Praktická elektronika/Obvody/Astabilní klopný obvod

Klopný obvod (KO) je elektronický obvod, který přechází mezi několika diskrétními stavy (nejčastěji dvěma), přičemž ke změně mezi stavy dochází skokově (překlopením).

Astabilní označované také jako AKO, nemají žádný stabilní stav, což znamená, že tyto obvody se neustále překlápějí (oscilují) mezi jedním a druhým stavem podle nastavené časové konstanty. Dají se použít jak k jednoduchým zapojením jako jsou blikače, houkačky a podobně, tak i ve složitých konstrukcích, například v procesorech (generátor taktovací frekvence.

Princip

Verze s jedním tranzistorem

Jeden z nejjednodušších obvodů vůbec je blikač, který používá tranzistor v neobvyklém zapojení - kolektorový obvod je zapojen s opačnou polaritou a báze není zapojena vůbec. Využívá se zde tzv. lavinového jevu, kdy dochází k nedestruktivnímu průrazu. Kondenzátor C se přes odpor R nabíjí. Až napětí na něm překročí limitní hodnotu, tranzistor Q se otevře a kondenzátor se vybíjí do diody D, která tak svítí. Po poklesu napětí na kondenzátoru pod určitou mez se tranzistor uzavře, dioda zhasne, kondenzátor se opět nabíjí a celý děj se opakuje s periodou asi 4 bliknutí za sekundu.

Schéma nejjednoduššího blikače

Seznam součástek

• U_N = 16 V
• R = 27 kΩ
• C = 100 µF/25V
• Q – BC 547
• D – LED 2 V/20 mA/⌀5mm
• f = cca 4 Hz

Verze se dvěma tranzistory

Schéma AKO

Základní zapojení AKO zahrnuje použití dvou tranzistorů s dvěma zpožďovacími obvody. Po zapojení obvodu se začnou oba kondenzátory C1 a C2 nabíjet a tranzistory Q1 a Q2 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 Q1, kondenzátor C1 se začne vybíjet, čímž uzavře tranzistor Q2. Kondenzátor C2 se nabíjí a ještě více otevírá Q1 (kladná zpětná vazba). V okamžiku, kdy se C1 přebije na opačnou polaritu, vzroste na bázi Q2 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:

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

Blikač

Při konstrukci blikače se dvěma tranzistory bude vycházet ze schématu výše a sériově s rezistory R₁ a R₂ přidáme LED diody. Chceme aby oba oba stavy trval stejně dlouho, proto bude R₂ = R₃ a C₁ = C_2. Napájecí napětí U₀ může být v rozsahu 3-5 V, můžeme tedy použít např. plochou baterii.

Seznam součástek

• U₀ = 4,5 V (baterie)
• R_1,4 = 100 Ω
• R_2,3 = 68 kΩ
• C_1,2 = 10μF/12V
• Q_1,2 - BC 547
• LED_1,2 - 2V/20mA/⌀5mm
• f = cca 1 Hz

• 
  Schéma
• 
  Provedení
• 
  V praxi

Hod mincí

Schéma obvodu simulujícího hod mincí

Následující modifikovaný astabilní klopný obvod simuluje hod mincí tak, že po stisknutí tlačítka K se začnou střídavě otevírat a zavírat tranzistory Q₁ a Q₂, vlivem čehož diody LED₁ a LED₂ blikají tak rychle, že vypadají jako by obě svítily. Po uvolnění tlačítka zůstane náhodně svítit pouze jedna z nich (panna nebo orel).

Seznam součástek

• U₀ = 9V (baterie)

• R_1,2 = 1 kΩ
• R_3,4 = 100 kΩ
• R_5,6 = 33 kΩ
• C_1,2 = 100 nF
• Q_1,2 - BC547
• LED₁,₂ - ⌀ 5 mm
• K - tlačítko

Metronom

Schéma metronomu

Tento obvod funguje na jiném principu, a to jako tzv. rázový oscilátor. Před zapnutím jsou tranzistory Q₁ a Q₂ zavřeny. Po připojení napájení se začne přes odpory R₁ a R₂ nabíjet kondenzátor C a když napětí na něm dosáhne prahové hodnoty, otevře tranzistor Q₂. Ten vyšle impuls, který se ozve z reproduktoru Z a současně otevře tranzistor Q₁, který připojí kondenzátor C ke zdroji s opačnou polaritou, čímž ho téměř okamžitě vybije. Oba tranzistory se uzavřou a kondenzátor se začíná znovu nabíjet. Potenciometrem R₂ je možné nastavit dobu nabíjení a tím i tempo, a to cca v rozsahu 70-100 BPM (úderů za minutu).

Seznam součástek

• U_N = 9V (baterie)

• R₁ = 22 kΩ
• R₂ = 10 kΩ / G
• C = 33 μF
• Q₁ - BC 557
• Q₂ - BC547
• Z - 8Ω/0,125 W
• f = 1 - 1,7 Hz