Zadanie c. 44

PRÍKLAD:

Zistite dobu kyvu monostabilého klopného obvodu podľa obr. 1 a jeho závislosť na napájacom napätí. Na základe napätí v jednotlivých uzloch vysvetlite pricíp činnosti obvodu.

OBVOD:

Obr.1 Schéma monostabilného klopného obvodu

RIEŠENIE:

Monostabilný klopný obvod je obvod, ktorý má jediný stabilný stav. Do druhého stavu môže byť privedený vnútorným impulzom a zotrvá v ňom po dobu danú hodnotami prvkov R2, C1 a nezávisí na dĺžke vstupného impulzu. V kľudovom stave je tranzistor Q2 vo vodivom stave. Q1 je v nevodivom a kondenzátor C1 je nabitý na napájacie napätie a jeho hodnota je menšia o U_be2 . Po privedení kladného impulzu na vstup (cez R5) tranzistor Q1 prejde do vodivého stavu. Na bázu Q2 sa dostane záporné napätie z C1, ktoré je teraz pripojené medzi zemou a bázou Q2. Tranzistor Q2 sa zavrie a cez R4 je Q1 držaný vo vodivom stave aj po skončení vstupného impulzu. Kondenzátor C1 sa nabíja cez R2 napätím zdroja U_nap podľa vzťahu :

a v okamihu, kedy napätie na báze Q2 dosiahne hodnoty približne 0.7V, tranzistor Q2 sa uvedie do vodivého stavu a tento stav sa prenesie na bázu Q1, ktorý sa uzavrie. Doba kyvu je určená časovou konštantou R2.C1, podľa vzťahu, ktorý získame po dosadení (U_C1=U_be2) a úprave predchádzajúceho výrazu:

Monostabilný klopný obvod teda prevedie takmer ľubovoľný vstupný impulz na výstupný obdĺžníkový impulz s definovanou dĺžkou a strmými hranami.

Pri analýze obvodu je použitá časová analýza (.tran ) a na vstup je privedený v čase 10ms obdĺžnikový impulz s amplitúdou 10V a dobou trvania 10ms. Perióda zdroja V_vst so špecifikáciou (typ PULSE) pre prechodovú analýzu je zvolená oveľa väčšia než predpokladaná doba kyvu monostabilného klopného obvodu a to 1s. Hodnota t₁ pre U_nap=10V je 57.7ms. Pri dosadení do hore uvedeného vzťahu dostávame pre U_be2 = 0.7V výsledok 56.6ms, čo predstavuje dobrú zhodu medzi teóriou a simuláciou. Koncová hrana impulzu klopného obvodu v kolektore Q1 má voľný nábeh daný opätovným nabitím C1 do vychádzajúceho kľudového stavu. Kolektor Q1 nie je teda vhodným bodom pre výstup, je ním kolektor Q2. V dobe nabíjania C1 nesmie prísť ďalší vstupný impulz, ak majú byť zachované parametre výstupného impulzu. Ak uvažujeme okamih, kedy napätie kolektora Q1 dosiahne 90% z maxima, tak platí približne:

K preklopeniu klopného obvodu dochádza v okamihu, kedy dosiahne hodnoty 0.7V nutné pre otvorenie Q2. Závislosť doby kyvu monostabilného obvodu na napätí zdroja dostaneme využitím parametrickej analýzy (.step), ktorej základnou analýzou je analýza (.tran), ktorá je vykonaná postupne pre hodnoty U_nap od 4V do 12V s krokom 2V. Hodnoty je potrebné zmenšiť o 10ms, o ktoré je posunutá Nábežná hrana impulzu. Pre porovnanie týchto hodnôt s teoretickými, by bolo nutné zo vzťahu opakovane vyčísliť t₁. Vypočítanie a vykreslenie aritmetického výrazu možno urobiť napr. nasledujúcim postupom. Urobí sa analýza jednoduchého obvodu s najmenším možným počtom prvkov, tj. dvoch, zdroj a rezistor. Napäťový zdroj reprezentuje nezávislú premennú, pre ktorú bude výraz vypočítaný, na hodnote odporu nezáleží. Analýzou pre jednorozmerné rozmiestnenie sa definuje pracovný rozsah nezávislej premennej. Po vykonaní analýzy sa v programe PROBE zadá zobrazenie premennej, žiadaným matematickým výrazom, pre náš prípad má tvar:

Je zrejmé, že pre nižšie hodnoty napájacích napätí (5V) sa diferencia zväčšuje, pretože sa uplatňuje vplyv konečnej hodnoty saturačného napätia U_CES.

Obr.2 Priebeh napätia na uzle číslo 2

CIR:

MONOSTABILNY KLOPNY OBVOD
R1 1 5 1k
R2 3 5 39k
R3 2 5 1k
R4 2 4 39k
R5 4 6 100k
C1 1 3 2u
VNAP 5 0 10
VVST 6 0 PULSE (0 10 10m 1u 10m 1)
Q1 1 4 0 BC107A
Q2 2 3 0 BC107A
.LIB D:\kniznica\skripta.lib
.STEP LIN VNAP 4 12 2
.TRAN 2m 0.1 0 1m
.END

OUT:

******* 05/16/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 16:19:35 *****

MONOSTABILNY KLOPNY OBVOD

**** CIRCUIT DESCRIPTION


******************************************************************************

R1 1 5 1k
R2 3 5 39k
R3 2 5 1k
R4 2 4 39k
R5 4 6 100k
C2 1 3 2u
VNAP 5 0 10
VVST 6 0 PULSE (0 10 10m 1u 10m 1)
Q1 1 4 0 BC107A
Q2 2 3 0 BC107A
.TRAN 2m .1 0 1m
.LIB D:\kniznica\skripta.lib
.STEP LIN VNAP 4 12 2 

******* 05/16/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 16:19:35 *****

MONOSTABILNY KLOPNY OBVOD

**** BJT MODEL PARAMETERS


******************************************************************************

BC107A 
NPN 
IS 7.049000E-15 
BF 375.5 
NF 1 
VAF 116.3 
IKF 4.589 
ISE 7.049000E-15 
NE 1.281 
BR 2.611 
NR 1 
IKR 5.313 
ISC 121.700000E-12 
NC 1.865 
RC 1.464 
CJE 11.500000E-12 
VJE .5 
MJE .2717 
CJC 5.380000E-12 
VJC .6218 
MJC .329 
TF 451.000000E-12 
XTF 17.43 
VTF 10 
ITF 6.194 
TR 10.000000E-09 
XTB 1.5 


******* 05/16/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 16:19:35 *****

MONOSTABILNY KLOPNY OBVOD

**** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

**** CURRENT STEP VNAP = 4 


******************************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 4.0000 ( 2) .1060 ( 3) .7004 ( 4) .0762 
( 5) 4.0000 ( 6) 0.0000 

VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
VNAP -3.979E-03
VVST 7.623E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 1.59E-02 WATTS


******* 05/16/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 16:19:35 *****

MONOSTABILNY KLOPNY OBVOD

**** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

**** CURRENT STEP VNAP = 6 


*****************************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 6.0000 ( 2) .1034 ( 3) .7113 ( 4) .0744 
( 5) 6.0000 ( 6) 0.0000 

VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
VNAP -6.032E-03
VVST 7.437E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 3.62E-02 WATTS


******* 05/16/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 16:19:35 *****

MONOSTABILNY KLOPNY OBVOD

**** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

**** CURRENT STEP VNAP = 8 


******************************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 8.0000 ( 2) .1034 ( 3) .7190 ( 4) .0744 
( 5) 8.0000 ( 6) 0.0000 

VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
VNAP -8.083E-03
VVST 7.437E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 6.47E-02 WATTS


******* 05/16/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 16:19:35 *****

MONOSTABILNY KLOPNY OBVOD

**** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

**** CURRENT STEP VNAP = 10 


*****************************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 10.0000 ( 2) .1044 ( 3) .7249 ( 4) .0751 
( 5) 10.0000 ( 6) 0.0000 

VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
VNAP -1.013E-02
VVST 7.513E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 1.01E-01 WATTS


******* 05/16/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 16:19:35 *****

MONOSTABILNY KLOPNY OBVOD

**** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

**** CURRENT STEP VNAP = 12 


******************************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 12.0000 ( 2) .1060 ( 3) .7297 ( 4) .0763 
( 5) 12.0000 ( 6) 0.0000 

VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
VNAP -1.218E-02
VVST 7.628E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 1.46E-01 WATTS

JOB CONCLUDED
TOTAL JOB TIME 3.62