2013. július 14., vasárnap

Billenőkörök


  1. Bistabil billenőkör
    1. Tranzisztorral
    2. Műveleti erősítővel
    3. Időzítővel
  2. Monostabil billenőkör
    1. Tranzisztorral
    2. Műveleti erősítővel
    3. Időzítővel
  3. Astabil billenőkör
    1. Tranzisztorral
    2. Műveleti erősítővel
    3. Időzítővel
  4. Schmitt-trigger
    1. Tranzisztorral
    2. Műveleti erősítővel
    3. Időzítővel


Bistabil billenőkör

  "Bi"-stabil, mert két stabil állapota van az áramkörnek.


Tranzisztorral

     Pontosabban két tranzisztor közül vagy az egyik van nyitva vagy a másik. Az áramkörökben szereplő alkatrészek működése az Áramköri alkatrészek című bejegyzésben megtalálhatók.
- A bekapcsolás pillanatában mindkét tranzisztor zárva van, ám mindkettő bázisára áram kerül az R1-R4 és R2-R3 ellenállásokon keresztül, amitől egyszerre akarnak kinyitni.
- Egyik tranzisztor gyorsabban kinyit, mondjuk a T1.
- A nyitott tranzisztor emmitter (E) és kollektor (C) lábai között kicsi az ellenállás (20-100 ohm) ami így maga felé vonzza az áramot az R1 és R4 közös csomópontjából. Ezáltal R4-en már nem fog elegendő áram folyni T2 kinyitásához. Az áramkör ebben a stabil állapotban marad.
- Ahhoz, hogy ez a stabil állapot megszűnjön, azaz átbillenjen a másik stabil állapotába, "kézzel" kell kinyitni a másik tranzisztort. Ezt tehetjük úgy, hogy nyitásra kényszerítjük T2-t vagy úgy is, hogy zárásra kényszerítjük T1-et. A művelethez B1 vagy B2 pontra adunk impulzust. Az R5 és R6 ellenállás csak azért szükséges, hogy nehogy túl nagy áram jusson a bázisra és tönkretegye a tranzisztort (áramkorlátozó ellenállások).
- Ha B2-re pozitív feszültséget kapcsolunk T2 ki fog nyitni, az E-C lábak maguk felé vonzzák az áramot a csomópontból, R3-on már nem fog elegendő áram folyni, hogy nyitva tartsa T1-et, így az bezárul. T1 bezárásával a kollektorról az áram áttér R4 irányába és nyitva tartja T2 bázisát. Innentől kezdve lekapcsolhatjuk a pozitív feszültséget B2-ről, hiszen átbillent az áramkör.
- A másik megoldás, ha B1-re negatív feszültséget kapcsolunk, ez ugyanis zárásra fogja késztetni T1-et. Hiába, hogy mindkét tranzisztor zárva és T1 a gyorsabb, a bázisán lévő negatív feszültség nem fogja hagyni, hogy nyitva maradjon. Ezért T2 fog helyette kinyitni, ami elszívja R3-ból az eddig T1-et nyitva tartó áramot. A zárt T1 miatt elegendő bázisáram jut T2-be, hogy nyitva maradjon, innentől kezdve le lehet kapcsolni a negatív feszültséget B1-ről, az áramkör átbillent.
- Látható, hogy a zárt NPN tranzisztort pozitív impulzussal lehet kinyitni, vagy a nyitottat negatívval bezárni, hogy az áramkör átbillenjen. Ha PNP tranzisztorok lennének, akkor ugyanez ellentétes előjelű feszültségekkel lenne lehetséges.

      A tranzisztorok nagyon gyorsan kapcsolnak, az átbillentő impulzusnak elegendő egy négyszögjel felfutó vagy lefutó éle is. Ha csak felfutó élekre billenne az áramkör, akkor az áramkör a négyszögjel frekvenciájának pontosan a felével billegne, tehát frekvenciaosztónak is megfelel. A kettővel osztott frekvenciát valamelyik tranzisztor kimenő köréről lehet leolvasni, azaz a kollektorról. T2 kollektorán az eredeti négyszögjel kétszerese jelenik meg, T1 kollektorán pedig ennek negáltja (270 fokos fáziseltolás). Ahhoz, hogy csak pozitív impulzusok jussanak B1 és B2 pontokba, egy-egy diódát kapcsolunk az ellenállások irányába, melyek egyszerűen levágják, nem engedik át a negatív feszültségeket. Mikor B1 és B2-re is egyaránt pozitív feszültség kerül, a nyitott tranzisztoron semmi nem fog változni, ám a zárt tranzisztor nyitásra lesz kényszerítve, ami átbillenti az áramkört. Az impulzus tehát mindig csak a zárt tranzisztorra lesz hatással.
      Mivel az áramkör stabil marad míg egy külső impulzus ezen nem változtat, a kapcsolást jeltárolóként is használják. Például a nyomógombos kapcsolóknál is ezt a megoldást alkalmazzák, vagy a gyártószalagnál is ilyen áramkör jelzi, hogy foglalt-e az a bizonyos szakasz vagy sem (a szakasz be- és kimeneti nyílásaira felszerelt fotocellák billegtethetik az áramkört).


Műveleti erősítővel

      Művelet erősítő segítségével kevesebb alkatrészből megvalósítható bármilyen billenőkör (multivibrátor).
A tranzisztoros billenőkörrel ellentétben, ahol nem tudni melyik fog először bekapcsolni (hacsak nem befolyásoljuk ezt), bekapcsolás pillanatában a kimeneten földpotenciál van, azaz 0V (legalább is bemenő feszültség hiányában). A bistabil műveleti erősítő, a vezérlés szempontjából is különbözik a tranzisztorostól. Itt a bemenetre kapcsolt feszültség előjele határozza meg, hogy az áramkör melyik stabil állapotba kerüljön. Éppen ezért egy kis hiszterézist visz a működésbe, hiszen fontos szerepe van a küszöbértékek közti távolságnak. Ha ez nem elég nagy, például +0.0001V és -0.0001V, akkor az áramkör nem fog átbillenni. Mivel a műveleti erősítő invertáló bemenetére van vezetve a vezérlőfeszültség, a negatív impulzus pozitív állapotba, a pozitív impulzus pedig negatív állapotba billenti az áramkört. Az átbillenések küszöbfeszültségei a műveleti erősítő telítettségi (szaturációs: Usat) és kimeneti (Uki) feszültségétől, valamint R2,R3 ellenállások értékeitől függenek:
 A telítési feszültség tulajdonképpen a műveleti erősítő tápfeszültsége. Az átbillenési feszültséget a műveleti erősítő nem-invertáló bemenete adja, azaz R2,R3 feszültségosztó leosztott értéke, ami az R2 által létrehozott pozitív visszacsatolás miatt függeni fog a kimenő feszültségtől. Ha a kimenet pozitív, akkor a vissza csatolt bemenet is pozitív lesz, felgyorsítván a műveleti erősítő pozitív telítettségének elérését. Ugyanez igaz negatív előjelekkel is. A hiszterézis tartomány nagysága könnyen kiszámítható:
A bemenetre kötött R1 ellenállás és C kondenzátor felül-áteresztő szűrőként (vagy differenciáló tagként) viselkedik és az áramkör DC komponensektől való leválasztásáért valamint a bemenet stabilitásáért felelős.
      Az áramkörre adott pozitív vagy negatív impulzus után a bemenet leválasztható, az áramkör meg fogja őrizni stabil állapotát. Itt fontos szerepet játszik az R1, mint lehúzó ellenállás, ami 0V-on tartja a bemenetet. Gyakorlati szempontból főleg komparátorként ismert ez az áramkör. Ebben az esetben R3 ellenállás nem a földre húzza a feszültségosztó vonatkoztatási pontját, hanem egy referenciafeszültségre. Tehát ha az R3 földre kötése helyett egy, a földnél pozitívabb vagy negatívabb feszültséget kapcsolunk, akkor a kimenet annak függvényében fog változni, hogy az Ube bemenet nagyobb-e vagy kisebb ennél a referencia feszültségnél. Következtetésképp a bemeneti feszültségek képletei is megváltoznak:
További alkalmazásként megemlíthető a küszöbérték-kapcsoló, az analóg-digitális átalakító és a Schmitt-trigger.



Időzítővel

A bistabil billenőkör flip-flop-ként működik: a kimenet vagy magas vagy alacsony. A kapcsolóval a trigger (2) és reset (4) lábakat kapcsolgatjuk a földre, melyek alapból fel vannak húzva a tápfeszültségre. Kezdetben, ahogyan a rajzon van, a trigger-t kapcsoljuk a földre. Ekkor a komparátor bemenetei közti egyenlőség nem fog teljesülni és az IC kimenetén logikai 1 lesz. Ha a kapcsolót átkapcsoljuk az áramkör belső tranzisztoros flip-flop-jának reset-je lép működésbe, azaz a kimenet visszaáll 0-ra.









Monostabil billenőkör

  "Mono"-stabil, mert csak egy stabil állapota van. Ha átbillentjük a másik állapotba, rögtön visszabillen a stabil állapotába.



Tranzisztorral

     A különbség a bistabil billenőkörhöz képest az, hogy az egyik visszacsatoló ellenállás helyett egy kondenzátor (C1) és egy kivezérlőellenállás (RB1) található.
- A bekapcsolás pillanatában mindkét tranzisztor zárva van, ám mindkettő bázisára áram kerül az RT1-RB2 és RB1 ellenállásokon keresztül, amitől egyszerre akarnak kinyitni. RT2 csak a C1-et tölti fel, ami miután feltelt szakadásként viselkedik, tehát semmiképp sem szolgáltat áramot T1 bázisának.
-Mivel T1 túlvezérlődik RB1 ellenálláson (ha RB1=RB2 akkor nagyobb áramot kap), az fog kinyitni hamarább.
- A nyitott T1 emmitter (E) és kollektor (C) lábai között kicsi lesz az ellenállás ami így maga felé vonzza az áramot, ezért RB2-n már nem fog elegendő áram folyni T2 kinyitásához. Az áramkör ebben a stabil állapotban marad.
- Az áramkört a B2 pontra kötött pozitív impulzussal tudjuk átbillenteni a másik állapotba. Stabil állapotban T2 zárva van, tehát a C-E lábai között Vcc mérhető, mondjuk 12V, ami nem más mint a kondenzátor pozitív lábán lévő feszültség. A kondenzátor negatív lábán T1 bázisfeszültsége van, ami a túlvezérlő RB1-nek köszönhetően 0.8V körüli. Tehát a kondenzátor 11.2V-ra tud feltöltődni.
- B2-re pozitív feszültséget kapcsolva (R - áramkorláztolón keresztül) T2 tranzisztor kinyit. Ekkor a C-E lábai közti ellenállás lecsökken, ami maga után vonja a C-E feszültség lecsökkenését is, kb 0.2V-ra. Így a feltelt kondenzátor pozitív lábán 0.2V, negatív pólusán pedig -11V lesz. Ez a negatív feszültség T1 bázisára érkezik és zárásra kényszeríti T1-et (legalább is amíg a kondenzátor ki nem sül).
- Amint T1 bezár, az áram az RB2 ellenállás fele vezető utat fogja választani, elegendő áramot biztosítván T2 bázisának a nyitva tartáshoz. Tehát T2 nyitva marad amíg a kondenzátor ki nem sül és ez az instabil állapot.
- A kondenzátort az RB1-ről érkező áram süti ki (hiszen pozitívabb feszültségű mint a kondenzátor lábán lévő feszültség), ami a kondenzátoron át a T2 tranzisztor C-E lábán a föld felé halad. A kisülés ideje függ az RB1 ellenállás és a C1 kondenzátor értékétől, pontosabban a kettejük szorzata, megszorozva még egy 0.69-el, ami a kondenzátor exponenciális kisüléséből adódik (t=0.69*RB1*C1).
- Miután teljesen kisült a kondenzátor, ismét feltelik az RB1-en lévő 0.8V feszültségig, amitől T1 kinyit elirányítván az áramot RB2-ről, minek következtében T2 bezár és ezzel visszabillent az áramkör a stabil állapotába. A kondenzátor most a T2 kollektoráról tovább tud telni, egészen 11.2V-ig. A feltöltési idő függ T2 C-E lábai közti ellenállástól.

      A kondenzátor kisülési idejét 1us-tól egészen 30 percig meg lehet nyújtani, éppen ezért, ha a bemenetre impulzusokat, négyszögjelet adunk, ezek hosszúságát, kitöltési szélességét (tényezőjét) tetszőlegesen megnyújthatjuk.
- D1 csak pozitív impulzusokat enged T2 bázisára.
- A áramkör instabil állapotban töltött idejét RB1 változtatható ellenállással lehet állítani.
- A kimenetet (a nyújtott impulzusokat) T1 kollektoráról lehet levenni.
- Konstans frekvenciájú négyszögjelek (például órajelek) átvitelekor hosszú kábeleken, torzítás, csillapítás léphet fel, a négyszögjel elvesztheti eredeti formáját. A kábel azon szakaszán, ahol még kivehetőek az impulzusok tüskéi, egy ilyen áramkör rekonstruálhatja az eredeti négyszögjelet.








Műveleti erősítővel

      A bal oldalon egy műveleti erősítővel megépített monostabil billenőkör látható a főbb jelalakokkal együtt. Ha a bemenetet alkotó C1,R4 differenciáló tagra nem adunk jelet, akkor az R2,R3 feszültségosztó ellenállások leosztott feszültsége kerül a nem invertáló bemenetre (1.09V). A műveleti erősítő két bemenete közti különbség pozitív előjelű, tehát a műveleti erősítő kimenete a pozitív tápfeszültség fele telítődik. Ez egy stabil állapot. Ha kibillentjük az áramkört egy pozitív impulzussal, ami történetesen nagyobb mint 1.09V, akkor a feszültségkülönbség a műveleti erősítő két bemenete között negatív előjelű lesz ezért az áramkör a negatív tápfeszültségre kezd el telítődni. Ez az instabil állapot. Azért instabil, mert a feltöltött C2 kondenzátor most hirtelen -12V-os töltést kap így az egyik fegyverzetén 24V-os potenciálcsökkenés történik. A hirtelen feszültségváltozástól a kondenzátor kisül és a másik fegyverzetén is bekövetkezik a 24V-os potenciálcsökkenés. Az invertáló bemenetre tehát -22.91V kerül, de csak addig, míg C2 újra fel nem telik az R3 ellenálláson keresztül 1.09V-ra. Tulajdonképpen már akkor visszabillen, mikor a kondenzátor töltése eléri a 0V-ot (hiszen ekkor a műveleti erősítő két bemenete között nem lesz többé feszültségkülönbség), a további töltés csak stabilizálja az állapotot. Az instabil állapotban töltött idő tehát a C2 kondenzátoron fellépő potenciálcsökkenés mértékétől, a stabil állapot feszültségszintjétől, C2 kapacitásától és a töltőáramkör gyorsaságától (ellenállások értékeitől) függ.


Időzítővel 

A mellékelt ábra egy negatív élre billenő monostabil billenőkör. Kezdetben (stabil állapotban) a Threshold (6) fel van húzva R ellenállással a pozitív tápfeszültségre, tehát az IC belső kisütő tranzisztora be van kapcsolva és a kondenzátor pozitív lábát is a földre köti, így az lemerül ha fel volt töltve és nem folyik át rajta többé semmilyen áram. A kimenet logikai 0. Ha a bemenetre a tápfeszültség 1/3-ánál kisebb feszültséget kapcsolunk, akkor bekapcsol a Trigger komparátor és a kimenet logikai 1-re vált. Ezzel egyidőben a belső tranzisztor kikapcsol és a kondenzátor töltődni kezd R ellenálláson keresztül egészen a tápfeszültségig. A töltődés viszont megáll a tápfeszültség 2/3-ánál ugyanis ekkor a Threshold (6) ismét komparátor bekapcsol és a kondit rövidre zárja a belső tranzisztor segítségével. A helyes működtetés forgatókönyve a következő: a bemenetre folyamatosan magasabb feszültséget adunk mint U+ 1/3-a, ám elég ha egy pillanatra kisebb értékű lesz ennél (impulzusszerűen) és a kimenet máris logikai 1-re vált arra az időre míg a kondenzátor fel nem telik 2/3 U+ feszültségre. Ez az idő a kondenzátor kapacitásától és az őt feltöltő R ellenállástól függ. A periódusidőt, ami alatt az áramkör instabil állapotából visszabillen stabil állapotába, a következő képlet adja: T = 1.1RC másodperc. A bemenet impulzusa (triggerimpulzus) rövidebb kell legyen ennél az időnél. 



Astabil billenőkör

   "A"-stabil, mert nincs stabil állapota. Bármelyik állapotba billentjük rögtön visszabillen az ellenkező állapotba, ezért nincs is szükség külső vezérlő jelre, az áramkör magától billeg.



Tranzisztorral

     Annyiban különbözik a monostabil billenőkörtől, hogy mindkét tranzisztor visszacsatolásán kondenzátor van és egy kivezérlő ellenállás.
- A bekapcsolás pillanatában mindkét tranzisztor zárva van, ám mindkettő bázisára áram kerül az RB1 és RB2 ellenállásokon keresztül, amitől egyszerre akarnak kinyitni.
- Egyik tranzisztor gyorsabban kinyit, mondjuk a T1.
- Ha Vcc = 12V, akkor a zárt T2 kollektorán is 12V van, viszont a nyitott T1 kollektorán kb. 0.2V. Tehát a C1 kondenzátor pozitív lábán 12V, negatív lábán kb 0.8V van, ezért ez 11.2V-ra telhet legfeljebb. A másik kondenzátor pozitív lábán 0.2V, negatívon 0.8V van, ezért az csak a küszöbfeszültségig (0.6V) fog telni.
- Amint eléri ezt, kinyitja T2 tranzisztort, minek C-E lábai között lévő ellenállás lecsökken és C1 pozitív sarkára 0.2V kerül. Ebből kifolyólag a kondenzátor (mint feszültségforrás) negatív sarkán -11V jelenik meg, ami T1 bázisára érve bezárja azt és zárva is tartja míg a kondenzátor ki nem sül RB1 ellenállás révén. A kisütő áram RB1-en, C1-en és T2 C-E lábain át a föld felé halad.
- A zárt T1 kollektorán lévő 12V közben tölteni kezdi C2-t 11.2V-ig. Miután C1 kisült, már nem fogja zárva tartani T1-et, hanem újból telni kezd a T1 tranzisztor küszöbfeszültségéig amivel majd ismét kinyitja T1 tranzisztort.
- A nyitott T1 kollektorán ismét 0.2V lesz mérhető, amitől a feltelt C2 a negatív lába -11V-ot fog T2 bázisára küldeni bezárván azt.
- Látható, hogyha bekapcsoláskor mindkét kondenzátor üres, akkor nincs ami zárva tartsa negatív feszültségével a zárt tranzisztort, ezért az első állapot csak addig fog tartani, amíg egyik kondenzátor fel nem telik a tranzisztor küszöbfeszültségére, nem kell beleszámítani a másik kondenzátor kisülési idejét. (itt: amíg C2 fel nem telik 0.6V-ra)


      Az áramkör egyes állapotaiban való kitartási ideje (a legelsőt leszámítva) a kondenzátorok kisülési idejétől és a küszöbfeszültségig való feltöltési időtől függ. Ez pedig a jól megválasztott ellenállásoktól. Az áramkör működéséről észrevehető, hogy míg egyik kondenzátor kisül, addig a másiknak közel a tápfeszültségig kell telnie, ezért érdemes az ellenállásokat úgy megválasztani, hogy valamivel gyorsabban töltsék fel a kondenzátort mint ahogy kisütik. Ez azért is fontos, mert az előbb említett üres kondenzátoros indulásnál, egyforma kisülési és feltöltési idő mellett, a 0.6V-ra feltöltött kondenzátor csak 0.6 voltnyi feltöltési időt engedne a másiknak is és nem lehetne kihasználni a kondenzátorok kapacitását. Ha viszont gyorsabb a feltöltés mint a kisütés, akkor egyik kondenzátor mindig egy kicsit jobban feltöltődne mint a másik, gyakorlatilag egyre tovább tartaná zárva a negatív lábára kötött bázishoz tartozó tranzisztort, míg el nem érné a teljes kapacitásig való feltöltődést.
- Például C1 kisütő áramköre RB1-C1-Rce2, töltő áramköre pedig RT2-C1-Rbe1. A tranzisztorok lábai közti ellenállást el lehet hanyagolni, tehát RB1 és RT2 ellenállásokra kell odafigyelni.
- C1 kisülési ideje: tk = 0.69*RB1*C1
- C1 feltöltési ideje: tf = 5*RT2*C1
- Innen látszik, hogy  a kisütő ellenállás jóval nagyobb kell legyen mint a töltő ellenállás. A jobb oldali áramkör úgy van beállítva, hogy 1 másodpercig süljön ki és fél másodperc alatt teljen fel benne C1 (és C2) kondenzátor.
      Az áramkör Q és Q-negált kivezetésein olvasható le a billegő impulzus, ami felhasználható négyszögjel-generátorként, impulzusadóként, órajelként, ütemadóként, periodikus kapcsolóként, fényjelzőként stb. Az generált impulzusok különböző hosszúságúak is lehetnek, ha a billenőkör két oldala nem szimmetrikus.
- A bázis irányába, a kondenzátor és a bázis közé szokás diódát tenni, hogy meggátolja a bázis-emitter szakasz letörését.
- Ha mindkét RT ellenállással sorba kapcsolunk 1-1 LEDet, akkor azok a kondenzátorok kisülési idejével azonosan fognak villogni.
A bal oldali kapcsolás is egy két LED-es tranzisztoros villogót ábrázol, azonban a LED-ek nem a tápfeszültségből kapják villanáshoz szükséges energiát (a nyitott tranzisztor közreműködésével), hanem a feltöltött kondenzátorokból (tulajdonképpen a LED a kisütő ellenállás szerepét tölti be). Minél jobban fel tud töltődni egy kondenzátor (minél nagyobb kapacitású), annál erősebb és hosszasabb lesz a LED-ek villogása is.
- A tranzisztorok a nyitáshoz szükséges bázisáramot saját kollektorukból kapják (negatív visszacsatolás, azaz a tranzisztorok analóg üzemmódban - erősítőként - üzemelnek.
- Bekapcsoláskor egyik tranzisztor nyit, legyen T2, tehát a zárt T1 kollektorában lévő tápfeszültség feltölti C2-t.
- Most is úgy vannak beállítva az ellenállások értékei, hogy hamarabb teljenek a kondenzátorok mint ahogy kisülnek. Tegyük fel, hogy az áramkör addig billegett, míg a kondenzátorok teljesen fel tudnak már töltődni, azaz C1 éppen kisül és negatív feszültségével zárva tartja T1-et.
- Közben C2 feltelik és innentől nem juttat többé áramot T2 bázisára (a feltelt kondenzátor szakadásként viselkedik), ami ettől lezár.
- Amint lezárt, C1 pozitív lábára ismét tápfeszültség kerül és töltődni kezd és kinyitja T1-et. Most C2 kezd el kisülni.
- Ez azt jelenti, hogy C2, mint feszültségforrás, pozitív és negatív kivezetései pontosan D2 LED-ig érnek el, felvillantván azt, azaz a LED csak addig fog világítani, míg ki nem meríti a kondenzátort. Ez sokkal energiatakarékosabb megoldás, hiszen nem a tápfeszültségről üzemel a LED.
- Közben T2 zárva van, tehát nem gond az, ha a földön éppen pozitív áram folyik. A LED-ek úgy 2V környékén már nem világítanak, tehát csak addig fog a villanás tartani, míg a kondenzátor 2V-ig le nem merül.
- A LED már nem világít, de a tranzisztort még mindíg zárva tartja a -2V-os feszültség egészen addíg, míg teljesen le nem merül (RT2-RB2 ellenállásokon keresztül) és újra fel nem telik 0.6V nyitó bázisfeszültségig, hogy az áramkör átbillenhessen.
- Eközben C1 feltelik és ugyanez lejátszódik D1 LED-el is.
- Az a kis idő, míg a kondenzátorok lemerülnek a LED-ek kikapcsolása után majd újból feltelnek 0.6V-ig, egy kis szünetet visz be az áramkörbe, mikor is egyik LED sem világít. Tehát egyik LED nem kapcsol be rögtön, ahogy a másik kialszik, ahogyan a kollektorkörbe kötött LED-eknél történik.



Műveleti erősítővel

Ha a bistabil billenőkör negatív ágára egy RC visszacsatolást teszünk, astabil billenőkört kapunk. Abban is hasonlít a bistabilra, hogy az R1,R2 pozitív visszacsatolás hiszterézist visz a rendszerbe, azaz nem ugyanott fog átbillenni az áramkör. Nincs bemenet, tehát nem tudni melyik fele billen az áramkör bekapcsoláskor, bár a kondenzátor töltöttsége nagyban befolyásolja a döntést (akár a tranzisztoros billenőkörnél). Az átbillenési feszültségeket pont úgy kell kiszámítani mint a bistabil áramkörnél. Tegyük fel, hogy a kondenzátor töltöttsége a negatív oldalra való átbillenés küszöbfeszültség szintje alatt van. A műveleti erősítő két bemenete közti feszültség pozitív, az erősítés pozitív, mindkét bemenetre pozitív feszültség kerül. A kondenzátor ekkor töltődni kezd egészen míg el nem éri az átbillenési küszöbértéket. Az áramkör átbillen a negatív állapotba, hisz az invertáló bemeneten pozitívabb lett a feszültség mint a nem invertálón. Ez azt jelenti, hogy a kondenzátorra most negatív feszültség kerül (a műveleti erősítő kimenetén és R ellenálláson keresztül), tehát elkezd kisülni és fordított polaritással töltődni, míg el nem éri a negatív küszöbfeszültséget ami hatására az áramkör ismét billen. A kondenzátor töltődése exponenciális és az időállandóját RC szorzat adja. Az áramkör kimeneti, invertáló (v-) és nem invertáló (v+) jelalakjai, valamint a kimenő négyszögjel periódusidejének kiszámítása a következő ábrán látható:


 


Időzítővel 

  A bal oldali ábra egy astabil billenőkör, tehát nincs stabil állapota. A piros diódákat egyelőre ne vegyük figyelembe. Bekapcsoláskor egyik instabil állapotába, ami a kondenzátor töltöttségétől függ. Tegyük fel, hogy kezdetben a kondenzátor le van merülve és éppen R1+R2 ellenállásokon keresztül töltődni kezd. Amint eléri U+ 2/3-át a Trigger (2) komparátor bekapcsol és a kimenet logikai 0 lesz. Ezzel jár a belső kisütő tranzisztor bekapcsolása is, amitől a kondenzátor ismét merülni kezd. De csak addig merülhet, míg eléri U+ 1/3-át, mert akkor bekapcsol a threshold (6) komparátora és a kimenetet logikai 1-re billenti. Ezzel jár a belső tranzisztor kikapcsolása és a kondenzátor töltésének újbóli elkezdődése, de ismét csak U+ 2/3-áig. A kimenet két instabil állapotának időtartamát a következőképp lehet kiszámítani:

Logikai 1: t1=0.7C(R1+R2)
Logikai 0: t0=0.7CR2
A frekvencia pedig f = 1/(t1+t0)
Láthatóan t1 mindig nagyobb lesz t0-nál, tehát a generált négyszögjel kitöltési tényezője mindig nagyobb lesz 50%-nál. Ezen úgy lehet javítani, ha a töltő áramkörből kivesszük egyik ellenállást, pontosabban R2-őt, mert rá csak a kisütésnél van szükség. Ez két diódával valósítható meg: az R2-vel párhuzamosan kötött dióda rövidre zárja R2-t (láthatatlanná téve) mikor a kondenzátor telik, az R2-vel sorosan kapcsolt dióda pedig a kisütő áram irányának ad engedélyt. Ezzel a módszerrel elérhető az egyforma impulzusszélességű négyszögjel, viszont figyelembe kell venni a diódákon lévő feszültségeséseket is.


Schmitt-trigger 

       Ez egy olyan bistabil billenőkör, mely kapcsolási hiszterézissel jelentkezik. Ez azt jelenti, hogy az áramkör nem ugyanazon a ponton billen át egyik állapotból a másikba, hanem mindkét állapotnak megvan a maga átbillenési határértéke. Például 1.6V fölött billen egyik oldalra, de csak 1V alatt billen vissza.



Tranzisztorral

- Ha U1=0V, akkor az áramkör bekapcsolását követően T1 zárva marad, tehát a kollektorán a tápfeszültség mérhető, Vcc = 12V.
- Az R1 és R2 ellenállásokból álló feszültségosztó elegendő áramot biztosít T2 bázisának, hogy az kinyíljon.
- A nyitott T2 emitterárama RE emitter-ellenálláson folyik a földre, 1V feszültségesést eredményezve.
- T2 C-E lábai közt ezért kb 0.2V feszültségesés van, ami összesen 1.2V feszültséget jelent T2 kollektorán, azaz U2 kimeneten.
- Ugyanakkor a zárt T1 emitterén lévő 1V a tranzisztor E-B diódáján -1V-ot eredményez (Ueb), azaz a bázis negatív előfeszítést kap. Az áramkör stabil, nyugalmi állapotban van.
 - Ha T1 bázisára, U1-re olyan feszültséget kapcsolunk, mely 0-tól felfele növekszik és eléri T1 küszöbfeszültségét + az RE-n lévő 1V-os feszültséget (kb. 1.6V-ot), akkor T1 nyitni kezd és a kollektorán lévő 12V lassan csökken. Ezzel együtt csökken a T2 bázisára jutó feszültség és áram is, amitől T2 zárni kezd, tehát nő a kollektorán lévő feszültség és rohamosan csökken a rajta lévő áram, valamint csökken az RE ellenálláson lévő feszültség is ami egyre inkább elősegíti T1 kinyitását ugyanis növeli T1 Ube feszültségét még akkor is, ha U1 már nem változik.
- Tehát minden alkatrész azon van, hogy az áramkör minél hamarabb átbillenjen. Amire T1 teljesen kinyit, addigra T2 teljesen bezár, U2 kimenő feszültség felszökik 12V-ra. A Schmitt-trigger áramkör ezen állapotát munkaállapotnak is nevezik.
- Ha U1 feszültséget csökkenteni kezdjük, akkor a tranzisztor zárni akar, azaz C-E lábai között lévő ellenállás és feszültség nő, a kollektoráram rohamosan csökken és ezzel együtt az RE ellenálláson lévő feszültség is, ami azonban növeli T1 Ube feszültségét késleltetvén T1 bezárását.
- Amint T1 kollektorfeszültsége eléggé megnőtt (eléggé lecsökkent U1), akkor ez kinyitja T2-t, amitől RE ellenálláson lévő feszültség megnő felgyorsítván T1 bezárását.

      Tehát két határértéke van a bemenetnek: egy alsó és egy felső. Ha a nyugalmi állapotban rákapcsolt feszültség elér egy felső értéket akkor az áramkör átbillen munkaállapotba. Ha a bemenet csökkenni kezd és elér egy alsó értéket, akkor az áramkör visszabillen nyugalmi állapotába.
      Mivel nem ugyanazon a ponton billen át egyik állapotból a másikba, ezért küszöbérték kapcsolóként is használják. Olyan helyen, ahol ezek a küszöbértékek szélesek, például olyan jelek digitalizációjánál, ahol a jelen lévő zaj az átbillenési feszültséget itt-ott meghaladja, ami egy szimpla billenőkört azonnal átbillentene. Itt olyan áramkörre van szükség ahol a magas és alacsony szintek közti átbillenéshez tartozó feszültség különböző. A Schmitt trigger tehát arra is jó, hogy (zajos) analóg jelekből digitális jeleket állítsunk elő.
      Egy másik alkalmazási példa a fényerősségfüggő küszöbérték-kapcsoló, mely egy adott fényerőnél bekapcsol egy relét.
 - Kis fényerőnél, a schmitt-trigger fokozat bemenetére kapcsolt fotoellenállás elég nagy ahhoz, hogy T1 zárva maradjon (az ellenállás értéke változtatható a vele sorba kapcsolt R3-al, amivel egyben a fényerőre való érzékenység állítódik). Amint nő a fényerő T1 bázisára egyre nagyobb feszültség és áram kerül, míg végül kinyit a tranzisztor, munkaállapotba billentvén az áramkört. T2 tranzisztor bezár, ezáltal a kollektorfeszültsége eléggé megnő ahhoz, hogy a zéner dióda záróirányú küszöbfeszültségét átlépje. Ennek hatására T3 kinyit ami miatt RL-en is megnő a feszültség. Ez a feszültség kivezérli T4 tranzisztort, minek nagyon erős kollektorárama és feszültsége behúzza a relé tekercsét.
- R2-vel állítható be a schmitt-trigger nyugalmi állapota, azaz mikor a zárt T1 mellett a T2 teljesen ki van nyitva (minimális a C-E feszültsége). RC1-el a schmitt-trigger érzékenységét lehet beállítani, azaz a két billentő küszöbérték közötti távolságot.
- A zéner dióda arra szolgál, hogy a nyugalmi állapotban lévő schmitt-trigger szakasz kollektorfeszültsége ki ne nyissa T3 tranzisztort.



Műveleti erősítővel

   Az U2 vezérlőfeszültség ha elér egy pozitív küszöbértéket akkor Uki kimenet negatív feszültséget szolgáltat, ha U2 negatív küszöbértékhez ér akkor a kimenet átbillen pozitívra. Pozitív visszacsatolással van megolda, hogy a kimenő feszültség előjele stabil maradjon. V+ lehet a tápfeszültség vagy akármilyen más referenciafeszültség amihez képest a kimenet billegni fog. Az átbillenési feszültség szintjét az R1R2 feszültségosztóval lesztott U1 adja meg. Kirchhoff-törtvénye alapján kiszámítható U1 (az R2 ellenálláson lévő feszültség, V2) értéke:


Tegyük fel, hogy R1,R2 ellenállás 10kΩ, R3 pedig 100kΩ. Ha a referenciafeszültség 15V, akkor kiszámítható, hogy U1 milyen feszültségeken billenti át az áramkört (feltételezve, hogy Uki a végletekig kibillen azaz a +15V és -15V határig). U1 értékeinek 7.68V és 6.43V jön ki, tehát ha U2≥7.68V, akkor a kimenet -15V, ha viszont U2≤6.43V, akkor a kimeneten +15V lesz mérhető. A két érték különbsége 1.43V, azaz a vezérlőfeszültség ingadozásai ennek határain belül kell legyenek, hogy az áramkör ne billenjen át.


Időzítővel

Mivel az 555-ös alapból hiszterézissel rendelkezik, ezért az egyszerű bistabil billenőkör is schmitt triggernek tekinthető. Ez helyett azonban a tipikus 555-ös időzítő áramkört ismertetem. Az időzítés azt jelenti, hogy a triggerimpulzust követően elindul egy időzítés ami az áramkört az instabil állapotban tartja egészen addig míg le nem jár az idő. 
Az áramkörre továbbra is jellemző a schmitt trigger működés, viszont a kondenzátor nem a belső kisütő tranzisztorra, hanem trigger komparátorra van kötve. A bemenetre kapcsolt magas feszültség a kondenzátort elkezdi kisütni, hisz a tranzisztor rövidre zárja. Amint a trigger (2) lecsökken U+ 1/3-ára, a trigger komparátor bekapcsol és a kimenetet logikai 1-re teszi. Mivel a tranzisztor folyamatosan sütésre kényszeríti a kondenzátort, a threshold (6) bemeneten sosem lesz elég nagy (U+ 2/3-a) a feszültség, hogy az áramkör átbillenhessen. Az időzítés a kondenzátor töltődésével indul, azaz mikor lekapcsoljuk a bemenetet hogy a tranzisztor is kikapcsoljon. Mikor a kondenzátor eléri U+ 2/3-át a kimenet átbillen logikai 0-ra. Idáig hasonlít a monostabil billenőkör működéséhez, csakhogy ha a triggerimpulzus elég hosszas ahhoz, hogy a kondenzátor ne csak U+ 2/3-áig (t=1.1RC), hanem egészen a tápfeszültségig teljen, akkor a kimenet sokkal hosszabb ideig maradhat logikai 0. Ez azért lehetséges, mert nincs igénybe véve az IC belső kisütő tranzisztora ami rögtön elkezdené kisütni a kondenzátort amint az eléri U+ 2/3-át. Tulajdonképpen egy nagy kapacitású kondenzátorra van szükség, amit hagyunk teljesen feltelni (azáltal, hogy nem adunk bemenő jelt), majd a bemenő jel hatására az elkezd kisülni R ellenállás nagyságától függően és a kimenet logikai 0 marad amíg a kondenzátor le nem merül U+ 1/3-ára.

2 megjegyzés: