Circuito Monoestable

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1 NGENEÍA ELETÓNA ELETONA (A-0 00 rcuto Monoestable rcuto Monoestable ng. María sabel Schaon, ng. aúl Lsandro Martín Este crcuto se caracterza por presentar un únco estado estable en régmen permanente, y cuando medante una exctacón externa se genera una perturbacón que lo aparta de ese estado estable el crcuto eolucona en un estado no estable que prooca un cambo en la salda y al cabo de un certo tempo predetermnado uele al estado estable. En régmen permanente el crcuto permanece en el estado estable. La conmutacón al estado semestable es forzada medante una exctacón externa adecuada, en su presenca el crcuto nca un régmen transtoro para, una ez transcurrdo el tempo de duracón del estado no estable retornar al estado estable. El tempo que el crcuto permanece en el estado no estable, comúnmente denomnado período semestable, queda determnado por los alores de algunos elementos pasos que componen el crcuto. rcuto Monoestable acoplado por colector El crcuto monoestable más sencllo es el que se muestra en la fgura. Se mplementa con dos transstores acoplados por colector que en el estado estable están en corte y en conduccón, respectamente. uando se conecta la almentacón del crcuto, ndependentemente de algún transtoro ncal donde ambos transstores conducen, uno de los transstores (en este caso Q entra en conduccón más rápdamente y prooca el corte del otro transstor. 0 0 Q Q FG.- UTO MONOESTALE AOPLADO PO OLETO En el estado estable uno de los transstores (Q conduce, mentras que el otro (Q permanece cortado. uando una perturbacón externa fuerza la conduccón del transstor Q (normalmente cortado o el corte del transstor Q (normalmente en conduccón se nca el estado semestable en el cual conduce Q mentras Q permanece cortado- La duracón de este estado no estable es controlable medante una adecuada eleccón de los componentes del crcuto. aracterístcas del estado estable, Q conduce Q cortado: Q debe conducr saturado a fn de que su conduccón fuerce y asegure el corte de Q. De esta manera, al conectar la almentacón, por ejemplo, ambos transstores están en condcones de conducr pero s Q se satura fuerza el corte de Q. Para asegurar la saturacón de Q deben elegrse alores adecuados para y. La condcón que asegura saturacón en un JT es que su corrente de base sea lo sufcentemente grande como para que la corrente de colector que crcularía en el JT en zona acta supere la máxma potenca que puede entregar la almentacón en el crcuto de colector con el transstor funconando en acta. La corrente de colector máxma de zona acta para el transstor Q en este crcuto resulta: y en consecuenca: E MAX ZONA ATA c MAXMA ZONA ATA MAX ZONA ATA β β Profesora MAA SAL SHAON

2 y la condcón de saturacón es: s > MAX ZONA ATA JT saturado En estas condcones, Q está cortado, Q saturado resultando el crcuto de la fgura. Q cortado Q FG.- UTO ON Q OTADO Q ONDUENDO En este crcuto la tensón de colector Q a crecendo a medda que el capactor se carga a traés de al alor fnal determnado por - (SAT. El crcuto permanece ndefndamente en este estado, con Q saturado y Q cortado. (fnal estado estable S la condcón de saturacón de Q se cumple cuando el capactor ya se cargó (corrente nula por el capactor, 0 y la corrente de base de Q queda determnada por la corrente que crcula por, el transstor sempre conducrá saturado. Luego la condcón que se debe cumplr para asegurar conduccón de Q en zona de saturacón queda determnada por: > < β β Estado semestable, Q conduce Q cortado: Para proocar el cambo del estado del crcuto se debe nyectar una señal que fuerce la conduccón del transstor cortado, un pulso posto en la base de Q o en el colector de Q, o ben, el corte del transstor que conduce en estado estable, pulso negato en la base de Q o en el colector de Q. ualquera de estas señales prooca la conduccón de Q y la polarzacón nersa de la juntura base emsor de Q debdo a la carga acumulada en el capactor (. E Q omo el capactor alcanzó en el estado estable una carga más alta que cualquer tensón colector emsor de Q, la juntura base emsor de Q queda en polarzada nersamente, y tenendo en cuenta que la eolucón de la carga del capactor es lenta comparada con el tempo de conmutacón de los transstores, es posble consderar que durante la conmutacón la carga del capactor se mantene constante, o sea que un nstante antes (t - y un nstante posteror (t el alor de tensón de en el capactor es el msmo, Q sat ( fnal estadoestable En la fgura se muestra el crcuto con Q cortado y la carga del capactor así como la conencón adoptada para la tensón del capactor. Q conduce con corrente de base fja que queda determnada por: - sat

3 NGENEÍA ELETÓNA ELETONA (A-0 00 El capactor comenza a cargarse en sentdo contraro a traés de y del colector de Q conducendo a un alor fnal que está determnado por la caída de tensón en cuando toda la corrente de colector de Q crcula por ella. Q cortado Q en conduccón FG.- UTO ON Q OTADO Q ONDUENDO (estado semestable Antes de que el capactor se cargue a su alor fnal, la tensón de base de Q, que a aumentando a medda que se modfca la carga del capactor, alcanzará un alor sufcente para polarzar drectamente la juntura base-emsor de Q y forzar la conduccón de Q. ( t E Q γ uando Q entra en conduccón en t t, su tensón de colector decrece y en consecuenca tambén dsmnuye la tensón base emsor de Q (. La tensón de colector de Q aumenta faorecendo la conduccón del transstor Q. Este proceso es regenerato y concluye con el corte de Q cuando el Q entra en saturacón y el crcuto alcanza su estado estable. El capactor comenza a cargarse en sentdo opuesto con el crcuto mostrado en la fgura, a traés de hasta alcanzar el alor fnal dado por: cf EE sat El crcuto permanece ndefndamente en su estado estable, conduccón de Q. Q conduce un certo fjo predefndo que es el fjado para la duracón del estado semestable. Determnacón del tempo de duracón del estado semestable (T S se dentfca con t el nstante en el cual, una ez conectada la fuente de almentacón y el crcuto establzado en su estado estable, una perturbacón externa prooca la conmutacón del crcuto, un nstante antes de la perturbacón (t - el crcuto se hallaba en su estado estable y el modelo áldo en ese estado se muestra en la fgura : 0 Q cortado Q FG. : MODELO DEL UTO UN NSTANTE ANTES DE LA PETUAÓN (t - Para asegurar la conduccón de Q en saturacón, tenendo en cuenta la dspersón de parámetros, se debe erfcar: sat MAX ZONA ATA > < β mnq βmínmo βmínmo Profesora MAA SAL SHAON

4 La tensón colector emsor de Q saturado es menor que la tensón de arranque de Q ( EQ 0,<γ, y en consecuenca el transstor Q esta cortado. El capactor se cargó a su alor fnal c( to sat Un nstante después de la conmutacón, t, el crcuto está en el estado semestable (Q en conduccón, Q cortado. El capactor ( se carga con la polardad opuesta a traés de, según el crcuto correspondente que se muestra en la fgura. El alor fnal de tensón al cual tende la carga de se puede pensar como el alor de tensón al cual llegaría la tensón en bornes del capactor s Q permanecera cortado ndefndamente (fgura. El capactor alcanza su alor fnal cuando la corrente por es nula, en consecuenca, s la Q cortado relacón de resstencas y ( es la adecuada para que en esas condcones Q Q en conduccón conduzca saturado, el alor fnal sería, según la polardad adoptada: ( fse Esat FGUA : UTO EN t El tempo de duracón del estado semestable (T t -t puede determnarse analzando la carga del capactor en el crcuto de la fgura : t ( t Esat sat Esat ( e y determnando el tempo que tarda la tensón en la base del transstor Q en alcanzar la tensón de arranque de la juntura base emsor del msmo: o lo que es lo msmo: El tempo T resulta: γ ( t Esat ( ON Esat T ( e γ sat Esat T ln sat Esat γ Esat S es lo sufcentemente grande frente a sat y esat la duracón del estado semestable puede calcularse como: T ln 0, 7 aproxmacón álda s El crcuto dspone de dos saldas (una en el colector de cada transstor, o y o, respectamente. En la salda dsponble en el colector de Q, o, se dspone de una onda normalmente en estado y que cuando se fuerza la conmutacón del crcuto permanece en estado alto mentras el crcuto se mantene en el estado semestable. Esta onda no tene más retardos asocados que los tempos de conmutacón de los transstores. La salda dsponble en el colector de Q, 0, permanece normalmente en estado alto y conmuta a un estado bajo en el estado semestable y tene presente retardos adconales, especalmente notoros cuando el Q se pasa al corte debdo a la presenca del capactor en esa rama.

5 NGENEÍA ELETÓNA ELETONA (A-0 00 Una forma de mnmzar este efecto es adoptar con <<, y de esta manera se mnmza el tempo de crecmento de la tensón de colector del transstor cuando pasa al corte, permtendo que alcance su alor máxmo ( en un tempo desprecable. Una arante del crcuto El crcuto analzado funcona en la forma descrpta sempre y cuando en el estado estable Q funcone fuertemente saturado a fn de permtr el corte de Q. Un crcuto que acelera el tempo de conmutacón al permtr que Q trabaje en zona acta o lgeramente saturado es el que se muestra en la fgura. 0 0 Q Q < 0 FG.- UTO MONOESTALE Para realzar el análss del funconamento del crcuto se parte de la hpótess de que el tempo de conmutacón de los transstores es mucho menor que el tempo que tardan los capactores en cargarse, y de que ya se extnguó el transtoro ncal que se produce al conectar la almentacón. En estas condcones, el crcuto se encuentra en el estado estable en el cual Q conduce y Q esta cortado, el capactor se cargó a traés de, hasta su alor fnal, FE -, según el sentdo ndcado en fgura 6, adoptado como sentdo posto. 0 - Q cortado Q <0 FG 6.- UTO EN ESTADO ESTALE (Q ONDUE - Q OTADO En este estado Q no necesaramente debe conducr saturado, sno que debe cumplr las condcones que polarzan nersamente la juntura base emsor de Q forzando su corte. E 0 < E < La corrente de colector mínma que crcula por el transstor es la que corresponde al crcuto establzado con el capactor totalmente cargado como corresponde a su estado estable. En zona acta esa corrente resulta: S consderamos la dspersón del β: β β β mín mín 0 Profesora MAA SAL SHAON

6 La corrente que crcula por es: además: E E >> mín E y en consecuenca resulta una condcón para el alor mínmo de la corrente de colector de Q que relacona los parámetros que caracterzan los elementos del crcuto: β mín mín >> El cambo de estado del crcuto se produce cuando se fuerza la conduccón del transstor cortado (Q o el corte de Q medante una perturbacón externa. En ese nstante (t el cambo de estado del transstor forzado por la perturbacón prooca el cambo de estado del otro transstor de manera que en un nstante después (t Q conduce y Q está cortado. omo las aracones de tensón en el capactor son mucho más lentas que la conmutacón de los transstores, la tensón en éste un nstante antes de la conmutacón y un nstante después de la msma son déntcas. En la fgura 7 se muestra el crcuto que resulta en el estado semestable. FE Q <0 Q cortado FG 7.- UTO EN ESTADO SEMESTALE (Q ONDUE Q OTADO omo Q entra en conduccón el potencal de su colector descende abruptamente y la juntura base emsor de Q queda polarzada nersamente por efecto de la tensón almacenada en el capactor y Q se corta. E A partr de este nstante el capactor comenza a cargarse en sentdo contraro a traés de y del colector de Q proocando el aumento de la tensón de la base de Q. La corrente de colector de Q es suma de la corrente que crcula a traés de y de la corrente de carga del capactor que crcula por. Tenendo en cuenta que el crtero de dseño más utlzado es >>, el aporte de la corrente por para la conduccón de Q es desprecable. La condcón para que Q conduzca saturado queda determnada por: < β máx zona acta mín Q

7 NGENEÍA ELETÓNA ELETONA (A-0 00 S se elgen los elementos del crcuto de manera que Q conduzca saturado, se debe cumplr la condcón: sat Esat Sat < β mn Q S esta condcón no se erfca el transstor estaría funconando en zona acta, en estas condcones el crcuto funcona como monoestable pero se tendría que realzar el análss utlzando el modelo del transstor correspondente a zona acta. uando la tensón en la base del transstor Q, que a crecendo a medda que se carga el capactor, alcanza nel sufcente para proocar el encenddo de Q y en consecuenca el corte de Q, el crcuto renca su estado estable. En la fgura 8 se puede obserar el modelo que corresponde a este estado que se renca en el nstante dentfcado con (t. En el estado semestable, mentras Q conduce y Q está cortado, el capactor se descarga exponencalmente desde el alor fnal que alcanzó en el estado estable ( - haca el alor fnal que le fja el crcuto que se muestra en fgura Q cortado Q FG 8.- UTO EN ESTADO ESTALE (Q ONDUE Q OTADO Q Q cortado FG 9.- UTO EN ESTADO SEMESTALE (Q ONDUE Q OTADO El alor fnal de tensón al cual tende la carga de es el alor de tensón al cual llegaría la tensón en bornes del capactor s Q permanecera cortado ndefndamente, o sea cuando la corrente por se anula: SE F Esat En consecuenca la ecuacón que modela la descarga del capactor resulta: Esat t τ ( e d donde τ Esat El tempo de conduccón del transstor (T está determnado por el tempo que tarda el capactor en alcanzar el alor de tensón que polarza drectamente la juntura base emsor de Q ( γ y fuerza su conduccón. γ E sat ( t y el tempo de duracón del estado semestable es: ( Esat t t ln γ T Esat d T τ e d Profesora MAA SAL SHAON

8 o ben: T ln 0,7 s cc En el nstante posteror al renco del estado estable (t Q está cortado y Q está en conduccón, pero la tensón en el capactor es la msma que produjo la conmutacón dado que la tensón en sus bornes no aría nstantáneamente. c c c Esat El capactor se carga con una ley exponencal desde ese alor ncal al alor fnal del estado estable con la constante de tempo τ c determnada por nspeccón en el crcuto de la fgura 8. γ ( // r cf EE sat τ c X En la fgura 0 se muestran las gráfcas de las tensones en los colectores y en las bases de los transstores en funcón del tempo obtendas medante smulacón con AP. Sobre la señal de dsparo. Para producr un cambo de estado se dspone de dos alternatas, una de ellas es hacer que el transstor que esta cortado entre en conduccón, esto se puede lograr eleando los potencales de base de Q o ben el colector de Q y la segunda alternata es llear al corte al transstor que se encuentra conducendo ya sea bajando el potencal de base de Q o el potencal de colector de Q. En estas condcones exsten alternatas posbles exsten entajas de una sobre la otra?. Un pulso de dsparo nyectado por la base de Q requere menor energía que el dsparo por colector de Q, pero es mas sensble a dsparo por rudo. La otra alternata, nyectar un pulso negato en el colector de Q es la alternata más utlzada pues eta la presenca de esas señales en la salda tomada en el colector de Q. FGUA 0: GAFAS DE LAS TENSONES EN FUNÓN DEL TEMPO

9 NGENEÍA ELETÓNA ELETONA (A-0 00 álculo del pco de tensón (δ que se produce en el nstante de la conmutacón al estado estable. uando el crcuto retorna al estado estable, en la base del transstor que entra en conduccón se produce se produce un pco de tensón que se extngue rápdamente que se refleja en el colector del transstor que entra al corte. El salto se debe a la presenca de la resstenca de dspersón de base (r x y para calcular su alor es necesaro consderar esta resstenca. La aracón de tensón δ se produce en la base del transstor Q (colector de Q en el nstante (t y se determna hacendo la dferenca entre el alor que tene la tensón de base un nstante después de la conmutacón (t y un nstante antes de la msma (t -. r x En la fgura se muestra el modelo utlzado para analzar el transstor en zona de saturacón. La tensón en la base del transstor un nstante un nstante antes de la conmutacón es: ( t on sat γ - Esat FGUA : MODELO TANSSTO SATUADO Tenendo en cuenta el modelo la tensón en la base del transstor un nstante después de la conmutacón resulta: r * x ( rx on ( r x on r * x sat on donde * // La aracón de tensón (δ que aparece en el momento de la conmutacón de corte a saturacón resulta: δ δ ( ( // ( on rx Esat x ( // on r Profesora MAA SAL SHAON

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