Diskreten Schmitttrigger berechnen

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Diskreten Schmitttrigger berechnen

    










BID = 1068283

I-need

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Leider muss ich schon wieder die Profis um Rat fragen.

Ich habe mir soeben ein Excel Berechnungstool gebastelt, welches mir einen diskreten Transistor-Schmitttrigger berechnen soll.

Mal abgesehen davon, dass in meiner Berechnung für den Ein- und Ausschaltwert genau gleich ist, beweist das auch meine Simulation. Also ist da etwas Faul.

Ebenso muss ich auch zugeben, dass ich auch nicht verstehe, weshalb ich zwei verschiedene Schaltwerte erhalten sollte. Ja ich weiss, dass die Mitkopplung über den gemeinsamen Emitterwiderstand geschehen soll, aber mit zwei identischen Kollektorwiderstände fliesst auch derselbe Emitterstrom -> selbe Spannung über Emitterwiderstand.

Wo liegt mein Denkfehler und wo mein Fehler in der Berechnung. Wäre jemand so lieb und mir etwas auf die Sprünge helfen?

Vielen Dank!

PS: Das Exceltool ist noch nicht fertig entwickelt -> mag evt. noch etwas chaotisch sein.








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BID = 1068298

I-need

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Auf dieser Seite wird davon erzählt, dass die Schaltung zum Funktionieren zwei verschiedene Emitterströme benötigt und deswegen sind die beiden Kollektorwiderstände ungleich dimensioniert. Die Erklärung und Berechnung finde ich ebenfalls nachvollziehbar.

Allerdings frage ich mich nun wieso bei allen sonstigen Abbildungen immer gleiche Kollektorwiderstände verwendet werden? Auch in meinem Formelbuch ist das so.

Jedenfalls klemme ich mit diesem Problem gerade ziemlich fest, hoffe es kann mir dabei jemand etwas helfen.
Gruss Simon

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BID = 1068306

unlock

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Versuche es doch mal mit unterschiedlichen Kolektorwiderständen.
Somit erhältst Du verschiedene Emiterpotentiale, welche Einfluss auf die erforderliche Basisspannung hat.
Also Ube+Ure

Rc1, R1 und R2 bringen k2 in einen bestimmten Arbeitsbereich, der von k1 natürlich überschritten werden muss.

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[ Diese Nachricht wurde geändert von: unlock am 28 Jun 2020 23:41 ]

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I-need

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Ja dann funktioniert die Schaltung, aber beim besten Willen schaffe ich es nicht sie zu dimensionieren, dass sie bei den von mir definierten Schaltschwellen kippt.



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BID = 1068332

unlock

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In Excel gibt es Funktionen, mit denen Du bestimmte Werte verändern kannst und somit die Widerstände berechnen lassen kannst.

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I-need

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Zitat :
In Excel gibt es Funktionen, mit denen Du bestimmte Werte verändern kannst und somit die Widerstände berechnen lassen kannst.
Danke, mal sehen wie gut der Solver bei Excel ist...

Ich glaube aber, es liegt eher an meinem Verständnis der Schaltung, als an der Mathematik. Auch das Rätsel mit den Kollektorwiderständen habe ich noch nicht gelöst.

Des Weiteren habe ich wohl auch mit den Systemgrenzen des Systems zu kämpfen, ich glaube allmählich, dass es nicht möglich ist Schaltschwellen von irgendwo bei 2V und 4V zu haben, wenn die Schaltung nur mit 5V gespiesen wird.



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Kleinspannung

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Mal ne Frage:(helfen kann ich dir nicht)

Willst oder mußt du das berechnen können?
Weil,dafür wurden schon vor vielen vielen Monden passende IC erfunden,oder man programmiert sich eben schnell nen Tiny.

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Manche Männer bemühen sich lebenslang, das Wesen einer Frau zu verstehen. Andere befassen sich mit weniger schwierigen Dingen z.B. der Relativitätstheorie.
(Albert Einstein)

BID = 1068350

unlock

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Zitat :



...das Rätsel mit den Kollektorwiderständen habe ich noch nicht gelöst.

Das ist kein Rätsel, es nennt sich Gesetz des Simon Ohm oder einfach U=R*I.

D.h. Du mußt die Schaltun zerlegen: Rc2, K2 und Re sowie Rc1, K1 und Re sind, abgesehen von dem hochohmigen Zweig(R1 und R2), Reihenschaltungen.

Mit Rc1 und Rc2 beeinflusst Du den Strom durch Re und somit dessen Spannung. Diese Spannung(Ure)+ Basisspannung(Ube)sind die Schwellwerte.
Also:

Schaltzustand 1:
I=U/Rc1+Re=10V/10000ohm+1000ohm=0,9mA
Ure=I*Re=0,9mA*1000ohm=0,9V
Schwellwert=Ure+Ube1=0,9V+0,7V=1,6V

Schaltzustand 2:
I=U/Rc2+Re=10V/5000ohm+1000ohm=1,6mA
Ure=I*Re=1,6mA*1000ohm=1,6V
Schwellwert=Ure+Ube2=1,6V+0,7V=2,3V


Zitat :

Des Weiteren habe ich wohl auch mit den Systemgrenzen des Systems zu kämpfen, ich glaube allmählich, dass es nicht möglich ist Schaltschwellen von irgendwo bei 2V und 4V zu haben, wenn die Schaltung nur mit 5V gespiesen wird.

Möglicherweise wird man dafür die Schaltung etwas anpassen müssen, in dem man die Widerstände so verändert, daß die Transistoren auch vernünftig schalten können.
Dies erreicht man mit höheren Basisstrom.

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[ Diese Nachricht wurde geändert von: unlock am 29 Jun 2020 23:02 ]

BID = 1068355

I-need

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Zitat :
Mal ne Frage:(helfen kann ich dir nicht)

Willst oder mußt du das berechnen können?
Will, Ihr erinnert euch an meine diskrete Transistoren-Digitaluhr. Ich muss da eben die Signalaufbereitung verbessern, da so wie es jetzt ist, reagiert sie etwas empfindlich gegen Störeinflüssen. Ich bin schon so weit gekommen, sogar ein "aktiver" Sallenkey Tiefpass mit einem Transistor habe ich hinbekommen (wohlgemerkt hingemurkst mit etwas ausprobieren, aber funktioniert jetzt wie ein Traum). Was mich an diesem Projekt begeistert ist, wie man mit minimalsten* Bauteilaufwand solch eine komplexe Digitalschaltung realisieren kann. Natürlich sind mir die daraus resultierenden Nachteile bewusst oder während des Projekts bewusst geworden.

*Minimalste auf die tatsächliche Anzahl arbeitenden Halbleiter.

Dass mir gerade dieser Schmitttrigger so Mühe bereitet hätte ich nun doch auch nicht gedacht.


Zitat :
Das ist kein Rätsel, es nennt sich Gesetz des Simon Ohm oder einfach U=R*I.

D.h. Du mußt die Schaltun zerlegen: Rc2, K2 und Re sowie Rc1, K1 und Re sind, abgesehen von dem hochohmigen Zweig(R1 und R2), Reihenschaltungen.

Mit Rc1 und Rc2 beeinflusst Du den Strom durch Re und somit dessen Spannung. Diese Spannung(Ure)+ Basisspannung(Ube)sind die Schwellwerte.
Jaaa genau so sehe ich das auch. Aber wieso wird das nicht berücksichtigt bei so vielen Schaltungsentwürfen, inklusive Abbildungen in der Literatur? Meiner Meinung nach kann man mit zwei identischen Kollektorwiderstände keine Hysterese hinbekommen und somit ist der Sinn der Schaltung fragwürdig.


Zitat :
Möglicherweise wird man dafür die Schaltung etwas anpassen müssen, in dem man die Widerstände so verändert, daß die Transistoren auch vernünftig schalten können.
Dies erreicht man mit höheren Basisstrom.
Werde ich morgen bei aller frische nochmals versuchen. Frage: Mit Verändern meinst du, dass ich die Schaltung generell niederohmiger gestalte, oder sprichst du ausschliesslich vom Basisstrom? Denn eigentlich sollte der Basisstrom immer mit einem Û von 5 übersättigt werden.

Vielen Dank für eure Geduld mit einem Elektronikanfänger, der nach seinen persönlichen Interessen wohl besser in den 60er Jahren aufgehoben gewesen wäre. Gruss Simon



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BID = 1068357

perl

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Zitat :
ich weiss, dass die Mitkopplung über den gemeinsamen Emitterwiderstand geschehen soll, aber mit zwei identischen Kollektorwiderstände fliesst auch derselbe Emitterstrom -> selbe Spannung über Emitterwiderstand.
Das dürfte auf einem Trugschluss beruhen.
Wenn diese bistabile Schaltung ihre Endzustände eingenommen hat, bestimmen die Widerstände hauptsächlich die am Ausgang anliegenden Spannungen.
Ob das Ding aber als Impulsformer arbeitet, ist etwas komplizierter.

Da bekanntlich, bei konstanter Ansteuerung, der Kollektorstrom eines npn-Transistors in weiten Grenzen von der Kollektorspannung kaum abhängt, spielt der Wert des Kollektorwiderstandes für den Emitterstrom u.U. keine Rolle.

Im dem kritischen Moment des Umschaltens hast du es mit einem linearen emittergekoppelten Verstärker, auch als Differenzverstärker bekannt, zu tun.
Der lineare Aussteuerbereich dieses Differenzverstärkers beträgt höchstens etwa 50mV.

In diesem linearen Übergangszustand ziehen, unabhängig von der Größe der Kollektorwiderstände, beide Transistoren Strom, der Eine mehr der Andere weniger, und der Übergang geschieht fliessend, wobei die Summe i.W. konstant ist.
Die Größe des jeweiligen Kollektorwiderstandes hat allerdings etwas mit der Spannungsverstärkung des Differenzverstärkers zu tun, der hier an seinen beiden Eingängen angesteuert wird.

Insbesondere für den Weg Eingang = linkes Ende von R1
nach Ausgang = Kollektor von K2
muss die Spannungsverstärkung grösser als 1 sein, damit sich ein bistabiles Verhalten einstellen kann.

In diesem Sinne schädlich sind
1) der Spannungsteiler überhaupt
2) Die Tatsache, dass dieser Spannungsteiler signalmäßig parallel zu RC1 liegt und so den Arbeitswiderstand von K1 verringert.
3) die Hochohmigkeit des Vorwiderstandes Rv, und, mit gleicher Bedeutung
4) die Hochohmigkeit des Ausgangswiderstandes des Spannungsteilers.

PunktE 3) und 4) spielen eine Rolle, wenn man versucht die Spannungsverstärkung des Differenzverstärkers abzuschätzen:

Angenommen, du möchtest die Spannung am Kollektor von K2 (β=300) um 0,3V erniedrigen.
Dann brauchst du dort eine Stromerhöhung um 30µA, da RC2 ja 10k beträgt.
Diese Stromerhöhung bekommst du (wegen Ie1+Ie2=const), indem du den Strom durch K1 um 30µA erniedrigst, was an diesem Transistor eine Reduktion des Basisstroms um 0,1µA erfordert.
Diese 0,1µA erfordern wegen Rv=1,8MΩ eine Verringerung der Eingangsspannung um 180mV.
Die Spannungsverstärkung beträgt bei dieser Dimensionierung also höchstens
300/180= 1,67.
Tatsächlich ist sie aber noch deutlich geringer, weil ich die (sehr geringe Änderung von Ube an beiden Transistoren) vernachlässigt habe, und weitaus schlimmer den Einfluss des Innenwiderstandes des Spannungteilers.

Denn schliesslich bewirkt ja auch der um 0,1µA erhöhte Basisstrombedarf von K2 einen Spannungsabfall am Innenwiderstand des Spannungsteilers.
Da dieser Innenwiderstand 15,6kΩ||(10kΩ+38kΩ) = 11,8kΩ beträgt, erhöht sich der Steuerspannungsbedarf um ein weiteres Millivolt.
Das ist hier gegenüber den 180mV an Rv unbedeutend, aber oft entwirft man Schaltungen mit Differenzverstärkern wegen der thermischen Stabilität so, dass beide Eingänge den gleichen Ausgangswiderstand sehen.
Wenn dabei auch 180mV herausgekommen wären, hätte die Anordnung nur noch eine Verstärkung von 0,8 und wäre damit unfähig jemals bistabil zu werden.

Nun gut, wir haben hier, auf Rc2 bezogen, eine Verstärkung von knapp 1,67 und ihr Absolutwert wäre auf Rc1 bezogen etwa 25% geringer, weil Rc1 ja durch den Spannungsteiler belastet wird.

Für den Spannungsteiler bedeutet das, dass sein Teilerverhältnis allenfalls noch 1,25:1 betragen darf, bevor die Schleifenverstärkung unter 1 sinkt.
Mit den Widerstandswerten 38kΩ und 15,6kΩ hast du dieses kritische Verhältnis jedenfalls bei weitem überschritten, die Schaltung kann nicht funktionieren.

Die wichtigsten Abhilfen wären:
Kräftige Reduktion von Rv auf einige kΩ, denn dort wird die meiste Verstärkung verschenkt.
Reduktion des Spannungsteilers auf z.B. 47kΩ + 47kΩ


P.S.:
Zitat :
Meiner Meinung nach kann man mit zwei identischen Kollektorwiderstände keine Hysterese hinbekommen
Doch das geht.
Siehe vorstehendes.



[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 30 Jun 2020  2:17 ]

BID = 1068358

perl

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Zitat :
*Minimalste auf die tatsächliche Anzahl arbeitenden Halbleiter.
Nimm Röhren, damit kannst du Uhr sogar ganz ohne Halbleiter bauen.
Ist aber teuer im Betrieb.


Zitat :
Ich muss da eben die Signalaufbereitung verbessern, da so wie es jetzt ist, reagiert sie etwas empfindlich gegen Störeinflüssen.
Kann daran liegen, aber genau so gut und meist hartnäckiger können es über die Netzzuleitung eingeschleppte Störungen sein, die den Digitalkram in unvorhersehbarer Weise durcheinander bringen.
Denen begnet man am besten mit einem kommerziellen Netzfilter und natürlich Abschirmung.




BID = 1068375

I-need

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[ Diese Nachricht wurde geändert von: I-need am 30 Jun 2020 17:44 ]

BID = 1068388

I-need

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Beiträge: 320

Danke für diese Sehr ausführliche Erklärung!!!!

Musste mich eben mal hinsetzten,etwa 100 mal durchlesen und Satz für Satz nachvollziehen zu können. Immerhin ist mir jetzt so einiges klarer, wobei doch noch ein zwei Fragen offen sind.


Zitat :
In diesem Sinne schädlich sind
1) der Spannungsteiler überhaupt
2) Die Tatsache, dass dieser Spannungsteiler signalmäßig parallel zu RC1 liegt und so den Arbeitswiderstand von K1 verringert.
3) die Hochohmigkeit des Vorwiderstandes Rv, und, mit gleicher Bedeutung
4) die Hochohmigkeit des Ausgangswiderstandes des Spannungsteilers.
Also Punkt zwei ist doch noch etwas ... Also wie du die parallele und serielle Abhängigkeit von RC1,R1 und R2 erkennst.


Zitat :
aber oft entwirft man Schaltungen mit Differenzverstärkern wegen der thermischen Stabilität so, dass beide Eingänge den gleichen Ausgangswiderstand sehen.
Das hiesse, aufgrund der Belastung von RC1 durch den Spannungsteiler sollte man RC1 etwas kleiner als RC2 dimensionieren?


Zitat :
Für den Spannungsteiler bedeutet das, dass sein Teilerverhältnis allenfalls noch 1,25:1 betragen darf, bevor die Schleifenverstärkung unter 1 sinkt.
Mit den Widerstandswerten 38kΩ und 15,6kΩ hast du dieses kritische Verhältnis jedenfalls bei weitem überschritten, die Schaltung kann nicht funktionieren.
Ich verstehe, was du damit sagen willst, aber wie kommst du auf das maximale Teilerverhältnis von 1,25:1?


Zitat :
Die wichtigsten Abhilfen wären:
Kräftige Reduktion von Rv auf einige kΩ, denn dort wird die meiste Verstärkung verschenkt.
Reduktion des Spannungsteilers auf z.B. 47kΩ + 47kΩ
Da mein Excel ja Brav nach den Formen aus meinem Formelbuch rechnet, wieso erhalte ich eine nicht lauffähige Schaltung. Liegt das an meinen definierten Eingaben oder ist den Formeln im Buch die kritischen Parameter/Verhältnisse/Schleifenverstärkung egal? Welche Performance darf ich denn von der Schaltung erwarten?


Zitat :

Zitat :

Meiner Meinung nach kann man mit zwei identischen Kollektorwiderstände keine Hysterese hinbekommen

Doch das geht.
Siehe vorstehendes.
Verstehe ich jetzt DANKE, allerdings... wenn ich an meine Schaltungsdimensionierung die Schwellwerten vorgeben möchte und nicht nur eine Hysterese von den von dir erwähnten 50mV haben will, wo findet dies Einbezug auf die Berechnung? Eigentlich Vtresh_h=0.7+Ure und Vtresh_l ist abhängig vom Basisspannungsteiler von K2? Also wie zum dimensioniert man die 6 Widerstände?

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BID = 1068390

+racer+

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Ich mag das Jungs , macht eine schöne Reparatur

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perl

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Zitat :
Also Punkt zwei ist doch noch etwas ... Also wie du die parallele und serielle Abhängigkeit von RC1,R1 und R2 erkennst.
Weil der Innenwiderstand der Betriebsspannungsquelle i.d.R. sehr gering ist, kannst du diese durch einen Kurzschluss ersetzen, und dann siehst du sofort, dass der Arbeitswiderstand des K1 höchstens Rc1 || (R1+R2) beträgt.
Tatsächlich ist er sogar noch etwas geringer, weil auch noch der Eingangswiderstand des K2 parallel zu R2 liegt.


Zitat :
Das hiesse, aufgrund der Belastung von RC1 durch den Spannungsteiler sollte man RC1 etwas kleiner als RC2 dimensionieren?
Nö, wie gesagt ist es nicht notwendig, dass die beiden Widerstände gleich gross sind. Gleiche externe Widerstände am Eingang des Differenzverstärkers strebt man bei Präzisionschaltungen wie Operationsverstärkern oder Komparatoren an, während deine Schaltung sowas von ungenau ist, dass es nicht lohnt darüber nachzudenken.

Die meisten so genannten Schmitttrigger sind auch gar keine, denn der Otto Schmitt hat das in der 1930ern mit Röhren gemacht, es sich (wegen eines Streits mit RCA) aber nicht patentieren lassen.
Transistoren gab es erst über 10 Jahre später, und von der Funktion her gehörten da eigentlich N-Kanal-Sperrschicht-FETs hin. Aber die gab es in den 1950ern auch noch nicht zu kaufen.
Wer die Schmitt'sche Schaltung auf bipolare Transistoren übertragen hat, und ob der sich das hat patentieren lassen, weiss ich leider nicht.


Zitat :
aber wie kommst du auf das maximale Teilerverhältnis von 1,25:1?
Aus der geringen Spannungsverstärkung am Kollektor des K1.


Zitat :
Da mein Excel ja Brav nach den Formen aus meinem Formelbuch rechnet, wieso erhalte ich eine nicht lauffähige Schaltung. Liegt das an meinen definierten Eingaben oder ist den Formeln im Buch die kritischen Parameter/Verhältnisse/Schleifenverstärkung egal? Welche Performance darf ich denn von der Schaltung erwarten?
Warum nimmst du dir nicht einen Schaltungssimulator anstelle von Excel und entwickelst damit?
LTSpice gibts immer noch umsonst, aber es ist jetzt bei Analog Devices, seit dem die Linear Technology geschluckt haben. https://www.analog.com/en/design-ce......html


Zitat :
Also wie zum dimensioniert man die 6 Widerstände?
Überhaupt nicht.
Wenn man einen Impulsformer mit genau bekannten Eigenschaften braucht, nimmt man besser zwei Komparatoren und ein RS-Flipflop.
Damit bekommt man mühelos präzise Schaltschwellen und am Ausgang vernünftige Logikpegel.
Am Innenleben des 555-Timers z.B. kannst du dir ansehen, wie das geht.


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