Básicos del Schmitt Trigger | ¿Cómo funciona el Schmitt Trigger?
En este tutorial, aprenderemos sobre el Schmitt Trigger, algunas implementaciones básicas usando Transistores, Op-Amp, cómo funciona un Schmitt Trigger y algunas aplicaciones importantes también. En un tutorial anterior, hemos visto Cómo 555 Timer puede ser configurado como Schmitt Trigger.
Descripción
Introducción
Cuando se opera un Op-Amp en el modo de lazo abierto donde no se utiliza una retroalimentación, por ejemplo, en un Circuito Comparador Básico, la ganancia de lazo abierto muy grande del Op-Amp causará el más pequeño de los voltajes de ruido para disparar el comparador.
Si el comparador se utiliza como detector de paso por cero, este falso disparo puede causar muchos problemas. Puede dar una indicación errónea de Paso por Cero debido al paso por cero del ruido en lugar del paso por cero de las señales de entrada reales.
Para evitar esta conmutación innecesaria entre los estados alto y bajo de la salida, se utiliza un circuito especial llamado Disparo de Schmitt, que implica una retroalimentación positiva.
¿Qué es el Disparo de Schmitt?
El Schmitt Trigger fue inventado por Otto Schmitt a principios de los años 30. Es un circuito electrónico que añade histéresis al umbral de transición entrada-salida con la ayuda de una retroalimentación positiva. Histéresis significa aquí que proporciona dos niveles de tensión de umbral diferentes para el flanco de subida y de bajada.
Esencialmente, un Schmitt Trigger es un multivibrador biestable y su salida permanece en cualquiera de los estados estables indefinidamente. Para que la salida cambie de un estado estable a otro, la señal de entrada debe cambiar (o dispararse) adecuadamente.
Este funcionamiento biestable del Schmitt Trigger requiere un amplificador con realimentación positiva (o realimentación regenerativa) con un gin de bucle mayor que uno. Por lo tanto, el Disparo de Schmitt también se conoce como Comparador Regenerativo.
Por ejemplo, si tenemos una señal de entrada ruidosa como se muestra a continuación, los dos umbrales del Circuito de Disparo de Schmitt determinarán correctamente los pulsos. Por lo tanto, la función básica de un Disparador de Schmitt es convertir señales cuadradas, sinusoidales, triangulares o cualquier señal periódica ruidosa en pulsos cuadrados limpios con bordes de entrada y salida nítidos.
Disparador de Schmitt utilizando transistores
Como se mencionó anteriormente, un Disparador de Schmitt es básicamente un Circuito Biestable cuyos estados de salida son controlados por la señal de entrada. Por lo tanto, puede ser utilizado como un circuito de detección de nivel. El siguiente circuito muestra un diseño simple del Disparador de Schmitt basado en un transistor.
Aunque este circuito parece un típico circuito Multivibrador Biestable, en realidad es diferente ya que a este circuito le falta el acoplamiento del colector de Q2 a la entrada de Q1. Los emisores de Q1 y Q2 están conectados entre sí y conectados a tierra a través de RE. Además, RE actúa como una vía de retroalimentación.
Funcionamiento del circuito
Cuando VIN es cero, Q1 se corta y Q2 está en saturación. Como resultado, la tensión de salida VO es BAJA. Si se supone que VCE(SAT) es 0, entonces la tensión a través de RE viene dada por:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Esta tensión es también la tensión de emisor de Q1. Por lo tanto, para que Q1 conduzca, la tensión de entrada VIN debe ser mayor que la suma de la tensión de emisor y 0,7 V, es decir,
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Cuando la VIN es mayor que esta tensión, Q1 comienza a conducir y Q2 se corta debido a la acción regenerativa. Como resultado, la salida VO se pone en HIGH. Ahora la tensión a través del RE cambia a un nuevo valor y viene dada por:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
El transistor Q1 conducirá mientras la tensión de entrada VIN sea mayor o igual a la siguiente:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Si VIN cae por debajo de este valor, entonces Q1 sale de saturación y el resto del circuito funciona es debido a la acción regenerativa de Q1 pasando a corte y Q2 a saturación.
Los estados de salida HIGH y LOW dependen de los niveles de tensión de entrada dados por las ecuaciones
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 y (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Las características de transferencia de un Disparo Schmitt presentan histéresis y se rigen por el punto de Disparo Inferior (Tensión de Umbral Inferior) y el punto de Disparo Superior (Tensión de Umbral Superior) dados por VLT y VUT.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Cambiando los valores de RC1 y RC2, se puede controlar la cantidad de histéresis mientras que el valor de RE se puede utilizar para aumentar la Tensión de Umbral Superior.
Circuitos de Disparo Schmitt basados en Op Amp
Dado que un circuito de disparo Schmitt es esencialmente un amplificador con retroalimentación positiva, es posible implementar esta configuración utilizando amplificadores operacionales o simplemente Op Amps. Dependiendo de dónde se aplique la entrada, los circuitos basados en Op-Amp pueden dividirse a su vez en Disparadores de Schmitt Inversos y No Inversos.
Circuito de Disparo de Schmitt Inverso
Como su nombre indica, en un Disparo de Schmitt Inverso, la entrada se aplica al terminal inverso del Op-Amp. En este modo, la salida producida es de polaridad opuesta. Esta salida se aplica al terminal no inversor para asegurar la retroalimentación positiva.
Cuando VIN es ligeramente mayor que VREF, la salida se convierte en -VSAT y si VIN es ligeramente menor que -VREF (más negativo que -VREF), entonces la salida se convierte en VSAT. Por lo tanto, la tensión de salida VO está en VSAT o -VSAT y la tensión de entrada a la que se producen estos cambios de estado puede controlarse utilizando R1 y R2.
Los valores de VREF y -VREF pueden formularse como sigue:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Por lo tanto, VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Por lo tanto, -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
La tensión de referencia VREF y -VREF se denominan tensión de umbral superior VUT y tensión de umbral inferior VLT. La siguiente imagen muestra el gráfico de tensión de salida frente a la tensión de entrada, también conocido como Característica de Transferencia del Disparo de Schmitt.
Para una señal de entrada sinusoidal pura, la salida de un Circuito de Disparo de Schmitt Invertido se muestra en la siguiente imagen.
Circuito de Disparo de Schmitt No Inversor
En este caso, la entrada se aplica al terminal no inversor del Op-Amp. La tensión de salida se devuelve al terminal no inversor a través de la resistencia R1.
Supongamos que inicialmente, la tensión de salida está en VSAT. Hasta que VIN sea menor que VLT, la salida se mantiene en este nivel de saturación. Una vez que la tensión de entrada cruza el nivel de tensión de umbral inferior, la salida cambia de estado a -VSAT.
La salida permanece en este estado hasta que la entrada supera la tensión de umbral superior.
La siguiente imagen muestra las características de transferencia del circuito Schmitt Trigger no inversor.
Si se aplica una señal sinusoidal pura como entrada, entonces las señales de salida tienen el siguiente aspecto.
Aplicaciones
- Una aplicación importante del disparador de Schmitt es convertir ondas sinusoidales en ondas cuadradas.
- Pueden usarse para eliminar el parloteo en los comparadores (un fenómeno en el que se producen múltiples transiciones de salida debido a la oscilación de la señal de entrada a través de la región del umbral).
- También pueden actuar como simples controladores ON / OFF (por ejemplo, interruptores basados en la temperatura).