BICT

ud nabíjející kondenzátor C. Vzhledem k tomu, že nabíjení kondenzátoru C se
děje s časovou konstantou RC1C, je doba zotavení rovna několikanásobku této časové konstanty.
Spouštění MKO je možno provádět způsobem výše popsaným, tj. zápornými „jehlovými“
impulsy. Aby bylo možno spouštět obvod impulsy pravoúhlými, je na Obr. 2.1 mezi svorkou
VSTUP a vlastním obvodem zařazen ještě derivační obvod, který spouštěcí signál upraví na
potřebný tvar. Dioda D v derivačním obvodu zabraňuje pronikání kladných impulsů, které vznikají
ze vzestupných hran vstupního průběhu, do MKO (tyto impulsy by jinak mohly zkracovat délku
výstupního impulsu MKO).
Astabilní klopný obvod – AKO – nakreslený na Obr. 2.2 má oba stavy jen dočasně stabilní a
samovolně přechází z jednoho stavu do druhého a zpět. Často se rezistory RB1, RB2 připojují přímo
na napájecí napětí, takže je UR = UCC. Zapojení podle Obr. 2.2 umožňuje změnou úbytku napětí na
potenciometru P měnit v určitých mezích napětí UR a tím i délku obou dočasně stabilních stavů.
Činnost AKO je zcela obdobná jako činnost MKO v dočasně stabilním stavu a při UR = UCC je i
doba trvání obou dočasně stabilních stavů stejná jako u MKO. Při jiné velikosti UR je pro odvození
průběhu napětí na bázi tranzistoru, který je právě uzavřený, nutno vzít v úvahu, že ( ) RBE Uu =¥ ,
13

přičemž počáteční hodnota ( ) BEsatCCBE 0 UUu +-= zůstává. Podle vzorce ( 2.1 ) je pak průběh
napětí uBE dán vztahem
( ) ( ) CRteUUUUtu BBEsatRCCRBE --+-=
a z požadavku ( ) BEsatiBE Utu = dostaneme
÷÷ø
ö
ççè
æ
-+= BEsatR
CC
Bi 1 UU
UCRt ln . ( 2.3 )
Perioda kmitů je T = 2ti a kmitočet je tedy
÷÷ø
ö
ççè
æ
-+
=
BEsatR
CC
B 12
1
UU
UCRf ln . ( 2.4 )
Typická hodnota saturačního napětí mezi bází a emitorem tranzistoru bývá UBEsat = 0,6V.
RC1
0 V
UCC
RC2
T1 T2R
B
U R
C 1C2
RB
P

Obr. 2.2. Zapojení AKO
r Poznámka 1.
Při odvození vztahu ( 2.4 ) se předpokládalo, že k překlopení dojde v důsledku přechodu
tranzistoru, který byl uzavřený, do aktivní oblasti, přičemž druhý tranzistor je saturován. Má-li však
napětí UR příliš malou hodnotu, nebude proud báze tohoto druhého tranzistoru v ustáleném stavu
stačit k jeho saturaci. Zpočátku teče bází tohoto tranzistoru také prou nabíjející kondenzátor k ní
připojený, který způsobuje, že saturace je dosaženo. Jakmile však tento proud poklesne, přejde tento
tranzistor do aktivní oblasti, což je provázeno vzrůstem napětí na jeho kolektoru, který se přenáší na
bázi prvního tranzistoru. Exponenciální průběh napětí uBE se narušuje (to je zřetelně vidět na
osciloskopu), takže se doba ti zkracuje. Tento děj je závislý na proudovém zesilovacím činiteli
otevřeného tranzistoru, který má velký rozptyl, a proto je obvykle nežádoucí.
r Poznámka 2.
U AKO zapojeného podle Obr. 2.2 je kromě normální činnosti možný i stav, kdy jsou oba
tranzistory trvale saturovány. Do tohoto stavu se obvod může dostat např. při připojení napájecího
napětí, bude-li shodou okolností splněn jistý vztah mezi parazitními kapacitami a dalšími parametry
obvody, např. bude-li obvod dokonale souměrný. Záměrně můžeme tento stav navodit, připojíme-li
kolektor některého z tranzistorů na zem na dobu, za níž se obvod ustálí – řádově zlomky sekundy.
Nasazení oscilací pak vyvoláme např. tak, že na zem připojíme na okamžik bázi některého
z tranzistorů; odstraněním tohoto zkratu se tento tranzistor dostane do saturace, jeho kolektorové
napětí poklesne a uzavře druhý tranzistor, čímž se oscilace rozběhnou. Uvedený stav představuje
14

chybnou funkci obvodu. I když jeho vznik není příliš pravděpodobný, není možno jej zcela
vyloučit. V praxi je vhodné se obvodům, které mají podobné vlastnosti, vyhnout, existují-li
spolehlivější zapojení. V tomto případě je lepší dát přednost například zapojením s časovačem 555,
u nichž trvalý stav bez kmitů není možný.
r Poznámka 3.
Monostabilní i astabilní klopné obvody ve výše uvedených zapojeních se dnes používají jen
výjimečně. Pro praktické aplikace jsou obvykle vhodnější zapojení s integrovanými obvody
vyráběnými k tomuto účelu, jako je zmíněný časovač 555. Rovněž v řadách číslicových obvodů
jsou podobné prvky, například 74..123, 74..221 (MKO), 4047. I když zapojení těchto obvodů je
odlišné od obvodů měřených ve cvičení, základní principy – odměřování času nabíjením
kondenzátoru, existence zotavovací doby apod. – jsou zde podobné. Výjimkou jsou tzv. znovu-
spustitelné MKO, které je možno opětně spustit ještě během trvání impulsu vyvolaného
předcházejícím spuštěním (např. 74..123). Zotavovací doba má u nich jiný význam, než jak je
vysvětleno v tomto návodu – vyjadřuje dobu, po kterou je obvod po spuštění necitlivý na další
spouštěcí impuls.
2.2 POPIS PŘÍPRAVKU
Přípravek, jehož schéma zapojení je nakresleno na Obr. 2.3, umožňuje měření dvou klopných
obvodů; přepínačem volíme buď MKO (monostabilní klopný obvod) nebo AKO (astabilní klopný
obvod). Při měření MKO se na vstup VSTUP A přípravku přivádí přímo obdélníkový signál
z generátoru funkcí. Zdířky V1 a V2 umožňují sledovat tvar spouštěcích impulsů. U AKO slouží
zdířka UR k připojení voltmetru, velikost napětí UR se řídí velikostí zařazeného úseku
potenciometru P, na němž proud tekoucí do bází obou tranzistorů vytváří odpovídající úbytek
napětí.


Obr. 2.3. Schéma zapojení přípravku pro měření MKO a AKO (UCC = 5 až 6 V)
15

2.3 ZADÁNÍ
2.3.1 Monostabilní klopný obvod - MKO
a) Prozkoumejte a zaznamenejte časové průběhy napětí u MKO a posuďte, který z nich je
rozhodující pro dobu trvání dočasně stabilního stavu.
b) Stanovte dobu zotavení měřeného MKO pro obě mezní hodnoty odporu RB, které lze nastavit na
přípravku.
c) Změřte a vyhodnoťte závislost doby trvání dočasně stabilního stavu na velikosti odporu RB.
2.3.2 Astabilní klopný obvod - AKO
d) Prozkoumejte a zaznamenejte časové průběhy napětí u AKO a posuďte, který z nich je
rozhodující pro dobu trvání v obou stavech.
2.4 POKYNY K ZADÁNÍ
Velikost napájecího napětí MKO a AKO nastavte na hodnotu UCC = 6 V. Pro výpočty uvažujte
typickou hodnotu saturačního napětí UBEsat uvedenou výše v textu.
K bodu a) Na VSTUP A přípravku přiveďte obdélníkové napětí s rozkmitem ±2 V o kmitočtu
f = 2 kHz z generátoru funkcí. Časové průběhy sledujte ve všech měřicích bodech. Aby byly
průběhy zachyceny i fázově správně, je vhodné zvolit si jeden průběh jako referenční a k němu
vztáhnout další časové průběhy (např. k referenčnímu uvstA zobrazit uV1, uV2 a uC1, pak ponechat
jako referenční uC1 a k němu zobrazit uB1, uC2 a uB2). Časové průběhy zaznamenejte.
Prozkoumejte, který stav je trvale stabilní a který dočasně - např. tak, že zjistíte, jaká úroveň
napětí (odpovídající saturaci nebo uzavřenému stavu tranzistoru) zůstane na kolektoru tranzistorů
T1 a T2, když odpojíte vstupní signál a obvod zůstane v trvale stabilním stavu. Uvědomte si, co je
příčinou překlopení obvodu do trvale stabilního stavu a naopak z trvale stabilního stavu do dočasně
stabilního stavu, který časový průběh rozhoduje o době trvání dočasně stabilního stavu a jak se
projevuje změna odporu RB – rozveďte v protokolu!
K bodu b) Za dobu zotavení tz zde budeme považovat dobu, za kterou se po překlopení MKO
do trvale stabilního stavu obnoví citlivost obvodu na spouštěcí impulsy (nebo-li nejkratší dobu, po
kterou musí obvod zůstat v trvale stabilním stavu, aby byl schopen reagovat na každý spouštěcí
impuls).
Pro její určení je vhodný následující postup: na osciloskopu pozorujte vstupní signál a signál uC1
na kolektoru tranzistoru T1 (při správné funkci obvodu jsou kmitočty obou signálů stejné). Při
zvyšování kmitočtu vstupních spouštěcích impulsů se bude zvyšovat i kmitočet signálu uC1, tzn., že
perioda tohoto signálu a tím i doba trvale stabilního stavu se bude zkracovat. Při překročení určitého
kmitočtu začne MKO reagovat až na každý druhý spouštěcí impuls, takže jeho kmitočet bude
poloviční ve srovnání s kmitočtem vstupních spouštěcích impulsů. Doba trvale stabilního stavu pak
bude představovat dobu zotavení, tj. dobu, po kterou musí obvod zůstat v trvale stabilním
stavu, aby reagoval na každý spouštěcí impuls. Odečtěte tuto dobu tz, a srovnejte ji s hodnotou
časové konstanty RC1C nabíjení kondenzátoru C!
K bodu c) Dobu trvání dočasně stabilního stavu měříme na osciloskopu přímo
v mikrosekundách. Kmitočet vstupu volíme tak, aby pro všechny hodnoty odporu RB2 pracoval
16

MKO v normálním režimu, tj. s kmitočtem, kdy se neprojevuje účinek doby zotavení popsaný v
předcházejícím bodu, a přitom aby byla dobře měřitelná doba dočasně stabilního stavu v celém
rozsahu RB2 - viz zadání.
K bodu d) Jako u MKO zobrazte a zaznamenejte všechny časové průběhy v souhlasu s jedním
průběhem referenčním – např. s průběhem napětí uC2. Průběhy zaznamenejte pro takové napětí UR,
kdy otevřené tranzistory jsou dostatečně vybuzeny. Pro posouzení průběhů viz pokyny k bodu a).
2.5 KONTROLNÍ OTÁZKY
a) Vysvětlete činnost proměřovaných obvodů.
b) Co je doba zotavení MKO?
c) Čím je dána doba trvání dočasně stabilního stavu u MKO a AKO?
17


Datum měření: 2007 MAKO BICT
Den (vyznačte X): Po Út St Čt Pá
Hodina (vyznačte X): 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Příjmení a jméno:


!!! Domácí příprava !!!

Odpovědi na kontrolní otázky b) a c):

b)









c)















18



19

Datum měření: 2007 555 BICT
Den (vyznačte X): Po Út St Čt Pá
Hodina (vyznačte X): 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Příjmení a jméno:

3 ČASOVACÍ OBVOD 555
3.1 TEORETICKÉ POZNATKY
Časovací obvod označovaný 555, stručněji časovač, je integrovaný obvod obsahující několik
funkčních bloků (analogových i číslicových), jejichž vhodné propojení umožňuje za použití
několika vnějších součástek sestavit různé varianty časovacích obvodů. Časovač je vyráběn
mnohými firmami pod různými označeními a je rozšířen po celém světě.
Časovač 555 existuje nejen jako jednoduchý integrovaný obvod, nýbrž také jako dvojitý (556 –
dva časovače jsou umístěny v jednom pouzdře) a dokonce i jako čtyřnásobný obvod. Vyskytuje se i
v provedení CMOS, které využívá příznivé vlastnosti této technologie, zejména malou spotřebu.
Vzhledem k stejně rozloženým vývodům lze použít verze CMOS téměř ve všech zapojeních,
původně vyvinutých pro bipolární časovač 555.



Obr. 3.1. Blokové schéma zapojení časovače 555. K1 – vypínací komparátor, K2 – zapínací
komparátor

20


Obr. 3.2. Schematická značka a funkce vývodů časovače
3.1.1 Funkce časovacího obvodu 555
Časovač 555 je integrovaný obvod složený z napěťového děliče, ze dvou komparátorů,
z paměťového klopného obvodu, z výkonového koncového stupně a ze spínacího tranzistoru, jak je
zřejmé ze zjednodušeného blokového schématu na Obr. 3.1. Komparátory K1, K2 porovnávají
napětí vstupů práh (anglicky threshold) a spouštění (anglicky trigger) s referenčními hodnotami
napětí, které jsou vytvořeny děličem R1 až R3. Výstupy obou komparátorů jsou spojeny se vstupy
klopného obvodu RS (reset-set, BKO), který má vyveden ještě jeden nulovací vstup. Výstupní
signál klopného obvodu je zesílen výstupním výkonovým stupněm, jehož výstup tvoří hlavní výstup
časovače 555. Ke klopnému obvodu je navíc připojen vybíjecí (anglicky discharge) tranzistor.
Vnitřní napěťový dělič tvoří tři shodné rezistory R1 až R3 s nominální hodnotou přibližně 5 kW
(odtud název časovače 555). Dělič je připojen na napájecí napětí UCC a vytváří referenční napětí pro
vstupy komparátorů. Není-li k vývodu 5 obvodu připojen vnější zdroj řídicího napětí, je napájecí
napětí UCC připojené na vývod 8 děleno v poměru odporů, takže vznikají dvě napětí: 2/3 UCC a 1/3
UCC. Na tato dvě napětí jsou připojeny vstupy obou komparátorů - komparátor K1, nazývaný též
vypínací komparátor, a komparátor K2, nazývaný též zapínací komparátor. Zapínací komparátor
při poklesu spouštěcího napětí pod hodnotu 1/3 UCC nastaví klopný obvod, zatímco vypínací
komparátor K1 při zvětšení jeho vstupního napětí (práh) nad hodnotu 2/3 UCC klopný obvod
vynuluje. Výkonový stupeň dovoluje zatížit hlavní výstup obvodu výstupním proudem až 200 mA.
Bez vnějšího zapojení se chová časovač 555 při spojení obou vstupů (práh a spouštění) jako
komparátor s hysterezí. Jestliže napětí na vstupu K2 poklesne pod dolní referenční napětí, překlopí
se výstup na úroveň H. Překročí-li naopak napětí na vstupu K1 horní referenční napětí, překlopí se
výstup na úroveň L.
Časovač 555 má ještě jeden další výstup: vyvedený kolektor pomocného tranzistoru, který slouží
jako spínač. Tento samostatný tranzistor je používán k vybíjení vnějšího kondenzátoru, který se
k časovači připojuje při vytváření monostabilních a astabilních klopných obvodů, a je proto
označován názvem vybíjecí tranzistor. Paměťový klopný obvod má ještě jeden nulovací vstup
(vývod 4), který umožňuje nulování klopného obvodu nezávisle na signálech z komparátorů.
Úroveň L na tomto vstupu nastaví výstup klopného obvodu na úroveň H. Na výstupu časovače 555
je pak klidová úroveň L. Úroveň H na nulovacím vstupu je neaktivní - proto bývá nulovací vstup
často spojován s napájecím napětím.
3.1.2 Základní druhy zapojení 555
K nejpoužívanějším zapojením časovače 555 patří klopné obvody, zejména monostabilní a
astabilní, méně pak bistabilní klopný obvod.
21

Monostabilní klopné obvody vytvářejí po spuštění spouštěcím impulsem výstupní impuls
s definovanou šířkou (dobou). Spouštěcí impuls na vstupu bývá kratší než výstupní impuls.
Monostabilní klopné obvody jsou proto používány pro prodloužení impulsů.
Astabilní klopné obvody vytvářejí sled impulsů, který je možno ovlivňovat (modulovat)
pomocnými vstupy.
Ve funkci bistabilního obvodu může časovač pracovat jako přesný komparátor s hysterezí, jehož
rozhodovací úrovně jsou určeny vnitřním děličem (případně s ovlivněním pomocnými vstupy).
Monostabilní klopný obvod
Monostabilní klopný obvod je nejjednodušší aplikací časovače 555, viz Obr. 3.3. Je-li na
spouštěcím vstupu (vývod 2) napětí trvale vyšší, než odpovídá prahové úrovni zapínacího
komparátoru, je klopný obvod BKO vynulovaný a kondenzátor C je vybitý vybíjecím tranzistorem.
Sníží-li se napětí na vstupu pod hodnotu 1/3 UCC, způsobí zapínací komparátor překlopení klopného
obvodu, čímž se vybíjecí tranzistor zahradí. Napětí uC na kondenzátoru C začne exponenciálně
vzrůstat k hodnotě napájecího napětí UCC. Dosáhne-li napětí uC hodnoty 2/3 UCC, pak vypínací
komparátor překlopí klopný obvod BKO opět do vynulovaného stavu a kondenzátor C se vybije
vybíjecím tranzistorem.
Doba t1 nabíjení kondenzátoru C, totožná s délkou impulsu na výstupu Q, je určena okamžikem,
kdy napětí na kondenzátoru dosáhne hodnoty 2/3 UCC. Nabíjení kondenzátoru je popsáno vztahem
( )1)( .CCC CRteUtu --= ( 3.1 )
Po uplynutí doby t1 dosáhne napětí uC hodnoty 2/3.UCC:
)1(32 .CCCC
1
CR
t
eUU --= , ( 3.2 )
odkud dostaneme
CRCRt ..1.13ln..1 @= ( 3.3 )
Z tohoto vztahu je zřejmé, že délka impulsu na výstupu Q v ideálním případě nezávisí na
velikosti napájecího napětí UCC. Je možno ukázat, že tento závěr platí obecně, a to i pro jiné
aplikace časovače, pokud nejsou prvky připojené k časovači nelineární nebo parametrické.

Obr. 3.3. Zapojení monostabilního klopného obvodu s časovačem 555
22

Poznámka: V obrázcích je místo symbolu UCC používán symbol VCC. Hodnota 15 V tohoto
napětí uváděná v obrázcích je jen příkladem jeho možné velikosti. Ve skutečnosti se toto napětí
může měnit ve značném rozsahu (viz zadání).
Astabilní klopný obvod
Astabilní klopný obvod je možno s pomocí časovacího obvodu 555 vytvořit několika způsoby,
z nichž každý má určité výhody a nevýhody.

Obr. 3.4. Zapojení astabilního klopného obvodu s časovačem 555 bez diody D


Obr. 3.5. Zapojení astabilního klopného obvodu s časovačem 555 s diodou D
Z hlediska funkce je nejjednodušší zapojení podle Obr. 3.5, kdy je dioda D připojena. Za
předpokladu, že diodou D neteče v závěrném směru žádný proud a že v propustném směru je na ní
úbytek napětí Ud nezávislý na proudu, je rovnice časového průběhu napětí na kondenzátoru C
v době jeho poklesu dána vztahem
aa .
CCC e..3
2)( CR tUtu -= , ( 3.4 )
takže pro okamžik t1 dostaneme
23

aa
1
.
CCCC .3
2
3
1 CR teUU -= , ( 3.5 )

aaaa1 ..693,02ln.. CRCRt @= . ( 3.6 )
V době vzrůstu napětí t2 (počítáme-li čas od počátku tohoto vzrůstu) platí
ab .
DCCDCCC e..3
2)( CR tUUUUtu -÷
ø
öç
è
æ ---= ( 3.7 )
a odtud dostaneme
DCC
DCC
ab2 .3
.3.2ln..
UU
UUCRt
-
-= . ( 3.8 )
Je-li UCC >>3.UD, můžeme UD ve výrazu zanedbat a dostaneme přibližně
abab2 .693,02ln.. CRCRt @= . ( 3.9 )
Frekvence kmitů je dána vztahem
()2ln..
11
aba21 CRRtt
f +=+= . ( 3.10 )
Ve výrazech ( 3.9 ) a ( 3.10 ) byl zanedbán úbytek napětí UD na diodě, takže se v nich velikost
napájecího napětí UCC nevyskytuje. Pokud však toto zanedbání způsobí příliš velkou chybu, je
nutno kmitočet určit ze vztahů ( 3.6 ) a ( 3.8 ), z nichž je zřejmé, že napájecí napětí výstupní
kmitočet ovlivňuje.
Ze vztahů ( 3.6 ) a ( 3.9 ) vyplývá, že u tohoto zapojení jsou doby t1 a t2 určeny odpory Ra a Rb,
přičemž každou dobu lze nastavit zvlášť nezávisle na druhé. Nevýhodou je ovlivnění kmitočtu
výstupního signálu napájecím napětím. Pokud je toto ovlivnění nepřijatelné a vystačíme-li se
střídou větší než 0,5, můžeme diodu D ze zapojení vypustit, jak je nakresleno na Obr. 3.4.
V takovém případě jsou doby t1 a t2 dány vztahy:
aaaa1 .693,02ln.. CRCRt @= , ( 3.11 )
abaaba2 ).(693,02ln.).( CRRCRRt +@+= . ( 3.12 )
Kmitočet je pak dán vztahem
()2ln...2
11
aba21 CRRtt
f +=+= ( 3.13 )
Z výrazů ( 3.11 ) a ( 3.12 ) je zřejmé, že u zapojení bez diody je vždy t1 < t2. Nelze tedy na
výstupu získat u tohoto zapojení průběh se střídou menší než 0,5. Žádná z dob t1 a t2 a tedy ani
frekvence kmitů však nezávisí na napájecím napětí UCC.
24

Generátor pilovitého průběhu
Využijeme zapojení podobné zapojení astabilního klopného obvodu. Na rozdíl od předchozího,
kdy se kondenzátor nabíjel ze zdroje konstantního napětí UCC a napětí na něm rostlo exponenciálně,
budeme nyní nabíjet kondenzátor ze zdroje konstantního proudu a napětí na něm poroste lineárně
v čase.
Při vybíjení teče vybíjecí proud kondenzátoru pouze přes vybíjecí tranzistor T v obvodu
časovače 555, čímž dostaneme prudký pokles napětí na kondenzátoru C. Při poklesu napětí na
kondenzátoru pod prahové napětí 1/3 UCC dojde k opětovnému samovolnému spuštění časovače.
Jako zdroje konstantního proudu je využito zapojení s tranzistorem v oblasti výstupních
charakteristik, kdy kolektorový proud prakticky nezávisí na napětí kolektor-emitor.

Obr. 3.6. Proudový zdroj
Ze zapojení vyplývá, že vlivem záporné zpětné vazby dané odporem R1 bude kolektorem
protékat konstantní proud, jehož velikost je určována odporem R1. Z rovnice
IRUU .1BEZD += ( 3.14 )
se vypočte velikost odporu R1 pro daný konstantní proud.
Nevýhodou prvního zapojení je, že zatěžovací rezistor RC není uzemněn. Tento nedostatek je
odstraněn v zapojení s komplementárním tranzistorem PNP (Obr. 3.6 vpravo). Pro návrh platí
obdobné vztahy
I
UUR BEZD
1
-= , ( 3.15 )
R2
ZDCC
2 I
UUR -= . ( 3.16 )
Ve funkci Zenerovy diody lze použít i LED diodu nebo sériově spojené diody, jak je naznačeno
na Obr. 3.6.
Tento obvod lze s výhodou použít pro generáto