Astabilní klopný obvod

Astabilní klopný obvod, označovaný také jako AKO, je klopný obvod, který nemá žádný stabilní stav, což znamená, že tyto obvody neustále oscilují (překlápějí se) mezi jedním a druhým stavem podle nastavené časové konstanty. Jsou používány jako impulzní generátory, tónové generátory, blikače. AKO se dá realizovat pomocí diskrétních součástek, s použitím dvou tranzistorů, nebo s pomocí logických členů (např. dvou NANDů), nebo s využitím časovače 555.

Obdélníkový signál, který je výstupem AKO

Příklady zapojení

Verze s bipolárními tranzistory

Astabilní multivibrátor, složený z diskrétních součástek

Po zapojení obvodu se začnou oba kondenzátory C₁ a C₂ nabíjet a tranzistory T₁ a T₂ se začnou otevírat. Jelikož jsou použity reálné tranzistory, které mají (vlivem nedokonalé výroby) mírně odlišné parametry, jeden z tranzistorů se otevře dříve. Za předpokladu, že se dříve otevře tranzistor T₁, kondenzátor C₁ se začne vybíjet, čímž uzavře tranzistor T₂. Kondenzátor C₂ se nabíjí a ještě více otevírá T₁ (kladná zpětná vazba). V okamžiku, kdy se C₁ přebije na opačnou polaritu, vzroste na bázi T₂ napětí a ten se začne otevírat. Toto způsobí nabíjení kondenzátoru C₁ a vybíjení C₂. V tomto okamžiku se obvod skokově překlopí a na výstupu (kolektor jednoho z tranzistorů) se objeví opačná úroveň napětí.

Doba, po jakou bude na výstupu jeden nebo druhý stav je závislá na velikostech použitých součástek:

$t_{1}=\ln(2)R_{2}C_{1}$

$t_{2}=\ln(2)R_{3}C_{2}$

Perioda kmitání obvodu je:

$T=t_{1}+t_{2}=\ln(2)(R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})$

Z toho lze vypočítat frekvenci a střídu:

$f={\frac {1}{t_{1}+t_{2}}}={\frac {1}{T}}$

$D={\frac {t_{1}}{t_{1}+t_{2}}}={\frac {1}{1+{\frac {t_{2}}{t_{1}}}}}$

Takto realizovaný obvod má však dvě nevýhody:

• Čelo (vzestupná hrana) výstupního signálu je zaoblená (doba vzestupné hrany je ovlivněna velikostí rezistoru R₁, resp. R₄).
• Kmitočet je silně závislý na teplotě.

První nevýhoda, velká doba vzestupné hrany, se dá částečně odstranit vložením diod mezi kolektor T₁ a bázi T₂, resp. kolektor T₂ a bázi T₁.

Kmitočtovou nestabilitu lze vyřešit přivedením synchronizačních impulzů na bázi jednoho z tranzistorů.

Verze s 555

Základní zapojení obvodu 555 jako AKO

Vnitřní schéma a zapojení integrovaného obvodu 555 jako AKO

Na začátku je kondenzátor C vybitý (není na něm žádné napětí) a výstup obvodu OUT je v logické jedničce. Poté se kondenzátor C začne nabíjet a jakmile dosáhne hodnoty 2/3 napájecího napětí (V_CC), vstup č. 6 (THR) způsobí, že výstup komparátoru K1 svým kladným napětím resetuje KO RS. Na výstupu č. 3 (OUT) se objeví logická nula.

Zároveň se ale otevře vybíjecí tranzistor, jehož kolektor (pin č. 7, DIS) spojí kondenzátor C se zemí a ten se tak začne vybíjet. Jakmile se kondenzátor vybije na hodnotu menší jak 1/3 napájecího napětí, výstup komparátoru K2 nastaví KO RS a tím pádem se na výstupu opět objeví logická jedna a vybíjecí tranzistor se uzavře. Dochází k nabíjení kondenzátoru.

Doba, po kterou se kondenzátor nabíjí je ovlivněna velikostí jeho kapacity a velikostí odporů R₁, R₂. Naopak velikost vybíjecí doby je závislá pouze na velikosti kondenzátoru a rezistoru R₂. Rezistor R₁ nemá na vybíjení vliv, protože kondenzátor se vybíjí přes tranzistor (pin č. 7).

$t_{nab}=\ln(2)\cdot C(R_{1}+R_{2})\approx 0.693\cdot C(R_{1}+R_{2})$

$t_{vyb}=\ln(2)\cdot CR_{2}\approx 0,693\cdot CR_{2}$

Délka periody signálu je pak:

$T=t_{nab}+t_{vyb}=\ln(2)\cdot C(R_{1}+2R_{2})$

Z toho lze vypočítat frekvenci a střídu:

$f={\frac {1}{t_{nab}+t_{vyb}}}={\frac {1}{T}}$

$D={\frac {t_{nab}}{t_{nab}+t_{vyb}}}={\frac {1}{1+{\frac {t_{vyb}}{t_{nab}}}}}$

Při tomto zapojení astabilního obvodu bude střída vždy větší než jedna polovina, protože pro D = 0,5 by muselo platit:

$R_{2}=R_{1}+R_{2}$

Modifikovaný AKO s 555

Tedy rezistor R₁ = 0 Ω. Rezistor R₁ však musí mít nenulovou hodnotu odporu, protože při vybíjení kondenzátoru přes kolektor vybíjecího tranzistoru by nastal zkrat napájecího zdroje, což může v nejhorším případě způsobit zničení tranzistoru. Rezistor R₁ tedy nesmí být v zapojení vynechán. Tento problém se dá ovšem snadno vyřešit připojením diody (doporučený typ 1N4148) paralelně k R2, takže se C nabíjí pouze přes jeden odpor a diodu a přes druhý odpor se vybíjí. Potom platí:

$t_{nab}=\ln({\frac {2U_{CC}-3u_{D}}{U_{CC}-3u_{D}}})R_{1}C$ ,

což se při zanedbání úbytku na diodě (u_D = 0) zjednoduší na:

$t_{nab}=\ln(2)\cdot CR_{1}\approx 0,693\cdot CR_{1}$

Další možnost je vynechat oba odpory, pin 7 ponechat volný a C připojit přes jeden odpor k pinu 3.

Zpravidla se volí rezistory, aby platilo: $R_{1}\ll R_{2}$, například: $R_{1}=1\;k\Omega ;R_{2}=100\;k\Omega$

Verze s operačním zesilovačem

Zapojení AKO s OZ

Astabilní klopný obvod realizovaný operačním zesilovačem dosahuje na výstupu kladného nebo záporného saturačního napětí. Také se toto zapojení nazývá relaxační oscilátor. Frekvence výstupního signálu je dána vzorcem:

$f={\frac {1}{2RC\cdot \ln(3)}}={\frac {1}{2,2\cdot RC}}$

Verze s logickými hradly

Astabilní klopný obvod sestavený z hradel NAND

Astabilní klopný obvod lze realizovat i pomocí logických hradel, a to jak NAND tak NOR. Předpokládejme nyní, že na vstupu prvního hradla (na obrázku více vpravo) je nejprve logická nula. Mezi oběma hradly je tak logická jedna a na výstupu opět logická nula. Tím pádem, je kondenzátor připojen přes rezistor k napájecímu napětí a nabíjí se. Až překročí určitou mez, dostane se na vstup prvního hradla logická jednička, mezi hradly tak bude nula a výstup se překlopí do jedničky. Tím je kondenzátor připojen k napájení s opačnou polaritou a začne se vybíjet. Až napětí klesne pod určitou mez, na vstupu bude opět nula a rovněž výstup se překlopí do nuly a tento cyklus se opakuje. Frekvence takto vzniklých kmitů je stejně jako v předchozím případě:

$f={\frac {1}{2RC\cdot \ln(3)}}={\frac {1}{2,2\cdot RC}}$

Odkazy

Literatura

• HÁJEK, J.: 2× ČASOVAČ 555: praktická zapojení, nakladatelství BEN - technická literatura, ISBN 80-86056-27-9.
• MALINA, V.: Digitální technika, nakladatelství KOPP, ISBN 80-85828-70-7
• Mašláň, M., D. Žák : Logické obvody I., PřF UP Olomouc, 1993
• Doc. Ing. Jiří Bayer, CSc; Dr.Ing. Zdeněk Hanzálek; Ing. Richard Šusta: Logické systémy pro řízení, Vydavatelství ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Praha, 2000, ISBN 80-01-02147-5

Související články

• Monostabilní klopný obvod
• Bistabilní klopný obvod
• Schmittův klopný obvod

• NE555
• Logický člen

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Multivibrátory na Wikimedia Commons

• Elektrické parametry logických obvodů, kombinační logické obvody na webu Fakulty strojí ČVUT
• Logické řízení na webu Fakulty elektrotechnické ČVUT
• Logické systémy na webu Fakulty elektrotechnické ČVUT
• Elektronika, Sekvenční logické systémy na webu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy
• Tranzistorové klopné obvody: http://maturitanazamku.kvalitne.cz/pdf/ELN5.pdf Archivováno 22. 6. 2019 na Wayback Machine.