circuite basculante cu componente discrete

155

LUCRAREA NR.13

CIRCUITE BASCULANTE CU COMPONENTE

DISCRETE : ASTABILUL, MONOSTABILUL ŞI

BISTABILUL

1. Introducere

In afară de semnalele sinusoidale, în multe domenii cum sunt

măsurările electrice, comunicaţiile, automatica, telecomenzile şi

calculatoarele se folosesc semnale de tip impuls.Un semnal poate fi

considerat ca impuls dacă acţionează asupra sistemului un interval mai

scurt sau comparabil cu durata procesului tranzitoriu din respectivul

sistem.Pentru formarea impulsurilor se folosesc diferite metode şi

montaje dar toate au în comun funcţionarea în regim de comutare a

dispozitivelor electronice care trec de la starea deblocat (conducţie

profundă) în starea blocat (curent foarte redus prin dispozitiv) şi

invers.Acest regim este puternic neliniar.

Impulsurile pot avea diferite forme şi pot fi aperiodice (singulare)şi

periodice având perioada mult mai mare decât durata.În figura 1 se

prezintă forme de impulsuri.

Fig.1 Forme de impuls: 1-dreptunghiular ; 2-liniar variabil ; 3-

trapezoidal ; 4-triunghiular ; 5-clopot.

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

156

Fig. 2 Caracteristicile unui impuls trapezoidal.

Mărimile care caracterizează un impuls trapezoidal sunt indicate în

figura 2,şi anume:

A - amplitudinea impulsului măsurată la palier;

i - durata impulsului măsurată la nivelul A5,0 ;

rt - durata frontului anterior (timpul de creştere) ;

dt - durata frontului posterior (timpul de cădere) ,

Orice amplificator sau circuit real deformează un impuls aplicat la

intrare.Acesta va fi caracterizat prin mărimile din figura 2 dar şi prin

elemente suplimentare cum sunt :

A - descreşterea palierului ;

0A - amplitudinea saltului invers ;

0t - durata de revenire ;

înt - timpul de întârziere ;

- amplitudinea supracreşterii ;

Semnificaţiile acestor din urmă mărimi sunt specificate în

reprezentările formelor reale din figura 3.

LUCRAREA NR.13 Circuite basculante cu componente discrete:

astabilul, monostabilul, bistabilul

157

Fig.3a- Forme de impulsuri rezultate prin aplicarea unui

impuls dreptunghiular unui circuit real. 3b- Definirea

perioadei impulsurilor.

Impulsurile de durată i se succed cu o perioadă T . Coeficientul de

umplere al impulsurilor se defineşte ca :

T

A i (1)

Impulsurile pot fi obţinute în circuite basculante (care comută

între două stări stabile) cu funcţionarea în proces regenerativ datorită

unei bucle de reacţie pozitivă.Reacţia poate fi externă,aplicată prin

cuplarea convenabilă a ieşirii unui amplificator la intrarea acestuia sau

internă ca la unele dispozitive electronice: tranzistorul unijoncţiune,

dioda tunel,tiristorul,ş.a.


LUCRĂRI PRACTICE

158

2. Circuitul basculant astabil cu tranzistoare bipolare

(Multivibratorul ).

Acest circuit basculant este format din două etaje de amplificare

cu tranzistoare bipolare cu cuplaj RC la care ieşirea este legată la

intrare,realizându-se o reacţie pozitivă puternică.Schema este

prezentată figura 4.a.

Fig. 4. Circuit basculant astabil cu tranzistoare bipolare.

a – Schema de principiu ; b – Schema simetrică reală.

Rezistoarele 21 , bb RR sunt legate la o tensiune pozitivă care

asigură punctul de funcţionare în regiunea activă.Dacă se modifică

topologic schema pentru evidenţierea unei simetrii a montajului şi se

conectează rezistoarele menţionate la ccV ,se obţine noua formă a

circuitului ca în figura 4-b.

La aplicarea tensiunii de alimentare,montajul fiind perfect simetric

21212121 ,,, TTCCRRRR bbCC tranzistoarele se află în

regiunea activă şi pentru scurt timp curenţii din colectorii lor pot fi

egali 21 CC II .Aceasta este însă o stare de scurtă durată deoarece

orice variaţie a tensiunii sau a curentului (care apare chiar în momen-

tul conectării tensiunii de alimentare) provoacă intrarea circuitului în

oscilaţie.

Dacă se presupune o fluctuaţie a tensiunii pe baza tranzistorului

1T , 1Bv şi că aceasta este negativă faţă de BQV ,atunci efectul va fi de



159

scădere a curentului de colector 1CI ,fapt ce conduce la creşterea

tensiunii în colectorul tranzistorului 1T .Acest salt pozitiv este aplicat

prin condensatorul 2C bazei tranzistorului 2T care îl amplifică şi îl

inversează ca fază..Astfel ,în baza lui 1T ajunge un salt negativ

amplificat care se suprapune peste cel iniţial.

Acest proces de amplificare continuă până la intrarea lui 1T în

regim de blocare şi a lui 2T în regim de conducţie.Această stare

durează până la descărcarea condensatorului 1C prin circuitul

11 bRC - sursa de entarea lim 2T (condensatorul 1C este la

început încărcat în timpul procesului regenerativ de comutare).Când

tensiunea 1Bv devine zero şi 1T trece în stare de conducţie,se dezvoltă

un nou proces regenerativ care conduce la trecerea montajului în cea

de-a doua stare de cvasiechilibru la care 2T este blocat iar 1T este

deblocat.Procesul continuă şi în colectorii tranzistoarelor 1T şi 2T se

obţin impulsuri dreptunghiulare.În figura 5 se prezintă diagramele de

semnal pentru schema din figura 4.

În aceste diagrame se consideră momentul în care 1T este blocat

şi 2T este în conducţie.(Pentru un grad de generalitate se consideră

schema asimetrică din punct de vedere al elementelor RC ).După

comutare începe procesul de descărcare al condensatorului 1C prin

circuitul 1bR - sursa de entarea lim 2T ,cu constanta de timp

111 CRb , tensiunea negativă pe baza lui 1T scăzând spre

zero.Simultan are loc încărcarea condensatorului 2C prin circuitul

1CR sursa de en ta rea lim 2inR ,tensiunea 1Cv având o creştere

până la valoarea CCV cu o constantă de timp dată de 12 , CRC şi

2inR .La momentul 1t , când tensiunea 1bv devine zero , tranzistorul 1T

trece în regiunea activă şi după dezvoltarea procesului regenerativ

montajul ajunge în cea de-a doua stare: 1T în conducţie şi 2T

blocat,stare păstrată în intervalul de timp 222 CRb când


LUCRĂRI PRACTICE

160

condensatorul 2C se descarcă prin circuitul 2bR sursa de

entarea lim 1T .În acest timp are loc şi încărcarea condensatorului

1C prin circuitul 2CR - sursa de alimentare 1inR ,rezultând un

timp de creştere şi pentru tensiunea 2Cv .

Figura 5. Diagramele de semnal pentru circuitul astabil cu

tranzistoare bipolare.

Condiţia de proces regenerativ din timpul comutării este

satisfăcută dacă:

1.21 VV AAL (2)

unde VA1 şi VA2 sunt coeficienţii de amplificare ai celor două

etaje la frecvenţe medii.Ştiind că :



161

21

1

11 h

R

RA

in

V (3)

21

2

22 h

R

RA

in

V (4)

unde : 22211 ininbC RRRRR (5)

11122 ininbC RRRRR (6)

Rezultă pentru condiţia (2) :

22121

2

121

1

2 hhR

Rh

R

RL

in

in

in

in (7)

Întotdeauna :

1221h (8)

deoarece amplificarea în curent a tranzistoarelor bipolare are

valori supraunitare şi de obicei 50 .

Durata şi perioada impulsurilor.

Analitic se stabileşte că intervalele de timp necesare descărcării

celor două condensatoare sunt :

1111 7,02ln CRt b (9)

2222 7,02ln CRt b (10)

Perioada oscilaţiilor este :


LUCRĂRI PRACTICE

162

221121 7,0 CRCRttT bb (11)

Pentru varierea frecvenţei oscilaţiilor se pot modifica fie rezis-

toarele 1bR şi 2bR ,fie condensatoarele 1C şi 2C .În unele aplicaţii

se realizează un reglaj al factorului de umplere prin desimetrizarea

rezistoarelor.

În studiul experimental se va analiza un circuit astabil cu tranzis-

toare npn care are posibilitatea modificării frecvenţei generate

precum şi a factorului de umplere. Schema montajului realizat pe

planşetă este prezentat în figura 6.

Fig. 6. Circuit basculant astabil experimental.

1) Se ridică schema cu valori a circuitului de pe planşetă ;

2) Se calculează pe baza formulei 11 domeniul de variaţie al

perioadei generate considerând valorile extreme pentru

rezistoarele bR ;

3) Se alimentează montajul la o sursă stabilizată de tensiune

continuă la V12 ;

4) Se conectează osciloscopul catodic între borna A şi masă

vizualizându-se forma oscilaţiei în colector ;



163

5) Pentru diferite valori ale rezistoarelor bR se măsoară timpii

1 şi 2 şi perioada semnalului generat,comparându-se cu

valorile calculate ;

6) Se vizualizează semnalul între punctul C şi masă comparân-

du-se cu forma descrisă în diagramele din figura 5 ;

7) Folosind un osciloscop cu două canale se vizualizează simul-

tan semnalele în punctele A şi B ,iar apoi în punctele A şi C

şi se compară cu cele din diagramele prezentate în figura 5 ;

8) Se modifică factorul de umplere prin dezechilibrarea valorilor

rezistoarelor 1bR , 2bR urmărindu-se pe osciloscop forma

semnalului ;

9) Folosind un frecvenţmetru se studiază stabilitatea oscilaţiilor

în funcţie de variaţiile tensiunii de alimentare între V10 şi

V14 .

3. Circuit basculant astabil cu tranzistor unijoncţiune(TUJ)

Prezentând o rezistenţă diferenţială negativă,tranzistorul

unijoncţiune poate fi folosit în circuite basculante.Schema de principiu

este dată în figura 7.

Fig.7 Schema de principiu a unui circuit astabil cu

tranzistor unijoncţiune.


LUCRĂRI PRACTICE

164

Pentru ca circuitul să oscileze trebuie îndeplinite două condiţii:

dreapta de sarcină să intersecteze caracteristica de emitor în zona de

rezistenţă diferenţială negativă (vezi figura 8).

capacitatea condensatorului TC trebuie să depăşească o anumită

valoare critică.

Dacă se presupune că ulTUJ este iniţial blocat,punctul de

funcţionare fiind în 1P ,condensatorul TC începe să se încarce către

valoarea : 211 RRRVBB prin dioda D .La atingerea tensiunii de

vârf TUJVP , intră în conducţie ,tensiunea emitorului scade şi dioda

1D se polarizează invers.Punctul de funcţionare devine 2P ,la

intersecţia caracteristicii de emitor cu dreapta de sarcină cores-

punzătoare rezistenţei 2R .Condensatorul TC este practic izolat de

emitor şi se descarcă prin 1R .

Fig.8 Caracteristica de emitor a TUJ .

Când tensiunea în punctul A scade suficient ,dioda D începe să

conducă.În acest moment curentul de emitor al TUJ scade şi începe

procesul de încărcare a condensatorului C . TUJ se blochează şi



165

punctul de funcţionare revine în 1P .Condiţiile de oscilaţie sunt ca

dreapta de sarcină II să intersecteze axa tensiunilor la o valoare peste

tensiunea de vârf,iar dreapta de sarcină I să intersecteze caracteristica

de emitor în zona cu rezistenţă diferenţială negativă,adică:

PVVRRR

R

1

21

1 (12)

VI

VR 1

2 (13)

Timpii de conducţie şi de blocare ai acestui astabil cu TUJ sunt date

de:

2

1 lnV

VCRt P

c (14)

P

b

VRR

RV

VRR

RV

CRRt

21

11

2

21

11

21 ln (15)

2V reprezintă tensiunea corespunzătoare punctelor de funcţionare

1P şi 2P . 2V poate fi aproximat cu VV . Dacă :

1

2112

R

RRVV

(16)

Se obţine:


LUCRĂRI PRACTICE

166

1

2121

1

1ln

R

RRCRRtb

(17)

este o mărime caracteristică TUJ (raport de divizare

intrinsec) 1 .Curentul poate fi luat 0,5.

În figura 9 se indică formele de semnal pentru oscilatorul cu TUJ

discutat.

Fig. 9 Diagramele de semnal pentru astabilul cu TUJ

În cadrul părţii experimentale se va analiza un circuit astabil cu

TUJ realizat pe baza schemei din figura 7.

1) Se ridică schema montajului şi valorile componentelor;

2) Se calculează pe baza formulelor (14) şi (17) constantele de

timp ;

3) Se alimentează montajul la tensiune stabilizată de 20V.

4) Folosind un osciloscop catodic se urmăresc formele

semnalelor generate în punctele CBA ,, şi se compară cu

diagramele din figura 9 ;

5) Se măsoară timpii de conducţie şi de blocare şi se compară cu

cei calculaţi la punctul 2 ;



167

6) Folosind un frecvenţmetru se studiază stabilitatea oscilaţiilor

în funcţie de variaţiile tensiunii de alimentare între 18 şi

V22 .

4.Circuitul basculant monostabil cu tranzistoare bipolare.

Monostabilul este un circuit basculant caracterizat printr-o stare de

echilibru stabil şi una de echilibru instabil.Este utilizat la formarea

semnalelor în circuite.Indiferent de durata impulsului de declanşare,

monostabilul furnizează un impuls dreptunghiular cu durată fixă care

poate fi aleasă prin valorile unor componente externe RC .

Schema monostabilului este formată dintr-un amplificator cu două

etaje cu reacţie pozitivă puternică (figura 10).

Fig.10 Circuit basculant monostabil cu tranzistoare bipolare.

Între primul etaj de amplificare realizat cu tranzistorul 1T şi cel de-al

doilea etaj de amplificare realizat cu tranzistorul 2T există un cuplaj

capacitiv (la fel ca la circuitul astabil).

Cuplajul între ieşirea celui de-al doilea etaj şi intrarea primului se face

printr-un divizor rezistiv.

Starea de echilibru a schemei este 1T blocat şi 2T în conducţie

deoarece pe baza lui 1T se aplică o tensiune negativă de nivel:


LUCRĂRI PRACTICE

168

21

11

RR

RVV BBB

(18)

în timp ce baza lui 2T este conectată la plus prin rezistorul 2bR .

Conectarea în starea de cvasiechilibru ( 1T în conducţie şi 2T blo-

cat)are loc dacă se aplică un impuls de declanşare pozitiv la intrarea

decV care să aibă un nivel suficient pentru a anula tensiunea negativă

continuă de blocare , 1BV .

În figura 11 sunt date diagramele de funcţionare ale monostabilului

analizat.

În starea stabilă condensatorul 2C este încărcat prin circuitul sursă

de entarea lim - 1CR - 2T ,cu polaritatea ca în figura 10.

Dacă impulsul de declanşare este pozitiv şi satisface condiţia

1Bdec VV montajul comută prin proces regenerativ în starea de

cvasiechilibru cu tranzistorul 1T în conducţie şi 2T blocat.

La începutul stării de cvasiechilibru condensatorul 2C aplică în baza

lui 2T tensiunea negativă ccB Vv 2 ,care începe să scadă prin

descărcarea condensatorului prin circuitul sursa de entarea lim

2BR 1T şi ajunge la momentul 1t nulă .

Montajul comută în starea de echilibru şi aşteaptă un nou impuls de

declanşare.

Durata impulsului generat de monostabil se determină cu formula :

227,02ln bRCt (19)

Frontul anterior al impulsului generat are o durată de creştere egală cu

constanta de timp a circuitului 12 CRC :

122 Cinc RC (20)



169

Fig.11 Diagramele de semnal la monostabilul cu tranzistoare

bipolare.

În analiza experimentală a monostabilului ,utilizând planşeta pe

care este realizat un montaj ca în figura 10 se vor parcurge

următoarele etape:

1) Se ridică schema montajului şi valorile componentelor ;

2) Se calculează pe baza formulelor (19) şi (20) constantele de

timp caracteristice;

3) Se alimentează montajul la o tensiune stabilizată de

V12 ,realizându-se configuraţia din figura 12 ;

4) Se identifică cu oscilosopul şi cu voltmetrul starea de

echilibru a montajului ;


LUCRĂRI PRACTICE

170

5) Se aplică de la generatorul de semnale dreptunghiulare

impulsuri de declanşare cărora li se măreşte nivelul de

tensiune până la declanşarea monostabilului ,declanşare pusă

în evidenţă de osciloscopul catodic ;

Fig.12 Montaj experimental pentru studiul circuitului monostabil

cu tranzistoare bipolare: 1-circuitul monostabil ; 2-sursa de

alimentare ; 3-sursa de negativare ;4-generator de semnale

dreptunghiulare ;5-oscilosop catodic ; 6- voltmetru electronic.

6) Cu ajutorul osciloscopului (de preferinţă cu două canale)se

urmăresc formele semnalelor în punctele DCBA ,,, şi se

compară cu diagramele din figura 11 ;

7) Se măsoară t şi inc şi se compară cu valorile calculate la

punctul 2 ;

8) Se modifică valoarea rezistorului 2bR urmărindu-se efectul

asupra duratei impulsului generat ;

9) Se variază tensiunea de alimentare a monostabilului între V10

şi V14 şi se determină efectul asupra duratei impulsului

generat .



171

5.Circuitul basculant bistabil cu tranzistoare bipolare. Bistabilul este un circuit electronic cu două stări de echilibru

stabil. Principala sa aplicaţie este de a memora numere în cod binar şi

de a realiza numărarea.

Schema unui bistabil cu tranzistoare bipolare este prezentată în

figura 13.Constă dintr-un amplificator cu două etaje cu cuplaj rezistiv

şi reacţie pozitivă puternică.Semnalul de ieşire depinde de valoarea

instantanee a semnalului la intrare şi de starea în care se afla schema la

aplicarea semnalului.Se poate spune că bistabilul este un circuit cu

memorie .

Fig.13 Schema bistabilului cu tranzistoare bipolare.

Prin polarizarea aleasă la pornire ambele tranzistoare se află în

regiunea activă de funcţionare şi datorită reacţiei pozitive puternice

orice fluctuaţie provoacă un proces regenerativ de comutare care are

ca finalitate bascularea montajului într-una din cele două stări de

echilibru stabil în care un tranzistor este blocat iar celălalt în

conducţie.Sunt posibile două stări: 1T blocat ; 2T în conducţie şi

1T în conducţie; 2T blocat.Comutarea bistabilului dintr-o stare în

alta se poate face prin aplicarea unor impulsuri de declanşare cu

amplitudinea şi polaritatea convenabilă:a)separat şi succesiv pe fiecare

bază (sau colector) – regim de comutator electronic sau element de

memorie ; b) simultan pe baze (sau colectori) – regim de numărător.


LUCRĂRI PRACTICE

172

Pentru explicarea basculării circuitului se consideră de exemplu

că acesta se află în starea stabilă cu 1T blocat şi 2T în conducţie.

Aplicând un impuls de declanşare pozitiv pe baza lui 1T ,care are un

nivel suficient pentru a-l scoate din regim de blocare şi a putea iniţia

un proces regenerativ,are loc comutarea circuitului în starea 1T în

conducţie şi 2T blocat.Montajul poate fi scos din această stare prin

aplicarea unui impuls pozitiv pe baza lui 2T .

În figura 14 sunt prezentate diagramele de semnal pentru

circuitul basculant bistabil cu tranzistoare bipolare. Condensatoarele

C figurate punctat în figura 13 sunt elemente care se conectează în

schemele reale şi au rolul de a accelera procesele regenerative care

conduc la basculare pFC 10010 . Studiul experimental al

bistabilului se realizează asupra unui montaj cu schema ca în figura 15

în care se indică şi configuraţia de măsură.

Fig.14 Diagramele de semnal ale circuitului basculant bistabil

cu tranzistoare bipolare.



173

Fig. 15 Montaj experimental pentru studiul circuitului bistabil cu

tranzistoare bipolare unde: 1-circuitul bistabil ; 2-sursa de

alimentare ; 3- sursa de negativare ; 4-generator de semnale

dreptunghiulare ; 5-osciloscop catodic (cu două canale) ;6-

voltmetru electronic

Analiza regimului de declanşare succesivă pe baze este identic cu

cel prezentat anterior (declanşare prin aplicarea de semnale pozitive pe

C sau D ) .

Analiza regimului de numărare este următoarea :

Se presupune că iniţial 1T este blocat şi 2T este în conducţie; în

acest caz dioda 1D este polarizată invers având o rezistenţă foarte

mare,iar dioda 2D este polarizată direct şi are o rezistenţă redusă.În

acest caz impulsurile negative de declanşare vor fi transmise spre baza

lui 2T conducând la procesul regenerativ de comutare în starea

2T blocat şi 1T în conducţie.Urmează ca la următorul impuls de

declanşare dioda 2D să conducă şi astfel circuitul să comute din

nou.Se observă că frecvenţa impulsurilor de ieşire (în unul din

colectori) este jumătate din frecvenţa impulsurilor de declanşare.În

figura 16 se indică diagramele de funcţionare ale acestui tip de circuit

bistabil.

1. Se ridică schema montajului şi valorile componentelor ;


LUCRĂRI PRACTICE

174

2. Se alimentează montajul la o tensiune stabilizată de V12 şi se

asigură tensiunea de negativare de Vcca1 ;

3. Se analizează starea iniţială a montajului măsurând cu

voltmetrul electronic tensiunile în colectori ;

4. Se aplică cu generatorul la început semnale succesiv pe

intrările C şi D urmărind comutarea circuitului bistabil ;

5. Se aplică semnalul generatorului la intrarea E urmărindu-se

tensiunea la borna B (cu osciloscopul).ATENŢIE ! Este

necesar să se asigure nivelul de declanşare;

6. Se conectează frecvenţmetrul la borna B şi se măsoară

frecvenţa obţinută comparând-o cu cea aplicată la intrare;

7. Dacă se cuplează diode electroluminescente între colectorii

tranzistoarelor şi masă se poate pune în evidenţă starea

tranzistoarelor într-un mod mai intuitiv.Folosind un semnal de

declanşare de frecvenţă joasă Hz201 ,se poate observa

bascularea montajului prin aprinderea succesivă a LED-

urilor.LED aprins-tranzistor blocat ; LED stins – tranzistor în

conducţie.

Fig.16 Diagramele de semnal ale circuitului bistabil în regim

de numărare.

circuite basculante cu componente discrete

Documents