Nombre: Jenniffer Herrera Curso: 4 Año Materia: Digitales

MULTIVIBRADORES El multivibrador es un circuito de electrónica analógica con dos estados que genera una señal cuadrada. CARACTERÍSTICAS La principal característica de este dispositivo es su lazo de retroalimentación, lo que le convierte en un circuito regenerativo. Este lazo de retroalimentación posee una ganancia de voltaje muy alta cuando todos los dispositivos que lo componen se encuentran en regiones activas, llegando a alcanzar valores de hasta varios miles. Por otra parte, esa misma ganancia puede descender hasta valores cercanos a cero cuando alguno de los dispositivos del lazo no está en su región activa. Esta situación tiene lugar al encontrarse el multivibrador en su estado estable o casi estable. Un hecho importante es la independencia de la salida respecto a la entrada, es decir, la tensión de salida no es directamente dependiente de la entrada, por ser el multivibrador un circuito de señal grande. Los elementos más representativos de este tipo de circuitos son dos transistores conectados entre sí, los cuales forman el anteriormente mencionado lazo de retroalimentación. Otros componentes del multivibrador son resistencias y condensadores, encargados

de controlar el periodo de corte de los transistores durante la recepción de la señal de

entrada

APLICACIONES El multivibrador, al ser un dispositivo de conmutación, se utiliza principalmente como temporizador en circuitos digitales y analógicos. Otra importante aplicación de este tipo de dispositivos es la de generación de formas de onda. Determinados multivibradores son empleados frecuentemente como sistemas de cómputo. Los multivibradores monoestables, debido a la salida que generan, suelen utilizarse

para establecer retrasos entre dos eventos de longitud determinada.

TIPOS DE MULTIVIBRADORES Existen varios tipos de multivibradores. Su clasificación se establece en función del número de estados estables asociados a cada uno de ellos. Debido a esta característica, los multivibradores se dividen en astables, biestables y monoestables. Por otra parte, estos tipos de dispositivos pueden agruparse en multivibradores de

funcionamiento continuo u oscilación libre y de funcionamiento impulsado,

dependiendo de la necesidad o no de señal de entrada para generar la señal cuadrada

de salida.

MULTIVIBRADORES DE FUNCIONAMIENTO CONTINUO U OSCILACIÓN LIBRE Este tipo de multivibradores se caracteriza por generar ondas a partir de la fuente de

alimentación, sin necesitar de ningún otro tipo de entrada para tal fin. El dispositivo de

oscilación libre también es conocido como astable.

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ASTABLE El multivibrador astable, también conocido como multivibrador de carrera libre o circuito de reloj, no tiene estados estables, pero posee dos estados casi estables, entre los que conmuta su salida sin necesidad de señal de entrada. Debido a la ausencia de señal de entrada, es la propia composición del circuito la que determina el periodo de la señal de salida. La salida resultante convierte al dispositivo en un oscilador, llamado oscilador de relajación para diferenciarlo de otros osciladores. Las señales de entrada y salida que caben esperarse del astable son las siguientes:

Como puede verse

en la imagen, la

salida alterna entre

los dos estados casi

estables, sin que dicha alternancia guarde ninguna relación con la señal de entrada (en

este caso inexistente).

EJEMPLO DE ASTABLE Se puede construir un circuito astable con dos inversores conectados con realimentación RC.

Ejemplo de astable con dos inversores. Al comienzo se supone la salida del inversor #1 con valor lógico 0, la del inversor #2

con valor 1, y el condensador descargado, dando lugar a un estado casi estable. A

continuación, el condensador se carga hasta que vx = VDD, cumpliéndose que

vx(t) = VDD(1-e-t/(RC))

MULTIVIBRADORES DE FUNCIONAMIENTO IMPULSADO Estos multivibradores, a diferencia de los de oscilación libre, requieren de una señal de

entrada para abandonar el estado estable. Atendiendo a su número de estados

estables asociados, pueden dividirse en biestables y monoestables.

BIESTABLE El biestable se caracteriza por tener dos estados estables. Su salida cambia de un estado estable a otro ante la aplicación de una señal de entrada, esto es, una primera

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señal de entrada marcará el cambio de estado, y volverá al original cuando reciba una segunda señal. Un tipo de biestable muy utilizado en electrónica es el flip-flop. Las señales de entrada y salida que caben esperarse del biestable son las siguientes:

Tal como muestran ambas gráficas, el primer pulso de entrada provoca que la salida

conmute del estado estable actual al otro, manteniéndose esta situación hasta la

aparición de un segundo pulso de entrada que provoca un retorno al estado original.

EJEMPLO DE BIESTABLE Un sencillo ejemplo de biestable lo constituye el Flip-Flop RS, el cual genera una salida

y su complementaria gracias a una realimentación mediante puertas NAND. La

actividad comienza durante la excitación, en la que R = S =0, y Qn+1 = Qn, situación en

la que el estado actual y el siguiente son iguales. Los valores de R y S determinarán

entonces el valor de Qn+1: si R = 0 y S = 1, Qn+1 = 0; y si R = 1 y S = 0, Qn+1 = 1. En este

caso, no puede darse la combinación R = S = 1, ya que la salida correspondiente sería

indeterminada.

MONOESTABLE El multivibrador monoestable es un dispositivo que posee un estado estable y otro casi estable. Normalmente se encuentra en un estado estable, y es el pulso de entrada el encargado de conmutar su estado a casi estable. Así, el monoestable permanece en dicho estado durante un periodo T, cuya duración está determinada por la configuración del dispositivo, para después retornar de forma espontánea a su estado estable. En definitiva, el multivibrador monoestable produce un pulso de salida de duración determinada ante un pulso de entrada arbitrario. Las señales de entrada y salida que caben esperarse del multivibrador monoestable

son las siguientes:

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Según la gráfica, dos pulsos de entrada provocan un cambio en el dispositivo del estado estable al casi estable, volviendo a alcanzarse el estado estable tras un periodo T. En este caso no se incluirá un ejemplo, por ser el modelo de análisis un multivibrador

monoestable.

ANÁLISIS DE UN MULTIVIBRADOR MONOESTABLE CON ACOPLAMIENTO COLECTOR BASE El multivibrador monoestable es un circuito de conmutación cuya principal

característica es una realimentación positiva de colector y base entre sus dos

transistores. Dispone de un estado estable y un estado casi estable. Este último estado

depende del condensador y la resistencia R. Además de estos dos estados, también

existe un tercer estado. Éste tiene lugar en la situación en la que el circuito debería

estar en un estado estable, sin que el condensador se encuentre en el estado inicial

(cargado), con valor Vcc – Vbe. Este estado no se va a analizar, aunque sí se calculará

su duración.

Multivibrador astable a transistores: explicación

El astable con dos transistores NPN es de los primeros circuitos que se estudian

cuando se habla de transistores en conmutación. Como su esquema es tan simple, es

de esas cosas pequeñas que te crees que las entiendes, hasta que te das cuenta de que

tú también habrías colocado los condensadores del revés. Voy a explicar despacio

cómo funciona, y veréis que aunque parece sencillo su funcionamiento es interesante.

Estado 1: Q1 conduce, Q2 en corte

Un astable tiene dos estados, y ambos son inestables,

de forma que el circuito alterna continuamente uno

con otro. Empecemos por el estado 1. Al contrario de

otras explicaciones que veréis, yo no voy a partir de

cuando se aplica tensión. Mejor os cuento cómo está

el circuito justo al empezar el estado 1, como si

acabara de conmutar desde el estado 2. De momento tendréis que creerme estas

condiciones iniciales, pero al final del artículo entenderéis por qué.

Al comienzo del estado 1:

Q1 está en conducción. Q2 está en corte. C1 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7. C2 está cargado negativamente (el terminal + está a menos tensión que el -)

con un potencial de -0.7V.

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Como Q2 está en corte vamos a considerar que no pasa corriente por sus terminales.

Así imaginariamente sacamos Q2 del circuito. Como Q1 está en conducción, su unión

Base-Emisor es como un diodo polarizado en directo (sustituimos esta unión por un

diodo); y al estar saturado suponemos que la pérdida de tensión Emisor-Colector es

mínima (sustituiremos esta por un conductor).

Recoloquemos los componentes para verlo más claro.

C2 va a cargarse a través de R4 y la base de Q1. Así pues C2,

que empezó con -0.7V va a cargarse hasta Vcc-0.7V (no llega

a Vcc porque 0.7V es la caída de tensión B-E de Q1). Y

además esta carga será muy rápida porque R1 y R4 serán de

un valor muy bajo comparadas con R2 y R3.

Mientras tanto C1, que partía con Vcc-0.7 voltios positivos,

ahora está conectado del revés. Así que empieza a

descargarse (o a cargarse negativamente, da igual) a través

de R2. Esta carga será más lenta. Desde los Vcc-0.7 hasta... en teoría hasta -V (pongo el

menos para indicar que está invertido), pero no va a llegar ahí. Porque cuando C1

alcanza los -0.7V, su terminal + está a masa y el - tiene ya 0.7V, y este último está

conectado a la base de Q2. ¿Qué pasa cuando cuando a un NPN le aplicamos a su base

0.7 voltios más que a su emisor?

La tensión BE de Q2 es 0.7 más o menos, mientras la tensión en la base esté por

debajo de ese valor no va a conducir. En el momento en que se alcanza esa tensión ya

sí conduce. La base de Q2 queda polarizada a través de R2.

Recordemos que a estas alturas C2 se había cargado completamente hasta Vcc-0.7.

Pues cuando Q2 pasa a conducción conecta a masa el terminal + de C2, mientras el -

sigue aplicado a la base de Q1. Es como si se aplicara el condensador, invertido, a Q1.

La base de Q1 recibe de golpe -(Vcc-0.7) que lo lleva inmediatamente al corte.

Pudiendo incluso provocar una ruptura de la unión por avalancha. En estas condiciones

entramos al estado 2.

Estado 2: Q1 en corte, Q2 conduce

Tal como hicimos para el estado 1, vamos a describir las condiciones iniciales del

estado 2. Que son las del párrafo anterior.

Al comienzo del estado 2:

Q1 está en corte. Q2 está en conducción.

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C1 está cargado negativamente con un potencial de -0.7V. C2 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7.

Haciendo lo mismo que antes, vamos a eliminar Q1 del circuito y vamos a sustituir Q2

por un diodo y un puente:

Vemos que C1 va a ir desde -0.7V hasta los Vcc-0.7V,

rápidamente pues R1 es pequeña.

C2 va a (des)cargarse lentamente a través de R3 desde los

Vcc-0.7V hasta los -Vcc, ¡MENTIRA! sólo va a llegar hasta -

0.7V. Porque cuando llegue ahí Q1 va a conducir, va a llevar a

masa el + de C1 y va a aplicar a la base de Q2 toda la carga de

C1 invertida, llevándolo al corte. Y provocando el estado 1 de

nuevo.

Vemos que cuando eso pase tendremos:

Q1 está en conducción. Q2 está en corte. C1 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7V. C2 está cargado negativamente con un potencial de -0.7V.

Que son justamente las condiciones iniciales que dimos para el estado 1. Así el ciclo se

repite indefinidamente.

Calcular los componentes

Para empezar, nos interesa que los

condensadores se cargen por R1 y

R4 más rápidamente de lo que se

descargan por R2 o R3. Porque

cuando ocurra la transición

queremos que el otro ya esté

cargado. Así que R1 < R2 y R4 < R3.

Por simplicidad haremos R1 = R4. Pero no nos interesa que la corriente que fluye

Emisor-Colector durante la carga queme los transistores. Dependidiendo de la tensión

de alimentación, un valor entre 100ohm y 1k estaría bien. Recordad cumplir las

condiciones anteriores.

El tiempo que tarda en conmutar del estado 1 al estado 2 viene dado por lo que le

lleva a C1 descargase desde los Vcc-0.7V hasta los -0.7V. Lo hace a través de R2, y

usando la ecuación de carga de un condensador tenemos:

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Donde:

Tensión inicial: V0 = Vcc-0.7 Tensión en bornes: E = - Vcc Tensión final: V = -0.7

Este último valor es el que suele darse habitualmente. La aproximación tiene un

margen de error que es menor cuanto mayor sea la tensión de alimentación. Con 5V el

error es de un 10%, como es del mismo orden que la tolerancia de los componentes se

admite tal aproximación.

Límites

Transistores: Cuando el transistor que estaba en corte pasa a conducir, aplica a la base del otro una tensión negativa de -(Vcc-0.7V). La tensión inversa de ruptura de la unión BE viene a ser -5 voltios. Si alimentamos este circuito con más de 5V fácilmente la superaríamos. Para evitar esto a veces se colocan dos diodos en la base de Q1 y Q2 que permitan la carga pero impidan que circule corriente en sentido inverso.

Condensadores: Para un cerámico o uno de poliester no hay problema, pero en un electrolítico invertir los terminales para cargarlo del revés puede destruirlo. Si bien es cierto que aquí sólo se llegan a cargar invertidos hasta los 0.7V.

Tiempo: El tiempo viene determinado por la capacidad de C1 y C2 así como por R2 y R3. Mientras más altos sean estos valores más durará cada estado. Pero si usamos unos condensadores demasiado grandes, puede que tengan demasiadas pérdidas y el circuito no empiece a oscilar. Igualmente para las resistencias, si aumentamos demasiado el valor de R2 por ejemplo, puede que no pase corriente bastante para polarizar la base de Q2 una vez se alcance la tensión de disparo. Si no puede llevarlo a conducción, no se alcanzará nunca el estado 2. Si se necesitan retardos mayores se puede optar por transistores darlington, aunque dado el coste de los condensadores de la capacidad necesaria es mejor optar por otros temporizadores como el NE555 o el CD4060.

Frecuencia: Así como hay un límite superior del periodo, también hay un límite inferior. Puede pasar que queramos un periodo tan bajo que usemos condensadores y resistencias muy pequeños. Entonces al conectar el circuito se cargarán ambos casi al instante, para dos los transistores. Así el circuito queda

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en un estado estable y no oscila. Por no hablar de que a esas frecuencias si oscilara sería muy inestable, variando la frecuencia sólo con acercar o alejar la mano. Si queremos frecuencias de MHz tendremos que usar otros osciladores, a ser posible sintonizados por un cristal de cuarzo.

F A C U L T A D D E C I E N C I A S A G R A R I A S ESCUELA DE COMPUTACIÓN E INFORMÁTICA

HORAS AUTONOMAS

DE DIGITALES

TEMA: Que son los Astable

NOMBRE:

Jenniffer Herrera Fernández

Nombre: Jenniffer Herrera Curso: 4 Año Materia: Digitales

CURSO:

CUARTO DE COMPUTACIÓN E INFORMÁTICA

ING. SALOMON SALAZAR

MILAGRO-ECUADOR 2012-2013