Circuite de limitare - Limitatoare de tip serie

Circuite de limitare

Circuitul de limitare este circuitul care furnizeaza la iesire o marime (tensiune sau curent) proportionala cu marimea de la intrare, numai atunci cand aceasta se afla cuprinsa intre anumite limite, numite praguri de limitare. Cand marimea de la intrare depaseste pragurile de limitare, marimea corespunzatoare de la iesire se pastreaza constanta.

Limitarea se poate aplica semnalelor de orice forma. In cele mai dese cazuri, se utilizeaza limitarea unor semnale de forma sinusoidala pentru a obtine impulsuri derptunghiulare sau trapezoidale.

Limitarea oscilatiei sinusoidale se poate face : cu un prag (superior - fig. 4.1, a sau inferior -fig4.1, b ) sau cu doua praguri de limitare (fig4.1, c).

Pentru realizarea circuitelor de limitare, se folosesc elemente neliniare:diode semiconductoare sau tranzistoare.Cel mai simplu mod de realizare a limitatoarelor este prin folsirea dioadelor si rezistentelor.

In cazul diodelor semiconductoare, limitarea se obtine prin trecerea acestora din stare de conductie in stare de blocare si invers, atunci cand semnalul atinge valoarea de prag a limitatorului.

Clasificarea limitatoarelor se poate face dupa urmatoarele criterii:

-dupa modul de montare a diodei in circuit: limitatoare serie si limitatoare derivatie;

-dupa alternanta obtinuta la iesire (tipul pragului): limitatoare cu prag inferior si limitatoare cu prag superior;

-dupa marimea semnalului limitat in comparatie cu valoarea amplitudinii semnalului: limitatoare cu prag zero sau limitatoare cu avand o anumita valoare a pragului, aceasta depinzand de polarizarea diodei data de sursele continue din circuit.

Limitatoare de tip serie (fig4,2).Circuitul de limitare din figura 4,2,a, este un limitator serie, cu prag de limitare zero.Functionarea este urmatoarea: la aplicarea rezistentei pozitive, dioda conduce si intreaga tensiune aplicata se obtine la iesire.La aplicarea alternantei negative, dioda este blocata si tensiunea de iesire este zero.La iesire se obtin astfel numai alternantele pozitive.Daca dioda este polarizata cu o sursa E, cu minusul spre anod (fig4,2 a), dioda va conduce numai semnalele pozitive ce depasesc valoarea E de negativare a anodului, obtinandu-se o limitare cu prag inferior +E

In mod similar , se explica obtinerea semnalelor de iesire pentru cazurile in care dioda este montata invers, cu si fara sursa de polarizare a catodului (fig 4,2)

Limitatoare de tip derivatie In aceste circuite dioda se monteaza in paralel pe bornele de iesire ale circuitului (fig4,3)

Pentru cazul limitatorului din figura 4,3 a, pentru alternanta pozitiva a semnalului, dioda este blocata si aceasta trece nemodificata la iesirea circuilui.

La aplicarea alternantei negative, dioda conduce si scurtcircuiteaza semnalul la masa.Se obtine astfel un limitator cu prag inferior zero.

Prin introducerea unei surse E in serie cu dioda, (fig) cu polul negativ spree anodul diodei, aceasta conduce alternanta negativa numai dupa ce valoarea acesteia depaseste negativarea E a anodului. Se obtine astfel o limitare cu prag inferior la -E.

Explicarea circuitelor reprezentate in figura 4,3 se face in mod similar.

Prin asocierea unor circuite de limitare de tip derivatie, polarizate, ca in figura 4,5, se obtine un limitator cu doua praguri de limitare. Daca la intrarea unui limitator cu doua praguri se aplica o tensiune sinusoidala, la iesire se obtine o tensiune limitata, cea mai apropiata ca forma de o succesiune de impulsuri trapezoidale.

Cu cat pragurile sunt mai apropiate si amplitudinea semnalului este mai mare, cu atat se poate asimila mai bine semnalul rezultat cu o serie de impulsuri dreptunghiulare.

a.      Circuite de derivare

Circuitele de derivare (de ascutire) sunt circuite RC folosite pentru obtinerea unor impulsuri de scurta durata (ascutite) din impulsuri de durate mari, de obicei de tip dreptunghiular.

In figura . se reprezinta un circuit de derivare RC. Functionarea lui se bazeaza pe proprietatea condensatorului de a nu-si varia brusc tensiunea la borne, bazata pe faptul ca energia sa nu poate varia prin salt. In aceste conditii, la aplicarea unui impuls dreptunghiular (un "salt'' de tensiune ), condensatorul se prezinta in primul moment ca un scurtcircuit, avand tendinta sa-si pastreze starea initiala de neincarcare. Saltul se transmite la iesire (fig .). Treptat, condensatorul se incarca, ceea ce scade in mod corespunzator valoarea tensiunii de iesire.

La aplicarea frontului posterior al semnalului dreptunghiular ("salt" negativ) condensatorul are aceeasi comportare, tinzand sa-si pastreze nemodificata starea de incarcare. In mmod lent, condensatorul se descarca exponential, tensiunea de iesire revenind la zero. Se observa deci ca la un impuls relativ lung, aplicat la intrare, se obtin la iesire doua impulsuri scurte, pe polaritati opuse. Pentru ca la iesirea circuitului sa se obtina impulsuri scurte (ascutite), este necesar ca incarcarea si descarcarea condensatorului sa se produca intr-un interval de timp mai redus decat durata t a impulsului dreptunghiular aplicat. Se impune deci respectarea conditiei :

    ( 4.1)

b.      Circuite de integrare

Circuitele de integrare (de netezire) sunt circuite RC folosite pentru obtinerea unor impulsuri cu fronturi modificate fata de cele ale semnalului de intrare, ele furnizand la ietire integrala semnalului de intrare.

Schema unui astfel de circuit RC este reprezentata in figura 4.7 Daca parametrii circuitului respecta conditia ca valoarea constantei de timp a circuitului sa fie mult mai mare decat durata impulsului :

    (4.3)

atunci la aplicarea unui semnal dreptunghiular condensatorul se incarca lent, aproximativ liniar (fig. 4.8 ,a).

Tensiunea de iesire creste treptat pana la disparitia impulsului de iesire. In acest moment, condensatorul incepe sa se descarce, iar tensiunea de iesire scade treptat,tinzand, catre zero. Datorita incarcarii si descarcarii lente a condensatorului, asigurate de conditia (4.3), impulsul de iesire are o forma aproximativa triunghiulara, ca in figura 4.8,a.

Daca circuitul are o constanta de timp de valori mai mici sau comparabile cu durata impulsului aplicat la intrare, condensatorul se poate incarca prin rezistenta pana la valoare maxima si semnalul de iesire apare ca in figura 4.8, b.

Prin asocierea corespunzatoare a unor circuite de limitare, de derivare si de integrare se pot obtine diverse forme de impulsuri plecand de la un semnal sinusoidal.

5.1 Circuite basculante astabile. Circuitele basculante astabile, numite si multivibratoare, se utilizeaza pentru a genera impulsuri dreptunghiulare periodice. Ele pot fi considerate oscilatoare, in sensul ca semnalul de iesire apare fara a necesita un semnal de comanda la intrare.

In figura 5.1 se reprezinta un astfel de circuit, la care tranzistoarele se afla pe rand in regim de conductie sau de blocare pe anumite intervale de timp fara intervensia unor semnale de comanda exterioare.

Functionarea circuitului este ilustrata prin diagramele de variatie ale tensiunilor din figura 5.2

Desi schema este sistematica, executata cu elemente respectiv egale, la conectarea sursei de alimentare, datorita imperfectiunilor tehnologice, apare o mica variatie a curentului de colector al unuia dintre tranzistoare(de exemplu ). Cresterea caderii de tensiune pe (), produsa de cresterea lui , duce la scaderea potentialului de colector al propiului tranzistor . Aceasta scadere se transmite prin pe baza tranzistorului , ducand la micsorarea curentului acestuia de colector. Prin aceasta, scade caderea de tensiune data de pe rezistenta sa de colector si creste potentialul de colector al lui . Aceasta crestere de transmisie prin pe baza lui , marind valoarea curentului sau de colector . Procesul evolueaza in avalansa si duce in final la conductia de saturatie si la blocarea lui . In acest timp, condensatorul , care s-a incarcat in circuitul, incepand sa se descarce prin si , ajungand ca la un moment dat tensiunea pe (care este legata in paralel pe intrarea lui ) sa devina egala cu tensiunea de deschidere a tranzistorului .

Acesta incepe sa functioneze si cu aceeasi succesiune de fenomene, referitoare de aceasta data la , se ajunge la saturat si bloacat. Fenomenul se repeta periodic. Circuitele de incarcare si respectiv de descarcare ale condensatorului sunt redate in figura .

In figura 5.2 a se reprezinta situatia blocat si saturat. Condensatorul se afla practic descarcat in circuitul alcatuit din: E,R// r si R//r.

Dar T fiind blocat, rezistenta sa colector emitor este foarte mare (r R), iar T fiind saturat, rezistenta sa baza emitor este foarte mica (r R), astfel ca circuitul real de incarcare al lui O ramane alcatuit din: E, R si r.

In figura., se reprezinta situatia T saturat si T blocat.Condensatorul C incarcat , se afla in circuitul alcatuit din :R//r si R//r.Dar T fiind saturat r R, iar T fiind blocat R r, astfel ca circuitul de descarcare ramane practic alcatuit din r si R.

Variatiile tensiunilor din colectoarele tranzistoarelor, pot fi considerate a impulsuri de forma aproximativ dreptunghiulara.Durata fiecarui impuls generat este determinata de timpul necesar, potentialului bazei tranzistorului blocat pentru a variai intre valoarea maxima si zero, avand valorile:

T=0,79 CR (5.1)

T=0,69 CR (5.2)

Pentru imbunatatirea formei de unda a semnalului de iesire, capacitatile C si C se conecteaza la colectoarele tranzistoarelor prin intermediul unei diode(5.3), in punctul comun dintre dioda si condensator introducandu-se cate o rezistenta legata la sursa de alimentare.in felul acesta incarcarea condensatoarelor din colectoarele tranzistoarelor saturate nu se mai face prin rezistentele de colector ale tranzistoarelor blocate, ci prin rezistentele nou-introduse, imbunatatind frontul anterior al impulsurilor din colectoare.

Intrucat, in mod obisnuit, stabilitatea perioadei impulsurilor generate de multivibrator, nu este satisfactoare, se recurge frecvent la sincronizarea prin impulsuri exterioare, aplicate pe bazele tranzistoarelor prin condensatoare de capacitati mici, determinand deschiderea tranzistorului mai repede decat in absenta impulsului si asigurand astfel frecventa de lucru dorita.

5.2 Circuite basculante monostabile. Schema tipica a unui astfel de circuit este redata in figura(5.4)

Spre deosebire de cazul circuitelor astabile, schema nu mai este simetrica, ceea ce determina si comportarea circuitului ce are o singura stare stabila.

Functionarea circuitului este urmatoarea: daca la aplicarea tensiunii de alimentare se obtine o variatie suplimentara a curentului de colector I al tranzistorului T, prin fenomene similare celor descrise la circuitul basculant astabil, T ajunge sa conduca la saturatie, iar T este blocat.Aceasta este o stare instabila, deoarece prin procesele descrise anterior are loc descarcarea condensatorului C pana tensiunea pe baza lui T scade, permitand conductia lui T.Din acest moment, procesele au loc in sensul maririi conductiei lui T saturat.Aceasta a doua stare reprezinta starea stabila a montajului.Datorita prezentei tensiunii E de blocare a bazei lui T, descarcarea lui C nu mai poate avea loc.

Trecerea in starea initiala,se poate face numai aplicand un impuls de comanda pe baza lui T, de polaritate corespunzatoare scoaterii bazei lui T din starea de blocare, sau pe baza lui T, astfel incat sa-i micsoreze starea de conductie.De obicei este folosita cea de-a doua varianta(fig 5.5).La aplicarea fiecarui impuls de comanda, pe colectorul tranzistorului T se obtine un impuls dreptunghiular de polaritate negativa si durata proportionala cu constanta de timp CR.Diagrama de variatie a tensiunilor obtinute in colectoare, respectiv in bazele tranzistoarelor este reprezentata in figura 5.6

5.3 Circuite basculante bistabile. Circuitele basculante bistabile caracterizate prin doua stari stabile egal posibile, au un domeniu vast de aplicatii fiind elemente de baza in schemele logice de comanda, numaratoare, registre, circuite de memorizare.

Functionare.Schema cea mai raspandita este cea simetrica (fig 5.7), in care se folosesc doua surse de polarizare:pentru colectoarele (E) si respectiv pentru bazele tranzistoarelor (E). Procesele de basculare au o desfasurare aemanatoare celor descrise la circuitele basculante anterioare: o mica variatie a curentului de colector al unuia dintre tranzistoare (de ex. T) determina, datorita cuplajelor existente intre colectorul unui tranzistor si baza celuilalt, aducerea la saturatie a tranzistorului T si respectiv blocarea tranzistorului T.Aceasta stare este stabila, deoarece polarizarea exterioara a bazei tranzistorului blocat(E) impiedica scaderea tensiunii aplicate pe baza acestuia sub valoarea de taiere.In aceasta stare, circuitul poate ramane un timp indelungat.Pentru a provoca bascularea trebuie aplicat un impuls exterior astfel ales, ca polaritate, amplitudine si loc de aplicare, incat sa schimbe starea montajului.Acest lucru este posibil in doua situatii: fie prin scoaterea tranzistorului T din starea de blocare, determinand deschiderea sa, fie prin scoaterea lui T din saturatie, micsorand conductia sa.In multe cazuri impulsul exterior se aplica pe baza tranzistorului saturat, pentru schema prezentata (cu tranzistoare npn) impulsul avand polaritate negativa.

Dupa primirea impulsului de comanda,circuitul basculeaza, trecand rapid in cea de a doua stare stabila, in care T la saturatie si T este blocat.Pentru schimbarea acestei stari este necesara aplicarea unui nou impuls de comanda exterior.In colectoarele celor doua tranzistoare se obtin impulsuri dreptunghiulare, de polaritati opuse si de durata egala cu intervalul dintre doua impulsuri succesive de comanda.(fig 5.8)

Spre deosebire de circuitul astabil, condensatoarele C din schema au numai rolul de a accelera procesul de comutare de la o stare la alta, prezentandu-se ca un scurtcircuit la variatii bruste ale tensiunii si deci transmitand integral aceste variatii.Ele compenseaza in acelasi timp efectele capacitatilor parazite de intrare ale tranzistoarelor, care impreuna cu rezistentele (RIIC si RIIC) din schema pot fi circuite de integrare, care ar produce rotunjirea fronturilor impulsurilor.

Rotunjirea fronturilor nu poate insa fi complet evitata, ea datorandu-se timpului de comutatie al tranzistoarelor, timp de valoare mai mare atunci cand tranzistorul a lucrat la saturatie.

Pentru a evita eventualele inconveniente create de sursa de polarizare a bazelor E, se pot realiza circuite basculante bistabile, la care aceasta sursa este eliminata din schema.In acest caz , polaritatea bazelor este asigurata de o rezistenta R conectata in circuitul de emitor al celor doua tranzistoare(fig 5.9).

Intrucat tranzistoarele conduc pe rand curenti egali, circuitul fiind simetric, tensiunea care apare la bornele acestei rezistente este constanta si asigura polarizarea necesara bazelor.

Dupa tipul circuitului de comanda folosit,circuitele basculante bistabile pot fi de urmatoarele tipuri(fig 5.10)

-circuite basculante bistabile de tip RS (fig 5.10.a), la care comanda se face pe baze, pe doua intrari numite R si S, cu impulsuri dreptunghiulare aplicate prin intermediul unui circuit de derivare si o dioda ce selecteaza polaritatea dorita pentru impulsul de comanda.Impulsul aplicat pe R aduce circuitul intr-o stare notata "0" iar cel aplicat pe S aduce circuitul in starea"1". Aplicand simultan impulsuri pe ambele intrari, rezulta o stare de nedeterminare, in sensul ca circuitul poate ramane intamplator fie in starea anterioara aplicarii impulsului, fie poate bascula;

-circuite basculante bistabile de tip JK (fig.5.10.b) constituie o varianta imbunatatita a celui de tip RS.

Legarea rezistentei R a circuitului de derivare la colector( in loc de conectarea ei la masa) duce la ridicarea starii de nedeterminare.Impulsurile aplicate pe intrarea J aduc circuitul in starea "1" cele aplicate in starea "0" iar aplicarea simultana a impulsurilor pe J si pe K determina bascularea circuitului in starea complementara celei in care se afla;

-circuite basculante bistabile de tip T (fig5.10.c):la aplicarea unei succesiuni de impulsuri pe aceasta intrare comuna celor doua baze, circuitul basculeaza la fiecare comanda primita.

Bistabilul Schmitt. Bistabilul (triggerul) Schmitt (fig 5.11) reprezinta un circit basculant cu doua stari stabile de echilibru, avand insa o schema asimetrica.Cuplajul intre tranzistoare este asigurat din colectorul lui T in baza lui T prin rezistenta R, iar invers intre T si T, prin intermediul rezistentei de emitor R.Din aceasta cauza, circuitul mai este numit circuit bistabil cu cuplaj prin emitor.

Functionarea bistabilului este urmatoarea: se considera in starea initiala T blocat si T in conductie puternica; la aplicarea la intrare (pe C) a unui semnal a carui amplitudine depaseste tensiunea de blocare("nivelul de prag"), T incepe sa conduca.Tensiunea sa de collector scade, se aplica prin cuplaj rezistiv pe baza lui T care isi micsoreaza conductia , pe rezistenta comuna R apare o micsorare a caderii de tensiune, determinand o conductie insa mai puternica a lui T, ducand intr-un timp extrem de redus la situatia:T saturat, T blocat( a doua stare stabila).

Starea dureaza pana cand semnalul exterior scade sub o anumita valoare(U) fata de valoarea de deschidere a tranzistorului T.In acest caz, T isi micsoreaza conductia, determinand aparitia starii initiale(T blocat, T saturat).

Datorita specificului sau de functionare, circuitul basculant bistabil Schmitt poate avea urmatoarele utilizari(fig 5.12):

-formator de impulsuri dreptunghiulare din semnale alternative aplicate la intrare(fig.)

-memorator de impulsuri pentru un semnal de intrare alcatuit dintr-o succesiune de impulsuri de polaritati diferite; circuitul basculeaza ori de cate ori se schimba polaritatea impulsurilor de intrare(fig 5.12)

-discriminator de amplitudine a impulsurilor; circuitul basculeaza, deci da semnalul de iesire ori de intrare(de cate ori semnalul de intrare sau impulsurile de intrare depasesc tensiunea de prag U (fig 5.12 c).