертым, если напряжение Uвх достигло своего значения, поднимаясь с величины, меньшей В; но транзистор Т1 может оказаться и открытым, если напряжение Uвх подошло к данному значению, уменьшаясь относительно величины, большей А. Все происходит, как в реле; если значение тока в катушке находится между током срабатывания реле Iс и его током отпускания Iо, я не могу определенно сказать, замкнут язычок реле или нет. Впрочем, если язычок не замкнут, нажми на якорь и язычок останется притянутым, а если он замкнут, оттяни якорь и язычок сохранит воздушный зазор.

Н. — Я не понимаю, зачем нужна твоя схема?

Л. — Схема интересна тем, что она не может находиться в промежуточном состоянии. У нее имеется два возможных устойчивых состояния и из-за этого свойства ее называют «бистабильной».

Н. — Но тогда для нее невозможно начертить кривую, показанную на рис. 59.

Л. — Ты ошибаешься — возможно, но немного сложнее. Для тебя я начертил такую кривую на рис. 62. Но это уже не простая кривая, а «петля». Если напряжение Uвх меньше В, все ясно — выходное напряжение равно Uк2 мин. Начнем повышать напряжение (следи за стрелкой на рис. 62): при прохождении Uвх значения А схема опрокидывается и выходное напряжение UK2 «подскакивает» от (Uк2)мин до величины +Е (здесь поднимающаяся ветвь строго вертикальна). Дальнейшее повышение напряжения Uвх никак не сказывается на выходном напряжении Uк2 — оно остается на уровне +Е. Начнем теперь снижать напряжение Uвх; при прохождении А ничего не происходит (продолжай следить за соответствующей стрелкой на рис. 62), когда же напряжение Uвх станет меньше В, схема вновь опрокинется.

Рис. 62. Кривая, характеризующая изменение напряжения коллектора транзистора Т2 триггера Шмитта в зависимости от напряжения Uвх, свидетельствует о существовании явления, аналогичного гистерезису. Это уже не простая кривая, а петля.

Н. — Твоя кривая мне что-то напоминает… совершенно верно, она идентична петле гистерезиса ферритов, которые используются в запоминающих устройствах цифровых электронных вычислительных машин.

Л. — Оооохх!!!

Н. — Прошу тебя, не падай в обморок. Откровенно говоря, я недавно попытался прочитать популярную статью на эту тему и теперь имею некоторое представление о значении этих выражений.

Л. — Теперь мне лучше. Позднее я объясню тебе это несколько подробнее, но твое замечание было так верно, что у меня вдыхание перехватило.

Н. — А теперь, прежде чем идти дальше, я попросил бы тебя рассказать, как используется триггер Шмитта и при каких обстоятельствах прибегают к амплитудным ограничителям.

Л. — Сейчас я приведу один пример из практики. Видел ли ты на выставках системы с фотоэлементом, считающие посетителей?

Н. — Видел. В проходе установлен фонарь, посылающий луч света на небольшую коробочку, в которой должно быть находится фотоэлемент. При входе посетитель прерывает луч света.

Л. — Правильно. В такой установке при отсутствии посетителей никогда нельзя знать интенсивность попадающего на фотоэлемент света, так как световой поток от лампы может изменяться (немного со временем и значительно больше от колебаний напряжения сети). А когда посетитель перекрывает собой луч света, остаточный свет также не достаточно известен (на фотоэлемент всегда попадает сбоку некоторое количество света от других источников).

Н. — И особенно, если посетитель немного прозрачен!

Л. — Установка не рассчитана для подсчета полупризраков. Во всяком случае, как ты видишь, поступающий в фотоэлемент сигнал точно неизвестен. Поэтому представляется целесообразным установить на выходе фотоэлемента триггер Шмитта; благодаря ему мы получим совершенно определенный выходной сигнал «все или ничего». Кроме того, сигнал будет иметь крутые фронт и спад, что очень важно, если мы захотим превратить сигналы в короткие импульсы, которые я тебе скоро покажу. При необходимости лишь «подрезать» сигналы сверху, можно ограничиться схемой LTP с рис. 58 или даже простым транзисторным усилителем с очень сильной перегрузкой. Как ты видишь, на рис. 63 нагрузочная прямая пересекает характеристику при Iб. э = 0 в точке А и характеристику при Iб. э = 100 мка, например, в точке В. В точке А транзистор почти заперт (проходит лишь ток утечки), а в точке В транзистор находится в состоянии насыщения; он может пропустить значительный ток коллектора при разности потенциалов коллектор — эмиттер 0,1 в или даже меньше. Если мы сделаем так, что в усилителе выходной транзистор будет возбуждаться током базы, то снижающимся до нуля (и возможно даже изменяющим направление), то значительно превышающим 100 мка, выходное напряжение будет очень хорошо ограничено сверху и его размах (или удвоенная амплитуда выходного напряжения) будет практически равен напряжению £ питания последнего каскада.

Рис. 63. Про транзистор, на который напряжение питания Е подается через резистор R, говорят, что он находится в состоянии насыщения (точка В), если на его базу поступает достаточный ток. Он может также быть запертым или почти запертым (точка А).