หน่วยที่ 7 ชมิตต์ทริกเกอร์

เอกสารประกอบการเรยี น วชิ า วงจรพลั ส์และสวิตชิง รหัสวิชา 2105-2006 หน่วยการเรียนที่ 7 ชมิตตท์ ริกเกอร์ จดั ทาโดย ครูปราณทพิ ย์ ชนวีร์จารุณัฐสาขาวชิ าอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ วทิ ยาลยั เทคนคิ จันทบุรีสานักงานคณะกรรมการการอาชวี ศกึ ษา กระทรวงศกึ ษาธิการ

ชมติ ต์ทรกิ เกอร์แนวคิด การใช้งานสาหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการเปล่ียนสัญญาณท่ีเป็นอนาล็อกให้เป็นสัญญาณดิจิตอล หรือใช้แก้ปัญหาเรื่องสัญญาณรบกวนท่ีทาให้รูปคลื่นสี่เหล่ียมเกิดการผิดเพ้ียนจะต้องอาศัยวงจรที่มีคุณสมบัติในการปรับเปล่ียนรูปคล่ืนต่าง ๆ เหล่านั้นให้ได้เป็นคล่ืนรูปสีเ่ หลย่ี ม และวงจรอเิ ลก็ ทรอนิกส์ท่ีมคี ุณสมบัติดังกลา่ วมาน้ันมีชอ่ื เรียกว่า ชมติ ต์ทริกเกอร์ จากคุณสมบัติขอ้ ดังกลา่ วทาใหว้ งจรชมติ ตท์ ริกเกอร์ เป็นวงจรสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ท่ีได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย สามารถสร้างวงจรจากอุปกรณ์สารกึ่งตัวนาได้หลายชนิด เช่นทรานซิสเตอร์ เฟต และออปแอมป์ ถึงแม้ว่าวงจรจะถูกสร้างข้ึนมาจากอุปกรณ์ที่แตกต่างกัน แต่ยังคงมีหลักการทางานของวงจรเหมือนกันคือ วงจรทางานโดยอาศัยการจุดชนวนอินพุต 2 ระดับคือจุดชนวนด้านสูง (UTP) และจุดชนวนด้านต่า (LTP) และไม่ว่าสัญญาณอินพุตจะเป็นสัญญาณที่มีรปู แบบหรอื ลกั ษณะใดก็ตาม สญั ญาณเอาต์พุตจะยังคงเป็นสญั ญาณรูปสีเ่ หล่ยี มเสมอสาระการเรียนรู้ 1. วงจรชมิตต์ทริกเกอร์ 2. วงจรชมิตต์ทรกิ เกอรท์ ี่ใช้ทรานซสิ เตอร์ 3. สภาวะฮสิ เตอร์รซี ิสจดุ ประสงค์การเรยี นรู้ จุดประสงคท์ ว่ั ไป 1. เพอ่ื ให้มคี วามรู้ และเขา้ ใจเก่ยี วกับวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ 2. เพอ่ื ให้มีกิจนิสัยในการพัฒนาคุณธรรม จริยธรรม จุดประสงคเ์ ชงิ พฤติกรรม 1. บอกความหมายของวงจรชมิตต์ทรกิ เกอร์ได้ 2. อธบิ ายการทางานของวงจรชมติ ต์ทรกิ เกอรท์ ่ีใช้ทรานซิสเตอร์ได้ 3. บอกความหมายของสภาวะฮิสเตอรร์ ีซิสได้ 4. มีการพัฒนาคุณธรรม จรยิ ธรรม และคุณลกั ษณะอันพงึ ประสงค์ที่ผู้สอนสามารถสังเกตเหน็ ได้ในดา้ นมนุษยสมั พันธ์ มีวนิ ัยใช้วัสดุอปุ กรณ์ ความรบั ผดิ ชอบ ตรงต่อเวลาละเอยี ดรอบคอบ มคี วามกระตอื รือร้นในการทางาน เช่ือม่นั ในตนเอง ซ่ือสัตยส์ ุจริต สนใจใฝ่รู้ รักสามัคคี

1.วงจรชมติ ต์ทรกิ เกอร์ วงจรชมิตต์ทริกเกอร์ (Schmitt Trigger Circuit) หรืออาจเรียกอีกอย่างว่าตัวเปรียบเทียบใหม่ (Regenerative Comparator) วงจรจะอาศัยการทางานท่ีระดับแรงดันอินพุต 2 ค่า ควบคุมการเปลี่ยนแปลงสภาวะเสถียรของวงจร โดยใช้ความแตกต่างกันของระดับแรงดันไฟ 2 ระดับ จึงเป็นวงจรสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์อีกแบบที่นิยมนามาใช้งาน เพ่ือใช้เป็นตัวสร้างสัญญาณส่ีเหล่ียมจากสญั ญาณอนิ พตุ ท่ีมรี ปู แบบสัญญาณหลาย ๆ รูปแบบ แสดงดังรูปท่ี 7.1 +V t + +VVin 0 t - Vin วงจร Vout + t + ชมติ ตท์ ริกเกอร์ Vout 0Vin 0 - - + tVin 0 -V - t +Vin 0 รปู ท่ี 7.1 วงจรชมติ ต์ทริกเกอร์ - -V จากรูปที่ 7.1 แสดงวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ ที่สัญญาณรูปแบบต่าง ๆ เช่น สัญญาณรูปคลื่นไซน์ สัญญาณรูปคล่ืนสามเหลี่ยม สัญญาณรูปคล่ืนฟันเล่ือย หรือสัญญาณรูปคล่ืนส่ีเหลี่ยมที่ผิดเพี้ยน ป้อนเข้ามาทางด้านอินพุตของวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ วงจรจะทาการเปลี่ยนสัญญาณเหลา่ นั้น ใหไ้ ด้รูปสัญญาณออกเอาตพ์ ตุ เป็นสัญญาณคล่ืนพัลส์หรือสญั ญาณคลน่ื รูปสี่เหลย่ี ม ซึง่ การเปลีย่ นแปลงรูปรา่ งสัญญาณเอาต์พุตท่ีส่งออกน้ัน มีหลักการทางานโดยอาศัยระดับแรงดนั 2 ระดบั ป้อนเขา้ ไปบังคับการทางานและหยดุ การทางานของวงจรชมติ ต์ทรกิ เกอร์ แรงดัน 2ระดับ นั้นได้แก่ แรงดันจุดชนวนด้านสูง (Upper Trigger Point) หรือ UTP จะไปบังคับให้วงจรชมิตต์ทริกเกอร์ทางาน ทาให้ได้สัญญาณคล่ืนสี่เหล่ียมช่วงข้ันบันไดขาข้ึน และแรงดันจุดชนวนด้านต่า (Lower Trigger Point) หรือ LTP ไปบังคับให้วงจรชมิตต์ทริกเกอร์หยุดทางาน ทาให้ได้สัญญาณคล่ืนส่ีเหลี่ยมช่วงข้ันบันไดขาลง ตาแหน่งการทางานของวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ที่รูปคล่ืนแบบต่าง ๆ แสดงดงั รูปท่ี 7.2

UTP LTP UTP LTPInput Input t tOutput t Output t ก. อนิ พตุ เป็นรูปคลนื่ ไซน์ ข. อินพุตเป็นรปู คลื่นสามเหล่ยี ม UTP LTP UTP LTPInput t Input tOutput Output t tค. อนิ พตุ เปน็ รูปคลนื่ ฟันเลื่อย ง. อนิ พุตเปน็ รูปคล่ืนพลั ส์รูปที่ 7.2 ตาแหน่งการทางานของวงจรชมิตต์ทริกเกอรท์ ี่รูปคลืน่ แบบตา่ ง ๆ ที่มา: พนั ศกั ดิ์ พฒุ มิ านิตพงศ์. วงจรพัลสแ์ ละสวิตชิง.(หนา้ ที่ 282)2.วงจรชมิตต์ทรกิ เกอร์ที่ใช้ทรานซสิ เตอร์ วงจรชมิตต์ทริกเกอร์ท่ีใช้ทรานซิสเตอร์ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ 2 ตัว คือตัว Q1 และตัว Q2 ต่อแบบวงจรอิมิตเตอร์ร่วม (Common Emitter) สภาวะการทางานของวงจรทรานซิสเตอร์ท้ัง 2 ตัวจะทางานสลับกันคือถ้าตัวหนึ่งทางานอีกตัวหน่ึงจะหยุดทางาน การทางานของวงจรและสัญญาณ แสดงดังรปู ที่ 7.3

+VCC R1 R2 R5 VR5 Vin R3 VCE2 Q1 Q2 Vout R4 VE R6 รูปที่ 7.3 วงจรชมติ ต์ทรกิ เกอรท์ ่ใี ชท้ รานซิสเตอร์ จากรปู ท่ี 7.3 แสดงวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ที่ใช้ทรานซสิ เตอร์ 2 ตวั ทางานสลับกันทาให้ได้แรงดันจุดชนวนดา้ นสงู (UTP) และแรงดันจดุ ชนวนด้านตา่ (LTP) อธิบายการทางานได้ดังรูปที่7.4 และ 7.5 +VCC R2 R5 IR5 UTP LTP IR3 IB2 ICQ2 Vin t R1 Q1 R3 Q2 IEQ2-ICQ2+IBQ2 VOUT=VCE(SAT)+VE Vout VCC tVin VB1=0 VEQ1 VEQ2 VCC VR5 IR4 R4 R6 VE รูปท่ี 7.4 Q1 ไม่นากระแส Q2 นากระแส ที่มา : สุชิน ชินสีห์.วงจรพัลสแ์ ละสวติ ชงิ . (หนา้ ที่ 174) จากรูปที่ 7.4 ในช่วงเวลาท่ีไม่มีสัญญาณ Vin คล่ืนไซน์ป้อนเข้ามานั่นคือ Vin = 0 V ตัว Q1จะไม่นากระแส อยู่ในสภาวะคัตออฟ (Cut off) เปรียบเสมือนสวิตช์เปิดวงจร“OFF” ดังน้ันกระแสจะไหลจากแหล่งจ่าย + VCC ผ่านตัว R2 ผ่านตัว R3 ผ่านตัว R4 ลงกราวด์ และจะมีกระแสบางส่วนจาก + VCC ไหลไปไบอัสตรงให้กับตัว Q2 ทาให้ตัว Q2 นากระแสจนถึงจุดอ่ิมตัว (Saturation)เปรียบเสมือนสวิตชป์ ดิ วงจร “ON” จึงทาให้กระแสจาก + VCC ไหลผ่านตัว R5 ผ่านขา C ของตัว Q2ออกที่ขา E ผา่ นตวั R6 ลงกราวด์ มีคา่ แรงดนั ตกคร่อม ตวั R6 เท่ากับ VE แรงดันท่ีออก Vout ที่เวลา t1มีค่าเท่ากับ VE2 คือ (+VCC – VR5 ) หรือ (VCE2 + VE) และถ้าค่าแรงดัน VE ของตัว Q1 มากกว่าแรงดนั ไฟฟ้าทขี่ า B ตวั Q1 จะไมน่ ากระแส จะทาให้ Q1 นากระแสได้จะต้องป้อนสัญญาณ Vin ให้มี

ค่ามากกว่าแรงดัน VE ของตัว Q2 ซึ่งขนาดสัญญาณ Vin ค่าน้ันก็คือตาแหน่งของ แรงดันจุดชนวนด้านสูง หรอื UTP +VCC UTP LTP R2 IR2 R5 Vin R3 tIR1 IBQ1 ICQ2 Q2 OFF t VEQ2 VOUT=VCC R1 Q1 VEQ1 Vout VCCVin VB1>(VBE+VE) IEQ1 VCC VR5 R4 R6 VE รปู ท่ี 7.5 Q1 นากระแส Q2 ไม่นากระแส ท่ีมา : สุชิน ชนิ สหี ์.วงจรพลั สแ์ ละสวติ ชงิ . (หนา้ ที่ 174) จากรูปที่ 7.5 ในช่วงเวลาที่สัญญาณ Vin คล่ืนไซน์ซีกบวกป้อนเข้ามา ตัว Q1 จะนากระแสอยใู่ นสภาวะทางานเปรียบเสมือนสวิตช์ปิดวงจร “ON” กระแสจากแหล่งจ่าย + VCC จะไหลผ่านตัวR2 ผ่านขา C ของตัว Q1 ผ่านขา E ของตัว Q1 ผ่านตัว R6 ลงกราวด์ มีค่าแรงดันตกคร่อม ตัว R6เท่ากับ VE ขณะน้ีจะไม่มีกระแสไหลไปไบแอสให้กับตัว Q2 ทาให้ตัว Q2ไม่นากระแส อยู่ในสภาวะคัตออฟ (Cut off) เปรียบเสมือนสวติ ชเ์ ปิดวงจร “OFF” และกระแส IE ของตัว Q1 ที่ไหลผ่านตัว R6 เป็นผลให้ตัว Q2 ไม่นากระแสอยู่ในสภาวะคัตออฟ เพราะแรงดัน VE ของตัว Q2 มากกว่าแรงดนั ไฟฟ้าทีข่ า B ของตัว Q2 จะได้ค่าแรงดันท่ีออก Vout ที่เวลา t1+ จะมีค่าเท่ากับ + VCC ตัว Q2 จะอยู่ในสภาวะคัตออฟไปจนกว่าจะมีการลดสัญญาณ Vin ลงมาต่ากว่าค่า UTP ตัว Q2 จึงจะกลับไปทางานจนถึงจุดอ่ิมตัวอีกคร้ัง ขนาดของสัญญาณ Vin ที่ทาให้ ตัว Q2 นากระแสจนถึงจุดอ่ิมตัวอีกคร้ัง คือ ตาแหน่งของแรงดันจุดชนวนด้านต่า หรือ LTP จะได้ค่าแรงดัน Vout ที่เวลา t2 มีค่าลดลงเท่ากบั VE2 สรุปคือ ค่าแรงดันไฟฟ้า Vin ท่ีป้อนให้ตัว Q1 จนเร่ิมนากระแสจะเรียกว่า แรงดันจุดชนวนด้านสูง (UTP : Upper trigger point) และเมื่อลดแรงดันไฟฟ้า Vin จนทาให้ตัว Q1 หยุดนากระแสจะเรียกว่า แรงดันจุดชนวนด้านต่า (LTP : Lower trigger point) มีรูปสัญญาณออกเอาต์พุต แสดงดังรปู ท่ี 7.6

UTPVin LTP t VCCVout VCC-VR5 t1 t2 tรปู ท่ี 7.6 รปู สญั ญาณเอาต์พุตของวงจรชมิตตท์ ริกเกอร์ที่ใช้ทรานซสิ เตอร์ ท่ีมา: พันศักด์ิ พุฒิมานิตพงศ.์ วงจรพัลส์และดจิ ติ อล.(หนา้ ท่ี 93) จากรูปท่ี 7.6 แสดงรูปสัญญาณเอาต์พุตของวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ ที่ตาแหน่งของ แรงดันจุดชนวนด้านสูง หรือ UTP จะได้แรงดันท่ีออก Vout ท่ีเวลา t1 มีค่าเท่ากับ VE2และขณะท่ี Q2 อยใู่ นสภาวะคัตออฟ จะได้ค่าแรงดันที่ออก Vout ที่เวลา t1+ จะมีค่าเท่ากับ +VCC และเมื่อถึงตาแหน่งของแรงดันจุดชนวนด้านต่า หรือ LTP จะได้ค่าแรงดัน Vout ท่ีเวลา t2 มีค่าลดลง3.เทา่ กบั VE2 สภาวะฮสิ เตอร์รีซสิ สภาวะฮิสเตอร์รีซสิ (Hysteresis) ทีเ่ กดิ ขน้ึ ในวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ หมายถึง ค่าเวลาล้าหลังหรือ การทาให้เกิดการหน่วงเวลาในการเปล่ียนแปลงสภาวะการทางานของวงจร ซ่ึงเกิดจากการป้อนกระแสที่ไหลผ่านจากเอาต์พุตกลับมาเข้าอินพุตใหม่ เป็นแรงดันอินพุตท่ีจุดชนวนด้านต่า(LTP) มีคา่ แรงดันต่ากว่าการเปลี่ยนสภาวะในคร้ังแรกที่จุดชนวนด้านสูง (UTP) การเปล่ียนสภาวะทีเ่ กดิ การหน่วงเวลานี้ อยู่ในชว่ ง UTP และ LTP แสดงดังรปู ท่ี 7.7

+Vout +Vsat VH 0-Vin +Vin LTP UTP -Vsat -Vout รูปท่ี 7.7 กราฟแสดงคา่ ฮิสเตอร์รซี สิทีม่ า: พันศกั ดิ์ พุฒมิ านิตพงศ.์ วงจรพลั ส์และดิจิตอล.(หนา้ ท่ี 97) จากรูปท่ี 7.7 เป็นกราฟแสดงค่าฮิสเตอร์รีซิส ที่มีแรงดันทาง Vin และทาง Vout ของวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ ประกอบด้วยแรงดันจุดชนวนด้านสูง (UTP) และแรงดันจุดชนวนด้านต่า (LTP)ซึ่งค่าความแตกต่างระหว่างจุดท้ังสองน้ี จะเรียกว่า แรงดันฮิสเตอร์รีซิส (Hysteresis Voltage :VH)จะหาไดด้ ังน้ีVH  UTP - LTP (สมการที่ 7-1) เม่ือ VH คือแรงดนั ฮสิ เตอร์รซี สิ มีหน่วยเปน็ โวลต์ (V) UTP คือค่าแรงดันจดุ ชนวนดา้ นสูง มีหน่วยเปน็ โวลต์ (V) LTP คือค่าแรงดนั จุดชนวนด้านต่า มหี น่วยเปน็ โวลต์ (V) สาหรับแรงดันฮิสเตอร์รีซิสจะมีระดับความแรงของสัญญาณท่ีส่งออกเอาต์พุต Vout มีค่าอยู่ระหวา่ ง + Vsat ถึง - Vsat

สรปุ วงจรชมิตต์ทรกิ เกอร์เปน็ วงจรท่สี ร้างสัญญาณรูปคล่ืนพัลส์หรือสัญญาณรูปคล่ืนจัตุรัสจากสัญญาณรูปคลื่นใดๆ ไม่ว่าจะเป็นคล่ืนไซน์ คลื่นสามเหล่ียม หรือคล่ืนฟันเลื่อย รวมทั้งสัญญาณรูปคลื่นท่ีเกิดความเพ้ียนหรือถูกรบกวน เม่ือผ่านวงจรนี้แล้วจะได้สัญญาณรูปคลื่นจัตุรัสหรือสัญญาณรูปคลื่นพัลส์ท่ีสมบูรณ์ โดยความกว้างของสัญญาณรูปคล่ืนจัตุรัสหรือสัญญาณรูปคลื่นพลั ส์จะถูกกาหนดโดยค่า จดุ ชนวนด้านสงู และจุดชนวนด้านตา่ วงจรชมิตต์ทริกเกอร์ท่ีใช้ทรานซิสเตอร์ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ 2 ตัว คือ Q1 และ Q2ต่อใชง้ านแบบวงจรอมิ ติ เตอรร์ ่วม สภาวะการทางานของวงจรทรานซิสเตอร์ทั้ง 2 ตัวจะทางานสลับกับคอื ตวั หนึง่ ทางานอีกตัวหนง่ึ หยดุ ทางาน สภาวะฮสิ เตอรร์ ซี สิ ทเี่ กิดขนึ้ ในวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ หมายถึง ค่าเวลาล้าหลังหรือ การทาให้เกดิ การหนว่ งเวลาในการเปล่ียนแปลงสภาวะการทางานของวงจร ซึ่งเกิดจากการป้อนกระแสท่ีไหลผ่านจากเอาตพ์ ตุ กลบั มาเขา้ อนิ พตุ ใหม่ เปน็ แรงดนั อนิ พุตที่จุดชนวนด้านต่า (LTP) มีค่าแรงดันต่ากว่าการเปลี่ยนสภาวะในคร้ังแรกท่ี จุดชนวนด้านสูง (UTP) การเปลี่ยนสภาวะที่เกิดการหน่วงเวลานี้ อยูใ่ นชว่ ง UTP และ LTP นาวงจรชมิตต์ทริกเกอร์ไปประยุกต์ใช้ในงานทางอิเล็กทรอนิกส์คือ วงจรกาเนิดสัญญาณพลั ส์ วงจรสวิตชอ์ เิ ลก็ ทรอนิกส์ทเ่ี ลือกระดับค่าแรงดันในการตัดสินใจได้ วงจรฐานเวลาอัตโนมัติในออสซิลโลสโคป