Multivibrador

Un multivibrador es un circuito electrónico utilizado para implementar una variedad de dispositivos simples de dos estados ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} como osciladores de relajación , temporizadores , biestables 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 tubo de vacío acoplados en cruz mediante una red de resistencia-capacitancia. ^{[ 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 producen formas de onda similares ricas en armónicos; estos incluyen transistores, lámparas de neón, diodos túnel y otros. Aunque los dispositivos acoplados en cruz 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 es inestable (transitorio). Un pulso de disparo hace que el circuito entre en el estado inestable. Tras entrar en el estado inestable, el circuito vuelve al estado estable después de un tiempo determinado. Este circuito es útil para crear un periodo de temporización de duración fija en respuesta a algún evento externo. Este circuito también se conoce como multivibrador monoestable .
Multivibrador biestable , en el que el circuito es estable en ambos estados. Puede cambiar de un estado a otro mediante un pulso de activación externo. Este circuito también se conoce como flip-flop o latch. Puede almacenar un bit de información y se utiliza ampliamente en lógica digital y memoria de computadoras .

Los multivibradores encuentran aplicaciones en diversos sistemas donde se requieren ondas cuadradas o intervalos temporizados. Por ejemplo, antes de la llegada de los circuitos integrados de bajo costo , las cadenas de multivibradores se utilizaban como divisores de frecuencia . ^{[ 7 ]} Un multivibrador de funcionamiento libre con una frecuencia de entre la mitad y la décima parte de la frecuencia de referencia se sincronizaba con precisión con dicha frecuencia. Esta técnica se empleaba en los primeros órganos electrónicos para mantener afinadas con exactitud las notas de diferentes octavas . Otras aplicaciones incluían los primeros sistemas de televisión , donde las distintas frecuencias de línea y de trama se mantenían sincronizadas mediante pulsos incluidos en la señal de vídeo.

Historia

El primer circuito multivibrador, el oscilador multivibrador astable clásico (también llamado multivibrador acoplado a placa ), fue descrito por primera vez por Henri Abraham y Eugene Bloch en la Publicación 27 del Ministerio de Guerra 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 demás circuitos osciladores de la época, su salida contenía muchos armónicos por encima de la frecuencia fundamental , que podían utilizarse para calibrar circuitos de radio de alta frecuencia . Por esta razón, Abraham y Bloch lo denominaron multivibrador . Es un precursor del disparador Eccles-Jordan ^{[ 8 ]} , 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, por lo que el acoplamiento no se mantiene en estado estacionario." ^{[ 9 ]}
1942 – Multivibrador como un circuito biestable particular: "Estos circuitos se conocían como circuitos 'de disparo' o 'biestables' y eran de gran importancia. El más antiguo y conocido de estos circuitos era el multivibrador." ^{[ 10 ]}
1943 – biestable como generador de pulsos de un solo disparo : "...una diferencia esencial entre el biestable de dos válvulas y el multivibrador es que el biestable tiene una de las válvulas polarizada al corte." ^{[ 11 ]}
1949 – monoestable como flip-flop: "Los multivibradores monoestables también se han denominado 'flip-flops'." ^{[ 12 ]}
1949 – monoestable como flip-flop: "... un flip-flop es un multivibrador monoestable y el multivibrador ordinario es un multivibrador astable." ^{[ 13 ]}

Astable

Fuente: ^{[ 14 ]}

Un multivibrador astable consta de dos etapas de amplificación conectadas en un bucle de retroalimentación positiva mediante dos redes de acoplamiento capacitivo-resistivo. Los elementos amplificadores pueden ser transistores de unión o de efecto de campo, tubos de vacío, amplificadores operacionales u otros tipos de amplificadores. La figura 1, abajo a la derecha, muestra transistores de unión bipolar (BJT) .

El circuito se suele representar de forma simétrica como un par acoplado en cruz. Los dos terminales de salida se definen en los dispositivos activos y presentan estados complementarios. Uno tiene un voltaje alto, mientras que el otro tiene un voltaje bajo, excepto durante las breves transiciones entre ambos estados.

Funcionamiento de un multivibrador astable BJT

El circuito presenta dos estados astables (inestables) que cambian alternativamente con una velocidad de transición máxima debido a la retroalimentación positiva "aceleradora". Se implementa mediante condensadores de acoplamiento que transfieren instantáneamente los cambios de voltaje, ya que el voltaje a través de un condensador no puede cambiar repentinamente. En cada estado, un transistor se activa y el otro se desactiva. En consecuencia, un condensador completamente cargado se descarga (carga inversa) lentamente, convirtiendo así el tiempo en un voltaje que cambia exponencialmente. Al mismo tiempo, el otro condensador vacío se carga rápidamente, restaurando su carga (el primer condensador actúa como condensador de ajuste de tiempo y el segundo se prepara para desempeñar este papel en el siguiente estado). El funcionamiento del circuito se basa en el hecho de que la unión base-emisor polarizada directamente del transistor bipolar activado puede proporcionar una vía 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) con la tensión 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 de Q2, se aplica una tensión negativa máxima (-V ) a la base de Q2 que mantiene a Q2 completamente apagado . C1 comienza a descargarse (carga inversa) a través de la resistencia de base de alto valor R2, de modo que la tensión de su placa derecha (y en la base de Q2) aumenta desde un valor inferior a tierra (-V ) hacia + V . Como la unión base-emisor de Q2 está polarizada inversamente, no conduce, por lo que toda la corriente de R2 va 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 de colector de bajo valor R4 y la unión base-emisor polarizada directamente de Q1 (debido a que R4 es menor que R2, C2 se carga más rápido que C1). De esta forma, C2 recupera su carga y se prepara para el siguiente estado C2, cuando actuará como un condensador de ajuste de tiempo. Q1 se satura firmemente al principio por la corriente de carga forzada de C2 sumada a la corriente de R3. Al final, solo R3 proporciona la corriente de 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 la base de Q2) se vuelve positivo y alcanza 0,6 V, la unión base-emisor de Q2 comienza a desviar parte de la corriente de carga de R2. Q2 comienza a conducir y esto inicia el proceso de retroalimentación positiva tipo avalancha de la siguiente manera: el voltaje del colector de Q2 comienza a disminuir; este cambio se transfiere a través de C2 completamente cargado a la base de Q1 y Q1 comienza a cortarse. Su voltaje de colector comienza a aumentar; este cambio se transfiere de vuelta a través de C1 casi vacío a la base de Q2 y hace que Q2 conduzca más, manteniendo así el impacto de entrada inicial en la base de Q2. De esta manera, el cambio de entrada inicial circula a lo largo del bucle de retroalimentación y crece de manera similar a una avalancha hasta que finalmente Q1 se apaga y Q2 se enciende. La unión base-emisor de Q2 polarizada en directa fija el voltaje de la placa derecha de 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) a la tensión 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 de Q1, se aplica una tensión negativa máxima (-V ) a la base de Q1 que mantiene a Q1 firmemente apagado . C2 comienza a descargarse (carga inversa) a través de la resistencia de base de alto valor R3, de modo que la tensión de su placa izquierda (y en la base de Q1) aumenta desde un valor inferior a tierra (-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 de colector de bajo valor R1 y la unión base-emisor polarizada directamente de Q2 (debido a que R1 es menor que R3, C1 se carga más rápido que C2). De este modo, C1 recupera su carga y se prepara para el siguiente Estado 1, cuando volverá a actuar 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 del multivibrador

Derivación

La duración del estado 1 (baja salida) estará relacionada con la constante de tiempo R ₂C _1, ya que depende de la carga de C1, y la duración del estado 2 (alta salida) estará relacionada con la constante de tiempo R ₃C _{2, ya que depende de la carga de C2. Dado que no es necesario que sean iguales, se puede lograr fácilmente un}ciclo de trabajo asimétrico .

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

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

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

V _{BE_Q1} para

V_{\text{cap}}(t)

( V _{BE_Q1} - V _CC ) para

V_{\text{capinit}}

V _CC para

V_{\text{cargando}}

resultados en:

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

Al despejar t se obtiene:

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

que se puede simplificar a:

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

Por lo tanto, el período de cada mitad del multivibrador viene dado por $t=RC\cdot \ln {2}$ .

El período total de oscilación viene dado por:

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

$f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{(R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})\cdot \ln {2}}}\approx {\frac {1.443}{R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2}}}$

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 capacitancia en faradios.
T es el período (en este caso, la suma de dos duraciones de período).

Para el caso especial donde

t ₁ = t ₂ (ciclo de trabajo del 50%)
R ₂ = R ₃
C ₁ = C ₂

$f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{2RC\cdot \ln {2}}}\approx {\frac {0.72}{RC}}$ ^{[ 15 ]}

forma del pulso de salida

La tensión de salida tiene una forma que se aproxima a una onda cuadrada. A continuación se analiza para el transistor Q1.

Durante el estado 1 , la unión base-emisor de Q2 está polarizada inversamente y el condensador C1 está desconectado de tierra. La tensión de salida del transistor Q1 activado cambia rápidamente de alta a baja, ya que esta salida de baja resistencia está cargada por una carga de alta impedancia (el condensador C1 conectado en serie y la resistencia de base R2 de alta resistencia).

Durante el estado 2 , la unión base-emisor de Q2 está polarizada directamente 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 (el condensador C1). Esta es la tensión de salida del circuito integrador _R1C1_.

Para aproximarse a la forma de onda cuadrada necesaria, las resistencias del colector deben tener una resistencia baja. Las resistencias de la 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 se enciende el circuito por primera vez, ninguno de los transistores estará activado. Sin embargo, esto significa que en esta etapa ambos tendrán altos voltajes de base y, por lo tanto, una tendencia a activarse. Las inevitables asimetrías leves harán que uno de los transistores se active primero. Esto llevará rápidamente al circuito a uno de los estados mencionados anteriormente, 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 estado alto durante más tiempo del necesario para que ambos condensadores se carguen por completo, el circuito permanecerá en este estado estable, con ambas bases a 0,60 V, ambos colectores a 0 V y ambos condensadores cargados inversamente a -0,60 V. Esto puede ocurrir al arrancar sin intervención externa, si R y C son muy pequeños.

divisor de frecuencia

Un multivibrador astable puede sincronizarse con una cadena externa de pulsos. Un único par de dispositivos activos puede utilizarse para dividir una referencia por una relación grande; sin embargo, la estabilidad de la técnica es deficiente debido a la variabilidad de la fuente de alimentación y de los elementos del circuito. Una relación de división de 10, por ejemplo, es fácil de obtener, pero no fiable. Las cadenas de flip-flops biestables proporcionan una división más predecible, a costa de un mayor número de elementos activos. ^{[ 15 ]}

Componentes de protección

Aunque 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 ruptura inversa cuando la tensión de alimentación supera la tensión de ruptura V _eb , que suele ser de entre 5 y 10 voltios para transistores de silicio de uso general. En la configuración monoestable, solo uno de los transistores requiere protección.

Multivibrador astable que utiliza un amplificador operacional.

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

Si V _C es el voltaje a través del condensador y, según la gráfica, el período de la onda formada en el condensador y la salida coinciden, entonces el período se puede calcular 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 resolverlo, 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 total T = T1 + T2 . Así, el período 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 (C₂ _- R₃ _en la Figura 1) se reemplaza por una red resistiva (simplemente una resistencia). El circuito puede considerarse como un multivibrador astable de 1/2 . La tensión del colector de Q₂ es la salida del circuito (a diferencia del circuito astable, tiene una forma de onda cuadrada perfecta, ya que la salida no está cargada por el condensador).

Cuando se activa mediante un pulso de entrada, un multivibrador monoestable cambia a su estado inestable durante un tiempo y luego regresa a su estado estable. El tiempo durante el cual 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 rearmable . Si pulsos de activación posteriores no afectan el período, el circuito es un multivibrador no rearmable .

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

Monoestable mediante amplificador operacional

Multivibrador monoestable que utiliza un amplificador operacional

El circuito es útil para generar un único pulso de salida de duración ajustable en respuesta a una señal de disparo. El ancho del pulso de salida depende únicamente de los componentes externos conectados al amplificador operacional. Un diodo D1 limita la tensión del condensador a 0,7 V cuando la salida está en +Vsat. Supongamos que en estado estable la salida Vo = +Vsat. El diodo D1 limita la tensión del condensador a 0,7 V. La tensión en el terminal no inversor a través del divisor de tensión será +βVsat. Ahora se aplica un disparo negativo de magnitud V1 al terminal no inversor, de modo que la señal efectiva en este terminal sea menor que 0,7 V. Entonces la tensión de salida cambia de +Vsat a -Vsat. El diodo se polarizará inversamente y el condensador comenzará a cargarse exponencialmente a -Vsat a través de R. La tensión en el terminal no inversor a través del divisor de tensión será -βVsat. Después de un tiempo, el condensador se carga a una tensión mayor que -βVsat. El voltaje en la entrada no inversora es ahora mayor que en la entrada inversora y la salida del amplificador operacional vuelve a cambiar a +Vsat. El condensador se descarga a través de la resistencia R y se carga de nuevo 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}

dónde $V_{f}=-V_{\text{sat}}$ y $V_{i}=V_{d}$ , la tensión directa del diodo. Por lo tanto,

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 $V_{\text{sat}}>>V_{d}$ y $R1=R2$ de modo que $\beta =0.5$ , entonces $T=0.69RC$

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 enclavamiento es similar a un multivibrador astable, con la diferencia de que no requiere tiempo de carga ni de descarga debido a la ausencia de condensadores. Por lo tanto, cuando el circuito se activa, si Q1 está encendido, su colector se encuentra a 0 V. En consecuencia, Q2 se desactiva. Esto provoca que se aplique más de la mitad de + V voltios a R4, lo que genera una corriente en la base de Q1, manteniéndolo encendido. De esta forma, el circuito permanece estable en un único estado de forma continua. Del mismo modo, Q2 permanece encendido continuamente si se activa primero.

El cambio de estado se puede realizar mediante los terminales Set y Reset conectados a las bases. Por ejemplo, si Q2 está encendido y Set se conecta a tierra momentáneamente, Q2 se apaga y Q1 se enciende. Por lo tanto, Set se usa para encender Q1 y Reset para apagarlo.

Véase también

Referencias

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Enlaces externos

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