Teoría - Multivibradores

Tema 9: Circuitos Multivibradores

1.- Introducción___________________________________________________

En esta unidad se estudiarán los circuitos digitales capaces de generar impulsos, mantenerlos durante un tiempo, retardarlos y realizar funciones de temporización. A estos circuitos se les conoce normalmente como multivibradores.

Los circuitos multivibradores más utilizados para estos propósitos son:

Multivibrador monoestable. Multivibrador astable. Circuito retardador.

Antes de comenzar a estudiar estos circuitos, debemos comentar algunos conceptos importantes:

Estado estable: es aquel estado lógico (0 o 1) que un circuito digital puede mantener indefinidamente en su salida. Por ejemplo, un biestable tiene dos estados estables, ya que puede mantener en su salida un 0 o un 1 indefinidamente.

Estado inestable: es aquel estado lógico (0 o 1) que un circuito digital puede mantener durante un tiempo limitado, pero transcurrido ese tiempo se produce un cambio de estado.

2.- Circuitos multivibradores_________________________________________

2.1.- Multivibrador monoestable____________________________________________

Es un circuito que presenta en su salida un estado estable y una estado inestable.

Este circuito digital permanece en su estado estable indefinidamente, hasta que se le aplica una señal de disparo externa. En ese momento, el circuito cambia al estado inestable, manteniéndolo durante un tiempo. Transcurrido este tiempo, el circuito vuelve al estado estable, que se mantendrá indefinidamente hasta un nuevo disparo.

El tiempo de duración del estado inestable viene determinado normalmente por una red RC.

Aplicación: temporizador.

Tema 9 – Circuitos multivibradores Gonzalo Penalva

2.2.- Multivibrador astable________________________________________________

Es un circuito digital que no tiene ningún estado estable. Es decir, presenta dos estados inestables, pasando de un estado a otro sin necesidad de señal externa. Por tanto, la salida de este circuito será una señal cuadrada periódica, es decir, una señal de reloj.

Por otro lado, este circuito no tiene señal de entrada, ya que no necesita de un disparo para que comience a oscilar.

Al igual que sucedía con el multivibrador monoestable, los tiempos que duran los estados inestables (T1 y T2) dependen del valor de las resistencias y condensadores conectadas al circuito.

Aplicación: Generador de onda cuadrada (señal de reloj digital).

2.3.- Circuito retardador__________________________________________________

Su función es la de provocar un retraso en la señal de entrada, de forma que la señal de salida será igual que la de entrada, pero retardada un determinado tiempo, que como siempre dependerá del valor de una red RC.

Aplicación: retardo en la activación de circuitos digitales.

3.- Multivibradores implementados con puertas lógicas____________________

A continuación se estudiará la implementación de los circuitos multivibradores explicados en el apartado anterior, empleando para ello puertas lógicas, resistencias y condensadores.

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3.1.- Multivibrador monoestable____________________________________________

A continuación se muestra el esquema de un multivibrador monoestable implementado con puertas NOR:

Para comprender el funcionamiento, hay que analizar primero la situación estable, y después observar lo que ocurre cuando se introduce una señal de disparo:

Situación estable: esta situación se da cuando el condensador está totalmente descargado. En estas circunstancias, la puerta lógica B tiene a su entrada un 1, que llega a través de R1, al estar conectada a Vcc. Por tanto, en la salida de la puerta habrá un 0.

Así pues, a las entradas de la puerta A le llegan el 0 que proviene de la puerta B, y el 0 que llega a través de la resistencia R2 conectada a masa. Por tanto, a la salida de la puerta A habrá un 1, por lo que el condensador permanece descargado, ya que la tensión que hay entre sus terminales es 0.

Esta situación se mantiene indefinidamente hasta que se produzca un disparo externo.

Disparo: cuando se introduce por la entrada un 1, la salida de la puerta A pasa a nivel 0, por lo que el condensador comienza a cargarse a través de R1. Durante el tiempo que dure la carga del condensador, a la entrada de la puerta B hay un 0, ya que la tensión a la entrada de esta puerta es igual a la del condensador. Por tanto, la salida de la puerta B durante la carga del condensador es 1.

Cuando la tensión en el condensador llegue a 1, la salida de la puerta B volverá a ser 0, quedando así indefinidamente.

Por tanto, una vez disparado el circuito, hemos obtenido un pulso de salida cuya duración depende del valor de R1 y C.

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En la siguiente gráfica se muestra la evolución de las tensiones de entrada, del condensador y de salida cuando se produce un disparo del circuito.

3.2.- Multivibrador astable________________________________________________

En este apartado estudiaremos dos multivibradores astables implementados con puertas lógicas.

3.2.1.- Multivibrador astable con inversores__________________________________

Se trata del multivibrador astable más sencillo que se puede construir. Está formado por un conjunto de inversores conectados en serie, con una realimentación de la salida del último inversor a la entrada del primero

A la salida de este circuito se obtiene una señal cuadrada cuya frecuencia de oscilación se calcula mediante la siguiente fórmula:

Importante: para que se produzca la oscilación, el número de inversores conectados ha de ser impar, y como mínimo deben conectarse tres inversores.

Disparo

Vc

Vout

Pulso

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Ejercicio_______________________________________________________

Para el siguiente circuito, indica:a) Tipo de multivibradorb) Frecuencia de oscilación si el retardo de cada inversor es de 90.9ns.c) ¿Cuál sería la frecuencia de oscilación si se añade un inversor más?d) Número de inversores necesarios para conseguir una frecuencia de 500KHz.e) ¿De qué factores depende la frecuencia de oscilación?f) Dibuja en un cronograma las señales en los puntos A, B, C, D y OUT

1 2 1 2BA 1 2 C1 2 D1 2 O U T

Inconvenientes de este multivibrador astable:

Frecuencia de oscilación muy alta. Necesidad de muchos inversores para frecuencias más bajas. Poca precisión en la frecuencia de oscilación. Imposibilidad de ajustar la frecuencia de oscilación.

Debido a todos estos inconvenientes, este tipo de multivibrador no se suele utilizar en la práctica.

3.2.2.- Multivibrador astable con inversor y condensador________________________

El esquema de este multivibrador es el que se muestra a continuación. Como se puede observar, para que funcione correctamente es necesario utilizar un tipo de puertas lógicas especiales conocidas con el nombre de Trigger Schmitt. Un ejemplo de estas puertas es el 74C14, de tecnología CMOS.

El circuito funciona de la siguiente manera:

Inicialmente, el condensador está descargado, por lo que la tensión a la entrada de la puerta será 0. Por tanto, a la salida del inversor tendremos un 1, por lo que el condensador empieza a cargarse a través de la resistencia.

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Cuando la tensión en el condensador llega al umbral del 1 lógico, el inversor pondrá un 0 en su salida, por lo que el condensador comenzará a descargarse.

Cuando la tensión en el condensador llega al umbral del 0 lógico, el inversor pondrá un 1 en su salida, por lo que el condensador comenzará a cargarse de nuevo a través de la resistencia.

A partir de este momento el proceso se repite indefinidamente, obteniéndose en la salida una señal cuadra periódica, cuyo periodo depende del valor de R y C.

En la siguiente gráfica se observa la evolución de las tensiones en el condensador y en la salida del circuito.

Ejercicio_______________________________________________________

Para el siguiente circuito, indica:a) ¿Qué ocurre con la salida cuando la entrada es un ‘0’ lógico?b) ¿Qué ocurre con la salida cuando la entrada es un ‘1’ lógico?c) Dibuja en un cronograma la tensión en la salida y en el condensador, cuando

la entrada al circuito es un ‘1’ lógico.d) Vuelve a dibujar en otro cronograma las mismas señales, pero suponiendo

que ahora la resistencia ha sido sustituida por una del doble de valor.e) ¿De qué factores depende la frecuencia de oscilación?

Vc

Vout

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3.3.- Circuito retardador__________________________________________________

A continuación se muestra el esquema de un circuito retardador implementado con puertas AND:


Cuando se activa la señal de entrada mediante el interruptor, aparece un 1 lógico a la salida de la primera puerta AND. A partir de ese momento, el condensador comienza a cargarse a través de R2.

Cuando la tensión en el condensador alcanza el umbral del 1 lógico, la segunda puerta AND pondrá un 1 en su salida.

Por tanto, a la salida obtenemos la misma señal de entrada, pero retardada un tiempo que depende directamente de los valores de R2 y C.

En la siguiente gráfica se observa la evolución de las tensiones en la entrada, en el condensador y en la salida del circuito:

Retardo

Vin

Vc

Vout

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4.- Circuito integrado 555____________________________________________

El circuito integrado 555 es el circuito más utilizado para aplicaciones de temporización, debido a su gran versatilidad, bajo coste y buena precisión.

A continuación se estudiarán las características más importantes del integrado, y posteriormente se analizarán las configuraciones como multivibrador monoestable, astable y circuito retardador.

4.1.- Características generales del integrado 555_______________________________

A continuación se enumeran algunas de las características más relevantes del 555:

Frecuencia máxima de funcionamiento: 500KHz. Rango de tensiones de alimentación: 4.5V – 16V Intensidad máxima de salida: 200mA Temporización desde microsegundos hasta horas.

El circuito 555 es un integrado de 8 pines que se encuentra disponible tanto en tecnología TTL como CMOS. La distribución de los pines se muestra en la figura siguiente:

A continuación se describe brevemente la función de cada uno de los pines:

Pin 1: Masa (GND) Pin 2: Entrada de disparo (trigger). Por aquí se introduce la señal de entrada para disparar el circuito cuando es configurado como monoestable. Pin 3: Salida Pin 4: Reset. Se trata de una entrada activa a nivel bajo. Pin 5: Tensión de control. Permite modificar los niveles de disparo. Cuando no se utiliza, se debe conectar un condensador de 10nF entre este pin y masa. Pin 6: Umbral. En este pin se compara la tensión del condensador exterior con un determinado umbral para determinar si debe finalizar la temporización. Pin 7: Descarga. En este pin se conecta el condensador exterior que fija la duración de la temporización. Pin 8: Alimentación (VCC)

Para entender cómo funciona este integrado, es preciso conocer cómo está formado internamente. La figura de la página siguiente muestra la estructura interna del 555:

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Como se puede observar, el elemento principal de este integrado es un biestable RS cuyas entradas Reset y Set se conectan a las salidas de dos comparadores. A su vez, las entradas de los comparadores se conectan a un divisor resistivo formado por tres resistencias del mismo valor.

En los siguientes apartados se explicará cómo hay que conectar este integrado para conseguir los diferentes modos de funcionamiento.

4.2.- Utilización del 555 como monoestable___________________________________

Para implementar un monoestable con el 555, tan solo es necesario utilizar una resistencia y un condensador, y conectarlos al integrado según el siguiente esquema:

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En el instante inicial, tras resetear el integrado y suponiendo que el condensador está descargado, las entradas Reset y Set del biestable están a 0, por lo que el biestable se mantiene reseteado. Por lo tanto, a la base del transistor le llega un 1, por lo que el transistor estará saturado, conectando el condensador a masa, manteniéndolo descargado indefinidamente.

Al aplicar una señal en la entrada de disparo, cuyo valor sea inferior a , el

biestable recibe un 1 en la entrada Set, por lo que en la salida aparecerá un ‘1’. Por otra parte, en la base del transistor aparecerá un 0, lo que provocará que el transistor pase de saturación a corte. Así pues, el condensador ya no queda conectado a masa, por lo que comienza a cargarse a través de R1.

Cuando la tensión en el condensador iguala a la que hay en la patilla 5 ( ), se

activa la entrada Reset del biestable, por lo que la salida pasa a 0, el transistor pasa a corte y el condensador se descarga instantáneamente a través de él.

A partir de ese momento se alcanza la situación estable, que se mantiene indefinidamente hasta que se aplique un nuevo disparo.

Según el catálogo del fabricante, la duración del pulso de salida viene dada por la fórmula:

En la siguiente gráfica se muestra la evolución de las tensiones de entrada, del condensador y de salida cuando se produce un disparo del circuito.

Observar que el disparo es activo a nivel bajo, es decir, es necesario aplicar un pequeño pulso de baja tensión para disparar el circuito.

Disparo

Vc

Vout

Pulso

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Ejercicios______________________________________________________

1.- Se desea construir un circuito que mantenga encendidas las luces de la escalera de una finca 2 minutos después de que alguien haya pulsado el interruptor de la luz. Para ello disponemos del circuito integrado 555 y de un condensador de 570µF. Diseña el circuito completo, indicando los valores de todos los componentes utilizados.

2.- Para el siguiente circuito, realizado con el integrado 555, indica:a) Tipo de multivibrador.b) Explica qué sucede cuando a la entrada se aplica un pulso inferior a Vcc/3.c) Calcula la duración del pulso de salida.d) ¿De qué factores depende la duración del pulso de salida?d) Dibuja la tensión en la salida y en el condensador cuando a la entrada se

aplica un disparo a nivel bajo, indicando los tiempos de duración del pulso.

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4.3.- Utilización del 555 como astable________________________________________

Para configurar el 555 como un multivibrador astable, es necesario utilizar dos resistencias y un condensador, y conectarlos al circuito según el siguiente esquema:


Inicialmente el condensador está descargado, por lo que la tensión en los pines 2 y 6 es 0. Por tanto, se activa el Set del biestable, por lo que la salida pasa a 1. Además, el transistor pasa a corte, por lo que el condensador comienza a cargarse a través de R1 y R2.

Cuando el condensador alcanza la tensión que hay en la patilla 5 ( ), se

activa la entrada Reset del biestable, por lo que la salida pasa a 0, el transistor pasa a saturación, y por tanto el condensador comienza a descargarse a través de R2.

Cuando la tensión en el condensador desciende por debajo de , se vuelve a

activar la entrada Set del biestable, por lo que la salida pasa a 1, el transistor se corta

y el condensador comienza a cargarse de nuevo hasta llegar a .

Este proceso se repite de forma cíclica, obteniéndose a la salida una señal periódica como la que se muestra en la página siguiente:

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Como se puede observar, la señal no es simétrica, sino que el tiempo a nivel alto (TH) es mayor que el tiempo a nivel bajo (TL). Esto se debe a que la carga del condensador se realiza a través de R1 y R2, mientras que la descarga se realiza sólo a través de R2.

Según el fabricante, estos tiempos vienen dados por las siguientes fórmulas:

Ejercicio_______________________________________________________

Para el siguiente circuito, realizado con el integrado 555, indica:a) Tipo de multivibrador.b) Calcula TH, TL, T y f.c) Dibuja la tensión en la salida y en el condensador, indicando los tiempos

calculados en el apartado anterior.d) Vuelve a dibujar las señales anteriores, si en la entrada Control de voltaje

(pin 5) se aplica una tensión continua de 8V.e) Vuelve a dibujar las señales anteriores, si en la entrada Control de voltaje

(pin 5) se aplica una tensión continua de 13V.f) ¿Qué conclusión puedes sacar de los resultados de los dos últimos apartados?

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4.4.- Utilización del 555 como retardador_____________________________________

Para implementar un circuito retardador con el 555, tan solo es necesario utilizar una resistencia y un condensador, y conectarlos al integrado según el siguiente esquema:


Inicialmente, el condensador está descargado. Por tanto, al conectar la alimentación, toda la tensión cae en la resistencia R1. Esto hace que se active el Reset del biestable, por lo que la salida permanecerá a 0.

A partir de este momento, el condensador se va cargando poco a poco, por lo que la tensión entre sus bornes va aumentando, mientras que la tensión en la resistencia irá disminuyendo.

En el momento en que la tensión en la resistencia se hace inferior a , se

activa la entrada Set del biestable, por lo que la salida del circuito pasa a 1. A partir

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de ese momento, el condensador continúa cargándose hasta VCC, pero la entrada Set del biestable se mantiene activada, por lo que la salida permanece activada indefinidamente.

Así pues, al conectar la alimentación del circuito, la salida no se ha activado inmediatamente, sino que lo ha hecho tras un cierto retardo, que como siempre depende de los valores del condensador y la resistencia conectados al 555.

Concretamente, el tiempo de retardo se obtiene mediante la siguiente fórmula:

A continuación se muestra la forma de las señales que aparecen en el condensador, la resistencia y la salida, cuando se activa la alimentación del circuito:

Ejercicios______________________________________________________

1.- Diseña un circuito retardador que retarde la activación de la señal de entrada 33 segundos. Para ello, deberás utilizar un condensador de 100µF.

2.- Para el siguiente circuito, implementado con el integrado 555:a) Indica de qué tipo de circuito se trata.b) Calcula el tiempo de retardo que genera.c) Explica qué sucede al aplicar la tensión de alimentación al circuitod) Dibuja la tensión que aparece en la salida, en la resistencia y en el

condensador, cuando se activa la entrada del circuito.

Retardo

Vin

Vc

Vout

Vcc/3

VR

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