multivibrador

Un multivibrador es un circuito electrónico que se utiliza para implementar una variedad de dispositivos simples de dos estados ^[1]^[2]^[3], como osciladores de relajación , temporizadores , pestillos y flip-flops . El primer circuito multivibrador, el oscilador multivibrador astable , fue inventado por Henri Abraham y Eugene Bloch durante la Primera Guerra Mundial . Consistía en dos amplificadores de válvulas de vacío acoplados cruzadamente por una red de resistencia-condensador. ^[4]^[5] Llamaron a su circuito "multivibrador" porque su forma de onda de salida era rica en armónicos . ^[6] Se puede utilizar una variedad de dispositivos activos para implementar multivibradores que produzcan formas de onda ricas en armónicos similares; Estos incluyen transistores, lámparas de neón, diodos de túnel y otros. Aunque los dispositivos de acoplamiento cruzado son una forma común, los osciladores multivibradores de un solo elemento también son comunes.

Los tres tipos de circuitos multivibradores son:

Multivibrador astable , en el que el circuito no es estable en ninguno de los estados : cambia continuamente de un estado a otro. Funciona como un oscilador de relajación .
Multivibrador monoestable , en el que uno de los estados es estable, pero el otro estado es inestable (transitorio). Un pulso de disparo hace que el circuito entre en un estado inestable. Después de entrar en el estado inestable, el circuito volverá al estado estable después de un tiempo establecido. Un circuito de este tipo es útil para crear un período de tiempo de duración fija en respuesta a algún evento externo. Este circuito también se conoce como one shot .
Multivibrador biestable , en el que el circuito es estable en cualquiera de los dos estados. Puede pasar de un estado a otro mediante un impulso de disparo externo. Este circuito también se conoce como flip-flop o pestillo. Puede almacenar un bit de información y se usa ampliamente en lógica digital y memoria de computadora .

Los multivibradores encuentran aplicaciones en una variedad de sistemas donde se requieren ondas cuadradas o intervalos de tiempo. Por ejemplo, antes de la llegada de los circuitos integrados de bajo costo, las cadenas de multivibradores se utilizaban como divisores de frecuencia . ^{[ cita necesaria ]} Un multivibrador de funcionamiento libre con una frecuencia de la mitad a una décima parte de la frecuencia de referencia se bloquearía con precisión en la frecuencia de referencia. Esta técnica se utilizó en los primeros órganos electrónicos para mantener afinadas con precisión las notas de diferentes octavas . Otras aplicaciones incluyeron los primeros sistemas de televisión , donde las distintas frecuencias de línea y cuadro se mantenían sincronizadas mediante pulsos incluidos en la señal de video.

Historia

El primer circuito multivibrador, el clásico oscilador multivibrador astable (también llamado multivibrador acoplado a placas ) fue descrito por primera vez por Henri Abraham y Eugene Bloch en la Publicación 27 del Ministère de la Guerre francés , y en Annales de Physique 12, 252 (1919). . Dado que producía una onda cuadrada , a diferencia de la onda sinusoidal generada por la mayoría de los otros circuitos osciladores de la época, su salida contenía muchos armónicos por encima de la frecuencia fundamental, que podrían usarse para calibrar circuitos de radio de alta frecuencia. Por esta razón Abraham y Bloch lo llamaron multivibrador . Es un predecesor del disparador Eccles-Jordan ^[7] que se derivó del circuito un año después.

Históricamente, la terminología de los multivibradores ha sido algo variable:

1942 – multivibrador implica astable: "El circuito multivibrador (Fig. 7-6) es algo similar al circuito flip-flop, pero el acoplamiento del ánodo de una válvula a la rejilla de la otra se realiza únicamente mediante un condensador, de modo que el acoplamiento no se mantiene en estado estable." ^[8]
1942 – multivibrador como circuito flip-flop particular: "Dichos circuitos se conocían como circuitos 'disparador' o 'flip-flop' y eran de gran importancia. El primero y más conocido de estos circuitos fue el multivibrador". ^[9]
1943 – flip-flop como generador de impulsos de un solo disparo: "... una diferencia esencial entre el flip-flop de dos válvulas y el multivibrador es que el flip-flop tiene una de las válvulas predispuesta a cortar". ^[10]
1949 – monoestable como flip-flop: "A los multivibradores monoestables también se les ha llamado 'flip-flops'". ^[11]
1949 – monoestable como flip-flop: "... un flip-flop es un multivibrador monoestable y el multivibrador ordinario es un multivibrador astable". ^[12]

astable

Un multivibrador astable consta de dos etapas amplificadoras conectadas en un circuito de retroalimentación positiva mediante dos redes de acoplamiento capacitivo-resistivo. ^{[ verificación fallida ]} Los elementos amplificadores pueden ser transistores de unión o de efecto de campo, válvulas de vacío, amplificadores operacionales u otros tipos de amplificadores. La figura 1, abajo a la derecha, muestra transistores de unión bipolar.

El circuito generalmente se dibuja en forma simétrica como un par cruzado. Los dos terminales de salida se pueden definir en los dispositivos activos y tener estados complementarios. Uno tiene alto voltaje mientras que el otro tiene bajo voltaje, excepto durante las breves transiciones de un estado al otro.

Operación

El circuito tiene dos estados astables (inestables) que cambian alternativamente con una velocidad de transición máxima debido a la retroalimentación positiva "acelerada". Se implementa mediante condensadores de acoplamiento que transfieren instantáneamente cambios de voltaje porque el voltaje a través de un capacitor no puede cambiar repentinamente. En cada estado, un transistor está encendido y el otro apagado. En consecuencia, un condensador completamente cargado se descarga (cargas inversas) lentamente, convirtiendo así el tiempo en un voltaje que cambia exponencialmente. Al mismo tiempo, el otro condensador vacío se carga rápidamente restableciendo así su carga (el primer condensador actúa como condensador de ajuste del tiempo y el segundo se prepara para desempeñar esta función en el siguiente estado). El funcionamiento del circuito se basa en el hecho de que la unión base-emisor con polarización directa del transistor bipolar encendido puede proporcionar un camino para la restauración del condensador.

Estado 1 (Q1 está encendido, Q2 está apagado)

Al principio, el condensador C1 está completamente cargado (en el estado 2 anterior) al voltaje de fuente de alimentación V con la polaridad que se muestra en la Figura 1. Q1 está encendido y conecta la placa positiva izquierda de C1 a tierra. Como su placa negativa derecha está conectada a la base Q2, se aplica un voltaje negativo máximo (-V ) a la base Q2 que mantiene Q2 firmemente apagado . C1 comienza a descargarse (carga inversa) a través de la resistencia base de alto valor R2, de modo que el voltaje de su placa derecha (y en la base de Q2) aumenta desde debajo del suelo (- V ) hacia + V . Como la unión base-emisor Q2 tiene polarización inversa, no conduce, por lo que toda la corriente de R2 pasa a C1. Simultáneamente, C2 que está completamente descargado e incluso ligeramente cargado a 0,6 V (en el estado 2 anterior) se carga rápidamente a través de la resistencia del colector de bajo valor R4 y la unión base-emisor con polarización directa Q1 (debido a que R4 es menor que R2, C2 se carga más rápido que C1). Así, C2 restaura su carga y se prepara para el siguiente estado C2, cuando actuará como condensador de ajuste de tiempo. Q1 está firmemente saturado al principio por la corriente de carga "forzada" de C2 añadida a la corriente de R3. Al final, solo R3 proporciona la corriente base de entrada necesaria. La resistencia R3 se elige lo suficientemente pequeña como para mantener Q1 (no profundamente) saturado después de que C2 esté completamente cargado.

Cuando el voltaje de la placa derecha de C1 (voltaje de base Q2) se vuelve positivo y alcanza 0,6 V, la unión base-emisor de Q2 comienza a desviar una parte de la corriente de carga de R2. Q2 comienza a realizarse y esto inicia el proceso de retroalimentación positiva similar a una avalancha de la siguiente manera. El voltaje del colector Q2 comienza a caer; este cambio se transfiere a través del C2 completamente cargado a la base Q1 y Q1 comienza a cortarse. El voltaje de su colector comienza a aumentar; este cambio se transfiere de regreso a través de la base C1 casi vacía a Q2 y hace que Q2 se conduzca más, manteniendo así el impacto de entrada inicial en la base Q2. Así, el cambio de entrada inicial circula a lo largo del circuito de retroalimentación y crece en forma de avalancha hasta que finalmente Q1 se apaga y Q2 se enciende. La unión base-emisor Q2 con polarización directa fija el voltaje de la placa derecha C1 en 0,6 V y no permite que continúe aumentando hacia + V.

Estado 2 (Q1 está apagado, Q2 está encendido)

Ahora, el condensador C2 está completamente cargado (en el estado 1 anterior) al voltaje de fuente de alimentación V con la polaridad que se muestra en la Figura 1. Q2 está encendido y conecta la placa positiva derecha de C2 a tierra. Como su placa negativa izquierda está conectada a la base Q1, se aplica un voltaje negativo máximo (-V ) a la base Q1 que mantiene Q1 firmemente apagado . C2 comienza a descargarse (carga inversa) a través de la resistencia base de alto valor R3, de modo que el voltaje de su placa izquierda (y en la base de Q1) aumenta desde debajo del suelo (- V ) hacia + V . Simultáneamente, C1 que está completamente descargado e incluso ligeramente cargado a 0,6 V (en el estado 1 anterior) se carga rápidamente a través de la resistencia del colector de bajo valor R1 y la unión base-emisor con polarización directa Q2 (debido a que R1 es menor que R3, C1 se carga más rápido que C2). Así, C1 restaura su carga y se prepara para el siguiente Estado 1, cuando actuará nuevamente como un condensador de ajuste de tiempo... y así sucesivamente... (las siguientes explicaciones son una copia especular de la segunda parte del Estado 1).

Frecuencia multivibrador

Derivación

La duración del estado 1 (salida baja) estará relacionada con la constante de tiempo R ₂C ₁ ya que depende de la carga de C1, y la duración del estado 2 (salida alta) estará relacionada con la constante de tiempo R ₃C ₂ ya que depende de la carga de C2. Como no es necesario que sean iguales, se logra fácilmente un ciclo de trabajo asimétrico.

El voltaje en un capacitor con carga inicial distinta de cero es:

V_{\text{cap}}(t)=\left[\left(V_{\text{capinit}}-V_{\text{charging}}\right)\times e^{-{\frac {t}{RC}}}\right]+V_{\text{charging}}

Mirando C2, justo antes de que Q2 se encienda, el terminal izquierdo de C2 está en el voltaje base-emisor de Q1 (V _{BE_Q1} ) y el terminal derecho está en V _CC ( aquí se usa " V _{CC " en lugar de "+}V " para facilitar la notación). El voltaje en C2 es V _CC menos V _{BE_Q1} . El momento después de que se enciende Q2, el terminal derecho de C2 ahora está en 0 V, lo que lleva el terminal izquierdo de C2 a 0 V menos ( V _CC - V _{BE_Q1} ) o V _{BE_Q1} - V _CC . A partir de este instante, el terminal izquierdo de C2 debe cargarse nuevamente hasta V _{BE_Q1} . El tiempo que lleva esto es la mitad de nuestro tiempo de conmutación del multivibrador (la otra mitad proviene de C1). En la ecuación del condensador de carga anterior, sustituyendo:

VBE_Q1 para

V_{\text{cap}}(t)

( V _{BE_Q1} - V _CC ) para

V_{\text{capinit}}

V _CC para

V_{\text{charging}}

da como resultado:

V_{{\text{BE}}\_{\text{Q1}}}=\left(\left[\left(V_{{\text{BE}}\_{\text{Q1}}}-V_{\text{CC}}\right)-V_{\text{CC}}\right]\times e^{-{\frac {t}{RC}}}\right)+V_{\text{CC}}

Resolviendo para t se obtiene:

t=-RC\times \ln \left({\frac {V_{{\text{BE}}\_{\text{Q1}}}-V_{\text{CC}}}{V_{{\text{BE}}\_{\text{Q1}}}-2V_{\text{CC}}}}\right)

Para que este circuito funcione, V _CC >>V _{BE_Q1} (por ejemplo: V _CC =5 V, V _{BE_Q1} =0.6 V), por lo tanto la ecuación se puede simplificar a:

t=-RC\times \ln \left({\frac {-V_{\text{CC}}}{-2V_{\text{CC}}}}\right)

t=-RC\times \ln \left({\frac {1}{2}}\right)

t=RC\times \ln(2)

Por tanto , el período de cada mitad del multivibrador viene dado por t = ln(2) RC .

El período total de oscilación viene dado por:

T = t ₁ + t ₂ = ln(2) R ₂ C ₁ + ln(2) R ₃ C ₂

$f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{\ln(2)\cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})}}\approx {\frac {1}{0.693\cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})}}$

dónde...

f es la frecuencia en hercios .
R ₂ y R ₃ son valores de resistencia en ohmios.
C ₁ y C ₂ son valores de condensadores en faradios.
T es el período (en este caso, la suma de la duración de dos períodos).

Para el caso especial donde

t ₁ = t ₂ (50% del ciclo de trabajo)
R2 = R3
C1 = C2

$f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{\ln(2)\cdot 2RC}}\approx {\frac {0.72}{RC}}$ ^[13]

Forma del pulso de salida

El voltaje de salida tiene una forma que se aproxima a una forma de onda cuadrada. Se considera a continuación para el transistor Q1.

Durante el Estado 1, la unión base-emisor Q2 tiene polarización inversa y el condensador C1 está "desenganchado" de tierra. El voltaje de salida del transistor Q1 encendido cambia rápidamente de alto a bajo ya que esta salida de baja resistividad está cargada por una carga de alta impedancia (el condensador C1 conectado en serie y la resistencia base de alta resistividad R2).

Durante el Estado 2, la unión base-emisor Q2 tiene polarización directa y el condensador C1 está "conectado" a tierra. La tensión de salida del transistor Q1 apagado cambia exponencialmente de baja a alta, ya que esta salida resistiva relativamente alta está cargada por una carga de baja impedancia (condensador C1). Este es el voltaje de salida del circuito integrador R ₁ C _{1 .}

Para acercarse a la forma de onda cuadrada necesaria, las resistencias del colector deben tener una resistencia baja. Las resistencias de base deben ser lo suficientemente bajas como para que los transistores se saturen al final de la restauración (R _B < β.R _C ).

Encendido inicial

Cuando el circuito se enciende por primera vez, ninguno de los transistores se encenderá. Sin embargo, esto significa que en esta etapa ambos tendrán voltajes de base altos y, por lo tanto, una tendencia a encenderse, y ligeras asimetrías inevitables significarán que uno de los transistores será el primero en encenderse. Esto rápidamente pondrá el circuito en uno de los estados anteriores y se producirá una oscilación. En la práctica , la oscilación siempre ocurre para valores prácticos de R y C.

Sin embargo, si el circuito se mantiene temporalmente con ambas bases en alto, durante más tiempo del que tardan ambos condensadores en cargarse completamente, entonces el circuito permanecerá en este estado estable, con ambas bases a 0,60 V, ambos colectores a 0 V y ambos. condensadores cargados al revés a −0,60 V. Esto puede ocurrir en el arranque sin intervención externa, si R y C son ambos muy pequeños.

Divisor de frecuencia

Un multivibrador astable se puede sincronizar con una cadena externa de pulsos. Se puede utilizar un solo par de dispositivos activos para dividir una referencia por una proporción grande; sin embargo, la estabilidad de la técnica es pobre debido a la variabilidad de la fuente de alimentación y los elementos del circuito. Por ejemplo, una proporción de división de 10 es fácil de obtener pero no confiable. Las cadenas de flip-flops biestables proporcionan una división más predecible, a costa de más elementos activos. ^[13]

Componentes protectores

Si bien no son fundamentales para el funcionamiento del circuito, se requieren diodos conectados en serie con la base o el emisor de los transistores para evitar que la unión base-emisor entre en una ruptura inversa cuando el voltaje de suministro excede el voltaje de ruptura V _eb , generalmente alrededor de 5 -10 voltios para transistores de silicio de uso general. En la configuración monoestable, sólo uno de los transistores requiere protección.

Multivibrador astable usando un amplificador operacional

Suponga que todos los condensadores están descargados al principio. La salida del amplificador operacional Vo _en el nodo c es inicialmente +V _sat . En el nodo a , se forma un voltaje de +β V _sat debido a la división del voltaje donde . La corriente que fluye desde los nodos cyb a tierra carga el condensador C hacia +V _sat . Durante este período de carga, el voltaje en b llega a ser mayor que +β V _sat en algún punto. El voltaje en el terminal inversor será mayor que el voltaje en el terminal no inversor del amplificador operacional. Este es un circuito comparador y, por lo tanto, la salida se convierte en -V _sat . El voltaje en el nodo a se vuelve -βV _sat debido a la división del voltaje. Ahora el condensador se descarga hacia -V _sat . En algún momento, el voltaje en b llega a ser menor que -β V _sat . El voltaje en el terminal no inversor será mayor que el voltaje en el terminal inversor del amplificador operacional. Entonces, la salida del amplificador operacional es +V _sat . Esto se repite y forma un oscilador de funcionamiento libre o un multivibrador astable. $\beta =\left[{\frac {R2}{R1+R2}}\right]$

Si V _C es el voltaje a través del capacitor y según el gráfico, el período de tiempo de la onda formada en el capacitor y la salida coincidirían, entonces el período de tiempo podría calcularse de esta manera:

$V_{c}=V_{c}(\infty )+[V_{c}(0)-V_{c}(\infty )]e^{\tfrac {-t}{RC}}$

$V_{c}(t)=V_{sat}+[-\beta V_{sat}-V_{sat}]e^{\left({\frac {-t}{RC}}\right)}$

En t = T1 ,

$\beta V_{sat}=V_{sat}(1-[\beta +1]e^{\tfrac {-T1}{RC}})$

Al resolver obtenemos:

$T1=RC\ln \left[{\frac {1+\beta }{1-\beta }}\right]$

Estamos tomando valores de R, C y β tales que obtenemos una onda cuadrada simétrica. Por lo tanto, obtenemos T1 = T2 y el período de tiempo total T = T1 + T2 . Entonces, el período de tiempo de la onda cuadrada generada en la salida es:

$T=2RC\ln \left[{\frac {1+\beta }{1-\beta }}\right]$

monoestable

En el multivibrador monoestable, una red resistiva-capacitiva (C ₂ -R ₃ en la Figura 1) se reemplaza por una red resistiva (solo una resistencia). El circuito se puede pensar como un multivibrador 1/2 astable. El voltaje del colector Q2 es la salida del circuito (a diferencia del circuito astable, tiene una forma de onda cuadrada perfecta ya que el condensador no carga la salida).

Cuando se activa mediante un pulso de entrada, un multivibrador monoestable cambiará a su posición inestable durante un período de tiempo y luego volverá a su estado estable. El período de tiempo que el multivibrador monoestable permanece en estado inestable viene dado por t = ln(2) R ₂C ₁ . Si la aplicación repetida del pulso de entrada mantiene el circuito en estado inestable, se denomina monoestable reactivable . Si otros impulsos de disparo no afectan al período, el circuito es un multivibrador no reactivable .

Para el circuito de la Figura 2, en el estado estable, Q1 está apagado y Q2 está encendido. Se activa mediante una señal de entrada cero o negativa aplicada a la base Q2 (con el mismo éxito se puede activar aplicando una señal de entrada positiva a través de una resistencia a la base Q1). Como resultado, el circuito pasa al estado 1 descrito anteriormente. Transcurrido el tiempo, vuelve a su estado inicial estable.

Monoestable usando amplificador operacional

El circuito es útil para generar un pulso de salida único de duración de tiempo ajustable en respuesta a una señal de activación. El ancho del pulso de salida depende únicamente de los componentes externos conectados al amplificador operacional. Un diodo D1 fija el voltaje del capacitor a 0,7 V cuando la salida está en +Vsat. Supongamos que en estado estable la salida Vo = +Vsat. El diodo D1 fija el condensador a 0,7 V. El voltaje en el terminal no inversor a través del divisor de potencial será + βVsat. Ahora se aplica un disparador negativo de magnitud V1 al terminal no inversor de modo que la señal efectiva en este terminal sea inferior a 0,7 V. Luego, el voltaje de salida cambia de +Vsat a -Vsat. El diodo ahora tendrá polarización inversa y el capacitor comenzará a cargarse exponencialmente a -Vsat a través de R. El voltaje en el terminal no inversor a través del divisor de potencial será -βVsat. Después de algún tiempo, el condensador se carga a un voltaje superior a - βVsat. El voltaje en la entrada no inversora ahora es mayor que en la entrada inversora y la salida del amplificador operacional cambia nuevamente a +Vsat. El capacitor se descarga a través de la resistencia R y se carga nuevamente a 0,7 V.

El ancho de pulso T de un multivibrador monoestable se calcula de la siguiente manera: La solución general para un circuito RC de paso bajo es

V_{o}=V_{f}+(V_{i}-V_{f})e^{-t/RC}

donde y , el voltaje directo del diodo. Por lo tanto, $V_{f}=-V_{\text{sat}}$ $V_{i}=V_{d}$

V_{c}=-V_{\text{sat}}+(V_{d}+V_{\text{sat}})e^{-t/RC}

en , $t=T$

V_{c}=-\beta V_{\text{sat}}

-\beta V_{\text{sat}}=-V_{\text{sat}}+(V_{d}+V_{\text{sat}})e^{-T/RC}

después de la simplificación,

T=RC\ln \left({1+V_{d}/V_{\text{sat}} \over 1-\beta }\right)

dónde $\beta ={R2 \over R1+R2}$

Si es así , entonces $V_{\text{sat}}>>V_{d}$ $R1=R2$ $\beta =0.5$ $T=0.69RC$

biestable

En el multivibrador biestable, ambas redes resistivas-capacitivas (C ₁ -R ₂ y C ₂ -R ₃ en la Figura 1) se reemplazan por redes resistivas (solo resistencias o acoplamiento directo).

Este circuito de retención es similar a un multivibrador astable, excepto que no hay tiempo de carga ni de descarga debido a la ausencia de condensadores. Por lo tanto, cuando se enciende el circuito, si Q1 está encendido, su colector está a 0 V. Como resultado, Q2 se apaga. Esto da como resultado que se apliquen más de la mitad de + V voltios a R4, lo que genera corriente en la base de Q1, manteniéndolo así encendido. Por tanto, el circuito permanece estable en un solo estado de forma continua. Del mismo modo, Q2 permanece encendido continuamente, si se enciende primero.

El cambio de estado se puede realizar mediante terminales Set y Reset conectados a las bases. Por ejemplo, si Q2 está encendido y Set está conectado a tierra momentáneamente, esto apaga Q2 y enciende Q1. Por lo tanto, Set se utiliza para "activar" Q1 y Reset se utiliza para "restablecerlo" a su estado desactivado.

Ver también

Referencias

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enlaces externos

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