સ્વિચન (switching) અને કાલસમંજન (timing) પરિપથ
મોટા ભાગના ઇલેક્ટ્રૉનિક ઉપકરણોમાં વપરાતો ઉપયોગી પરિપથ. તેનું કાર્ય વિવિધ ઇલેક્ટ્રૉનિક સંકલિત પરિપથ (integrated circuit, I.C.) વચ્ચે સમક્રમણ (synchronisation) સાધવાનું છે. રેડિયો, ટી.વી., કમ્પ્યૂટર, વૉશિંગ મશીન, ઝેરોક્સ યંત્ર વગેરેમાં તેનો ઉપયોગ થાય છે. આ પરિપથોમાં મુખ્યત્વે નીચેનાંનો ઉપયોગ થાય છે :
(i) બહુકંપિત્ર (multivibrator); (ii) સ્મીટ ટ્રિગર; (iii) રૅમ્પ જનિત્ર (generator).
(i) બહુકંપિત્ર : આ એક એવું દોલક (oscillator) છે કે જે બે રૈખિક વ્યુત્ક્રમકો (linear inverters) એવી રીતે ધરાવે છે કે એકનો નિર્ગત (output) બીજાનો નિવેશ (input) પૂરો પાડે છે. બહુકંપિત્ર એ એવો સ્વિચન-પરિપથ છે જેનો ઉપયોગ જયાવક્રેતર (બિનજયાવક્રીય, non-sinusoidal) સંકેત (signal) કરવા માટે થાય છે; જેમ કે, ચોરસ (ચતુસ્ર) તરંગ (square wave), ત્રિભુજાકાર (triangular) તરંગ વગેરે.
મૂળભૂત રીતે બહુકંપિત્રમાં ધન-પુનર્નિવેશ(positive feed-back)થી જોડાયેલ બે તબક્કા(stage)વાળાં પ્રવર્ધકો(amplifiers)નો ઉપયોગ થાય છે. આ પુનર્નિવેશ એવી રીતે થાય છે કે જ્યારે એક ટ્રાન્ઝિસ્ટર (પ્રવર્ધક) સંતૃપ્ત સ્થિતિમાં આવે ત્યારે બીજું અંતક (cut-off) સ્થિતિમાં આવી જાય.
બહુકંપિત્રના ત્રણ પ્રકાર છે : (i) અસ્થાયી (astable) બહુકંપિત્ર; (ii) એકસ્થિતિક (monostable) બહુકંપિત્ર અને (iii) દ્વિસ્થિતિક (bistable) બહુકંપિત્ર.
(i) અસ્થાયી બહુકંપિત્ર : આ પરિપથમાં બે વીજધારિત્રો-(capacitors)નો ઉપયોગ થાય છે. વીજધારિતા (capacitive) યુગ્મન અસ્થાયી બહુકંપિત્ર ઉત્પન્ન કરે છે, જે બે અર્ધસ્થાયી (quasistable) અવસ્થા ધરાવે છે. અર્ધસ્થાયી અવસ્થા એટલે એવી અવસ્થા કે જેમાં પરિપથ આ અવસ્થામાંથી તેની જાતે બીજી અવસ્થામાં જાય છે. અસ્થાયી બહુકંપિત્રમાં બંને અવસ્થા અસ્થાયી હોવાથી તે સતત બંને અવસ્થામાં દોલનો કરતું રહે છે. એક વખત દોલનો પ્રસ્થાપિત થાય એટલે પ્રયુક્તિ મુક્ત-દોડ (free-running) પ્રકારની બને છે. એટલે કે વિમોચક(trigger)નો ઉપયોગ કર્યા સિવાય એક સતત તરંગ રૂપ (wave form) ઉત્પન્ન થાય છે. સ્થાયી
અવસ્થા એટલે એવી અવસ્થા કે જેમાંથી પરિપથને બીજી અવસ્થામાં જવું હોય તો વિમોચક-સંકેત (trigger signal) આપવો પડે છે. આ પરિપથને મુક્ત-દોડ દોલક (free-running oscillator) પણ કહે છે.
અસ્થાયી બહુકંપિત્રનો પરિપથ આકૃતિ 1માં દર્શાવેલ છે.
આકૃતિ 1 : અસ્થાયી બહુકંપિત્ર
જ્યારે સ્વિચ S બંધ કરવામાં આવે છે, ત્યારે વીજપુરવઠો બાકીની સર્કિટને મળે છે. જ્યારે પુરવઠો આપવામાં આવે છે ત્યારે એક ટ્રાન્ઝિસ્ટર કાર્ય કરે છે અને બીજું ટ્રાન્ઝિસ્ટર કટ-ઑફ અવસ્થામાં રહે છે. આની પાછળનું કારણ એ છે કે કોઈ બે ટ્રાન્ઝિસ્ટર કદી પણ પૂરેપૂરાં સરખાં હોતાં નથી. હવે ધારો કે ટ્રાન્ઝિસ્ટર Q1 Q2ની પહેલાં કામ કરવાનું ચાલુ કરે છે. આથી P બિંદુ પરનો વોલ્ટેજ જલદીથી ઘટે છે. આ ઘટતો વોલ્ટેજ Q2ના પાયા પર લાગુ થતાં તે Q2ને કટ-ઑફ તરફ ધકેલે છે, જેથી બિંદુ Q પરના વોલ્ટેજ વધતા જાય છે. Q પરના વધતા વોલ્ટેજ ધારિત્ર C1 દ્વારા Q1ના પાયા પર લાગુ પડે છે, જે Q1ને સંતૃપ્ત (saturation) અવસ્થામાં ધકેલે છે. અંતે Q1 સંતૃપ્ત અવસ્થામાં જ્યારે Q2 બંધ અવસ્થામાં હોય છે. આ અવસ્થામાં બિંદુ P પરનો વોલ્ટેજ શૂન્ય જેવો હોય છે, જ્યારે બિંદુ Q પરનો વોલ્ટેજ VCC જેટલો હોય છે. હવે બિંદુ P પર શૂન્ય વોલ્ટેજ હોવાથી ધારિત્ર C2 સપ્લાય VCC દ્વારા વીજભારિત થવાનું શરૂ કરે છે. આથી C2 પરના વોલ્ટેજ વધતા જાય છે. આ વધતા વોલ્ટેજ Q2ના પાયા પર લાગુ થાય છે. આ ધન વોલ્ટેજ Q2ને અગ્ર ઝોક(forward bias)ની અવસ્થામાં ખેંચી લાવે છે. જેથી Q2 હવે કાર્ય કરવાનું શરૂ કરે છે અને ધીમે ધીમે સંતૃપ્ત અવસ્થા તરફ જાય છે; જેથી Q પરના વોલ્ટેજ ઘટતા Q1 કટ-ઑફ તરફ જાય છે. અંતે Q1 કટ-ઑફ અને Q2 સંતૃપ્ત અવસ્થામાં આવી જાય છે. આ અવસ્થામાં બિંદુ Q પરનો વોલ્ટેજ શૂન્ય બનતાં ધારિત્ર C1 ચાર્જ થવાનું શરૂ કરે છે; જેથી કૅપેસિટર C1નો વોલ્ટેજ વધતાં તે Q1ને ધન પુનર્નિવેશ આપે છે; જેથી ફરી વાર Q1 સંતૃપ્ત તરફ જાય છે અને Q2 કટ-ઑફ તરફ જાય છે. આમ આ ચક્ર ચાલતું રહે છે. આ સર્કિટના વિવિધ સિગ્નલ આકૃતિ 2માં આપેલ છે.
આકૃતિ 2 : (i) બિંદુ P આગળ Q માટે સંગ્રાહી વોલ્ટેજ, (ii) બિંદુ R આગળ Q1 માટે પાયાનું વોલ્ટેજ, (iii) Q બિંદુ આગળ સંગ્રાહી વોલ્ટેજ, (iv) બિંદુ S આગળ પાયાનું વોલ્ટેજ.
(ii) એકસ્થિતિક બહુકંપિત્ર : પ્રતિરોધક-વીજધારિતા (resistive-capacitive) યુગ્મન એકસ્થિતિક બહુકંપિત્ર ઉત્પન્ન કરે છે. આ પરિપથમાં એક સ્થાયી અને એક અસ્થાયી અવસ્થા હોય છે. સામાન્ય રીતે આ પરિપથ સ્થાયી અવસ્થામાં હોય છે. જ્યારે વિમોચક-સંકેત આપવામાં આવે ત્યારે તે સ્થાયીમાંથી અસ્થાયી અવસ્થામાં જાય છે. અસ્થાયી અવસ્થામાં થોડી વાર રહીને પછી તે સ્થાયી અવસ્થામાં આવી જાય છે. આ પરિપથનો ઉપયોગ એક સ્પંદ (pulse) આપવા માટે થાય છે.
આકૃતિ 3 : એકસ્થિતિક બહુકંપિત્રના પરિપથનું રેખાચિત્ર
અહીં Q1નો પાયો VBB પર જોડેલો હોવાથી સામાન્ય સ્થિતિમાં Q1 કટ-ઑફમાં રહેશે; જેથી બિંદુ P પર વોલ્ટેજ VCC રહેશે. પરિણામે ટ્રાન્ઝિસ્ટર Q2 સામાન્ય સ્થિતિમાં સંતૃપ્તિમાં કાર્ય કરશે. Q1ના પાયા પર આપણે કૅપેસિટર C1 દ્વારા વિમોચક-સંકેત આપીશું. આથી સામાન્ય સ્થિતિમાં Q1 કટ-ઑફ રહેશે જ્યારે Q2 કાર્ય કરશે.
હવે જ્યારે વિમોચક બિંદુ પર પૂરતા ઍમ્પ્લિટ્યૂડમાં ધન સ્પંદ આપવામાં આવે છે, ત્યારે Q1 ટ્રાન્ઝિસ્ટર કાર્ય કરવાનું ચાલુ કરે છે અને ધીમે ધીમે સંતૃપ્તિની અવસ્થા તરફ ખસે છે. જેમ જેમ Q1 કાર્ય કરવાનું ચાલુ કરે છે તેમ તેમ બિંદુ P પરના વોલ્ટેજ ઘટતા જાય છે. આ ઘટતા વોલ્ટેજ Q2ના પાયા પર અપાતાં Q2 ધીમે ધીમે કટ-ઑફ તરફ ખસે છે અને અંતે તે (Q2) કટ-ઑફ સ્થિતિમાં આવે છે. જ્યારે Q1 સંતૃપ્તિની સ્થિતિમાં આવી જાય છે; જેથી બિંદુ P પરનો વોલ્ટેજ શૂન્ય જેટલો હોય છે. હવે ધારિત્ર C2 વીજભારિત થવાનું ચાલુ થાય છે; જેથી C2ના વોલ્ટેજ વધતા જાય છે. આ વધતા વોલ્ટેજ Q2ના પાયા પર અપાતાં Q2 ધીમે ધીમે કટ-ઑફ સ્થિતિમાંથી બહાર આવે છે. જેમ જેમ Q2 કાર્ય કરવાનું ચાલુ કરે છે તેમ તેમ બિંદુ Q પરના વોલ્ટેજ ઘટે છે. આ ઘટતા વોલ્ટેજ Q1ના પાયા પર અપાતાં Q1 કટ-ઑફ સ્થિતિ તરફ ધકેલાય છે. આમ અંતે Q1 બંધ (off) અને Q2 ચાલુ (on) સ્થિતિમાં આવી જાય છે.
આમ સર્કિટ સામાન્ય રીતે Q1 બંધ અને Q2 ચાલુ સ્થિતિમાં હોય છે; પરંતુ જ્યારે વિમોચક સ્પંદ આપવામાં આવે છે, ત્યારે Q1 ચાલુ તથા Q2 બંધ સ્થિતિમાં આવે છે. થોડો સમય આ સ્થિતિમાં રહીને પાછા પોતાની સ્થાયી સ્થિતિ Q1 બંધ અને Q2 ચાલુમાં આવી જાય છે. આમ એક વિમોચક સ્પંદ આપતાં આ સર્કિટ એક સ્પંદ આપે છે. આ સર્કિટના વિવિધ સંકેતો (signals) આકૃતિ 4માં આપેલ છે.
આકૃતિ 4 : (i) Q2નું પાયારૂપ વોલ્ટેજ, (ii) Q1નું સંગ્રાહી વોલ્ટેજ, (iii) Q2નું સંગ્રાહી વોલ્ટેજ, (iv) Q1નું પાયારૂપ વોલ્ટેજ.
આકૃતિ 5 : દ્વિસ્થિતિક બહુકંપિત્રના પરિપથનું રેખાચિત્ર
(iii) દ્વિસ્થિતિક બહુકંપિત્ર : પ્રતિરોધક-યુગ્મન (resistive coupling) દ્વિસ્થિતિક પરિપથ ઉત્પન્ન કરે છે, જે બે સ્થાયી અવસ્થા ધરાવે છે. વિમોચક-સ્પંદ (trigger pulse) આપવાથી તે એક અવસ્થામાંથી બીજીમાં જાય છે. આનો ઉપયોગ ફ્લિપ-ફ્લોપ(flip-flop)માં થાય છે.
દ્વિસ્થિતિક બહુકંપિત્રનો પરિપથ આકૃતિ 5માં દર્શાવ્યો છે.
આ સર્કિટની બે સ્થાયી સ્થિતિ હોય છે. જ્યારે આ સર્કિટને પાવર આપવામાં આવે છે ત્યારે બંનેમાંથી કોઈ એક ટ્રાન્ઝિસ્ટર પ્રથમ કાર્ય કરવાનું ચાલુ કરે છે. ધારો કે Q1, Q2ની પહેલાં કાર્ય કરવાનું ચાલુ કરે છે; જેથી Q1નો સંગ્રાહી વોલ્ટેજ શૂન્ય જેટલો થઈ જાય છે. બિંદુ P પરનો વોલ્ટેજ શૂન્ય જેટલો થતાં વોલ્ટેજ-વિભાજક (divider) R2-R4 અને પાવર-સપ્લાય – VBB એવી રીતે ગોઠવેલા હોય છે કે જેથી Q2ના પાયા (base) પર ઋણ વોલ્ટેજ રહે અને Q2 બંધ હોય. Q2 બંધ હોવાથી બિંદુ Q પરના વોલ્ટેજ +VCC જેટલા હશે, જેથી Q1 સંતૃપ્ત સ્થિતિમાં રહેશે. આમ Q2 બંધ તથા Q1 ચાલુ સ્થિતિમાં આવે છે. જ્યાં સુધી બહારથી કોઈ વિમોચક-સ્પંદ આ પરિપથને આપવામાં ન આવે ત્યાં સુધી તે આ જ અવસ્થામાં રહે છે.
આકૃતિ 6 : (i) Q1નું સંગ્રાહી વોલ્ટેજ, (ii) Q1ના પાયા પરનું વોલ્ટેજ, (iii) Q1ના પાયા આગળનું વિમોચક વોલ્ટેજ, (iv) Q2નું સંગ્રાહી વોલ્ટેજ, (v) Q2નું પાયા પરનું વોલ્ટેજ, (vi) Q2નું વિમોચક વોલ્ટેજ.
હવે જો Q1 જે ચાલુ સ્થિતિમાં છે, તેના પાયા પર વિમોચક નિવેશ 1 દ્વારા પૂરતો ધન સ્પંદ આપવામાં આવે તોપણ Q1 ચાલુ હોવાથી તેના કાર્યમાં કોઈ અસર થતી નથી; પરંતુ જો ધન સ્પંદ Q2ના પાયા પર આપવામાં આવે તો Q2 બંધ અવસ્થામાંથી કાર્યાન્વિત અવસ્થામાં આવે છે. Q2 કાર્યાન્વિત થતાં બિંદુ Q પરના વોલ્ટેજ ઘટવાની શરૂઆત થાય છે. આ ઘટતા વોલ્ટેજ Q1ના પાયા પર અપાતાં Q1 ધીમે ધીમે કટ-ઑફ અવસ્થા તરફ ખસે છે. અંતે Q1 બંધ અને Q2 ચાલુ અવસ્થામાં આવી જાય છે. હવે જો Q1ના પાયા પર વિમોચક-સ્પંદ આપવામાં આવે તો Q1 ચાલુ અવસ્થામાં આવે છે અને તે Q2ને બંધ અવસ્થા તરફ દોરી જાય છે.
આમ પરિપથની સ્થિતિમાં ફેરફાર કરવા માટે વિમોચક-સ્પંદ આપવાની જરૂરિયાત રહે છે.
આ સર્કિટના જુદા જુદા બિંદુ પરના સંકેત (signal) આકૃતિ 6માં દર્શાવેલ છે.
સ્મીટ ટ્રિગર : સ્મીટ ટ્રિગર એ મૂળભૂત રીતે દ્વિસ્થિતિક બહુકંપિત્ર છે. આ પરિપથને બે સ્થાયી સ્થિતિ છે અને નિવેશી વોલ્ટેજ નક્કી કરે છે કે પરિપથ કઈ સ્થિતિમાં કાર્ય કરશે.
સ્મીટ ટ્રિગરની સર્કિટ આકૃતિ 7માં આપેલી છે.
આકૃતિ 7 : સ્મીટ ટ્રિગર
આ સર્કિટનો મુખ્ય ઉપયોગ શુદ્ધ, ખામી વગરના સ્ક્વેર સિગ્નલ મેળવવા માટે થાય છે. આનો ઉપયોગ લાંબા અંતરના સંચારણ(communication)માં પુનરાવર્તક (repeater) તરીકે થાય છે. સામાન્ય રીતે આ સર્કિટના નિવેશમાં જ્યા તરંગ (sine wave) આપવામાં આવે છે.
જ્યારે નિવેશ શૂન્ય હોય ત્યારે , R2 અને R3 – એ એવી રીતે +VCCથી ગ્રાઉન્ડની વચ્ચે વોલ્ટેજ-વિભાજક નેટવર્ક બનાવે છે, જેથી જ્યારે પુરવઠો (supply) આપવામાં આવે ત્યારે Q2 ચાલુ થાય છે. હવે નિવેશી વોલ્ટેજ શૂન્ય હોવાથી Q1 બંધ અવસ્થામાં હોય છે; જેથી શરૂઆતમાં Q1 બંધ અને Q2 ચાલુ અવસ્થામાં હોય છે.
હવે જ્યારે નિવેશનું અર્ધું ધન ચક્ર આવે છે ત્યારે Q1 કાર્ય કરવાનું ચાલુ કરે છે, જેથી બિંદુ A પરના વોલ્ટેજ ઘટવાનું શરૂ થાય છે. આ ઘટતા વોલ્ટેજ Q2ને કટ-ઑફ તરફ ધકેલે છે. અંતે Q1 ચાલુ અને Q2 બંધ થઈ જાય છે. Q2 બંધ થતાં નિર્ગમિત (output) વોલ્ટેજ શૂન્યથી વધીને +VCC થઈ જાય છે. આમ ધન અર્ધ ચક્ર સ્ક્વેર વેવની ઊંચે ચઢતી ધાર (rising edge) આપે છે.
જ્યારે ઋણ અર્ધ-ચક્ર આપવામાં આવે છે, ત્યારે Q1 બંધ થતાં બિંદુ Aના વોલ્ટેજ વધીને +VCC થઈ જાય છે; જેથી Q2 ચાલુ અવસ્થામાં આવતાં નિર્ગમ વોલ્ટેજ ઘટીને શૂન્ય થઈ જાય છે. આમ ઋણ અર્ધ ચક્ર નીચે જતી ધાર (trailing edge) આપે છે.
આ સર્કિટના નિવેશ અને નિર્ગમ સંકેત આકૃતિ 8માં આપેલ છે.
આકૃતિ 8 : (i) નિવેશી જ્યા તરંગ, (ii) નિર્ગમિત સ્ક્વેર તરંગ
આકૃતિ 9 : સાદા રૅમ્પ જનિત્રના પરિપથનું રેખાચિત્ર
રૅમ્પ–જનરેટર : રૅમ્પ-જનરેટરનો ઉપયોગ ટી.વી., સી.આર.ઓ. વગેરે યંત્રોમાં થાય છે. આ સર્કિટનો ઉપયોગ સમક્રમિક સંકેત (સિન્ક્રોનાઇઝિંગ સિગ્નલ) ઉત્પન્ન કરવા માટે છે, જેથી યંત્રનું કાર્ય બરાબર ચાલે.
રૅમ્પ-જનરેટરનો એક સાદો પરિપથ આકૃતિ 9માં આપેલ છે.
અહીંયા Q1 ધારિત્રની સમાંતર જોડવામાં આવે છે; જેથી તે વીજવિભાર માટેનો રસ્તો આપી શકે.
આ પરિપથના નિવેશમાં સ્પંદો આપવામાં આવે છે. આ સ્પંદો ઋણ હોય છે. જ્યારે ઋણ સ્પંદ Q1ના પાયા પર આપવામાં આવે છે ત્યારે Q1 કટ-ઑફ અવસ્થામાં આવી જાય છે; જેથી ધારિત્ર +VCC પુરવઠા દ્વારા વીજભારિત થવાનું શરૂ કરે છે અને નિર્ગમિત વોલ્ટેજ વધતા જાય છે. હવે જ્યારે Q2ને નિવેશમાં શૂન્ય વોલ્ટેજ આપવામાં આવે છે ત્યારે +VCC અને RB, ને ધન બનાવી દે છે; જેથી Q1 ચાલુ અવસ્થામાં આવે છે. Q1 કાર્ય કરવાનું શરૂ કરતાં વીજધારિત્ર C1 (Q દ્વારા) વીજ-વિભારિત થવાનું શરૂ કરે છે અને નિર્ગમિત વોલ્ટેજ ઘટવા માંડે છે.
આમ નિવેશી સ્પંદો દ્વારા ધારિત્રનું વીજભારિત અને વીજવિભારિત કરાવી નિર્ગમમાં ત્રિભુજાકાર પ્રકારનાં તરંગ મેળવી શકાય છે. આ સર્કિટના વિવિધ ભાગ પર મળતા સંકેત આકૃતિ 10માં બતાવેલ છે.
આકૃતિ 10 : વોલ્ટેજ (i) Q1ના નિવેશના પાયા આગળ, (ii) Q1ના પાયા આગળ, (iii) Q1ના સંગ્રાહક આગળ
મિલિન્દ શાહ