Básicos del Schmitt Trigger | ¿Cómo funciona el Schmitt Trigger?

Introducción

Cuando se opera un Op-Amp en el modo de bucle abierto donde no se utiliza una retroalimentación, por ejemplo, en un Circuito Comparador Básico, la gran ganancia de lazo abierto del Op-Amp hará que la menor tensión de ruido dispare el comparador.

Si el comparador se utiliza como un detector de paso por cero, entonces 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 Disparo de Schmitt fue inventado por Otto Schmitt a principios de la década de 1930. 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 borde ascendente y descendente.

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 disparar) adecuadamente.

Este funcionamiento biestable del Schmitt Trigger requiere un amplificador con realimentación positiva (o realimentación regenerativa) con un gin de bucle mayor que uno. De ahí que el Schmitt Trigger se conozca también como Comparador Regenerativo.

Por ejemplo, si tenemos una señal de entrada ruidosa como la que se muestra a continuación, los dos umbrales del Circuito Schmitt Trigger determinarán correctamente los pulsos. Por lo tanto, la función básica de un Schmitt Trigger es convertir señales cuadradas, sinusoidales, triangulares o cualquier señal periódica ruidosa en pulsos cuadrados limpios con bordes de entrada y salida nítidos.

Schmitt Trigger usando transistores

Como se mencionó anteriormente, un Schmitt Trigger 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 de Schmitt Trigger basado en transistores.

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 el 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 siempre que 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 disparador de 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 el voltaje 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 en la que se producen estos cambios de estado se puede controlar utilizando R1 y R2.

Los valores de VREF y -VREF se pueden formular 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 la gráfica de la tensión de salida frente a la tensión de entrada, también conocida como Característica de Transferencia del Disparo de Schmitt.

Para una señal de entrada sinusoidal pura, la salida de un Circuito de Disparo de Schmitt Inverso se muestra en la siguiente imagen.

Circuito de Disparo de Schmitt No Invertido

Al llegar al Disparo de Schmitt No Invertido, la entrada en este caso 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 umbral inferior, la salida cambia de estado a -VSAT.

La salida permanece en este estado hasta que la entrada supera la tensión 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 este aspecto.

Aplicaciones

• Una aplicación importante del Disparador de Schmitt es convertir las ondas sinusoidales en ondas cuadradas.
• Pueden ser utilizados para eliminar el chatter 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).

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