CUESTIONES DEL TEMA - IV

Transcripción

1 ema 5: Osciladores de elajación... Presentación En el tema 5 se tratan distintos circuitos que producen en su salida ondas de tipo cuadradas, triangulares, pulso, etc. : a) Se analiza el comportamiento de un integrado llamado comparador. b) Utilizando este integrado se estudia el comportamiento de un circuito llamado Comparador de umbral. c) Basado en el Comparador de umbral se analiza otro tipo de circuito llamado Báscula de Schmitt, el cual forma parte de los Generadores de onda cuadrada y triangular. CUESIONES DEL EMA - I. Comparadores integrados... Comparadores de umbral La Báscula Schmitt inversora 8 4. La Báscula Schmitt no inversora., El Generador de onda cuadrada El generador de onda cuadrada 4 7. El CI 555. Aplicaciones

2 ema 5: Osciladores de elajación.... Comparadores integrados. El comparador integrado es un circuito que compara la tensión que existe en la entrada no inversora con la que existe en la entrada inversora. v+ v- + _ o ( Nivel alto) ( ) + v > v v0 = v H + v < v v0 = v L Nivel bajo El símbolo del comparador integrado es similar al de un amplificador operacional. Característica de transferencia de un comparador ideal en lazo abierto (para un valor de v - mayor que cero). v 0 v H 0 v v + v L

3 ema 5: Osciladores de elajación.... Comparadores integrados. Aquellos circuitos que, como el comparador, presentan una salida con dos estados H y L se dice que trabajan en conmutación. En la característica de transferencia del comparador se observa que la conmutación de un estado de salida al otro se produce cuando la entrada v + iguala a la entrada v -. Se puede utilizar un amplificador operacional en lugar de un comparador, en cuyo caso H = + SA y L = - SA. v+ EAPA DE v- ENADA o Un ejemplo de comparador integrado es el LM, cuya etapa de salida es un transistor de colector y emisor abiertos, el cual trabaja en corte y saturación

4 ema 5: Osciladores de elajación.... Comparadores integrados. A) El LM como comparador con salida compatible L. cc = 5 vot. v+ EAPA DE v- ENADA o ransistor saturado: 0 = SA = 0 volt. ransistor en corto: 0 = 5 volt. 0 B) El LM como comparador con dos salidas L y H. H v+ EAPA DE v- ENADA o ransistor saturado: 0 = volt. L ransistor en corto: 0 = H volt. L 3

5 ema 5: Osciladores de elajación.... Comparadores de umbral. Los comparadores de umbral son circuitos formados por un comparador integrado y varias resistencias. El valor de la tensión en el terminal de entrada S para la cual la salida conmuta de un estado al otro se le llama tensión umbral UMB. a) Comparador de umbral inversor. ref I s I o ensión Umbral UMB = v + 0 v + S I = I v + v + EF = v + = v + EF v = + + EF 4

6 ema 5: Osciladores de elajación.... Comparadores de umbral. De ahora en adelante llamaremos + = H y = L. La conmutación entre los dos estados de salida se produce cuando la entrada S se iguala con la tensión UMB. UMB< S S > EF 0 = Salida a nivel bajo + UMB> S S < EF 0 =+ Salida a nivel alto + ( ) ( ) 0 Característica de transferencia del comparador de umbral inversor. + 0 UMB = + EF S 5

7 ema 5: Osciladores de elajación.... Comparadores de umbral. a) Comparador de umbral no inversor. ref s I I o I + + = I EF 0 s v v + + = S v = v EF + EF + S = EF + = + + ( + ) v s En este caso, la conmutación entre los dos estados de salida se produce cuando la tensión v + se iguala con la tensión v - = 0. 6

8 ema 5: Osciladores de elajación.... Comparadores de umbral. + EF + S v > 0 > 0 S > EF 0 =+ ( + ) + EF + S v < 0 < 0 S < EF 0 = ( + ) La tensión umbral en este caso es: UMB = EF La conmutación entre los dos estados de salida se produce cuando la entrada S se iguala con la tensión UMB. 0 Característica de transferencia del comparador de umbral. + UMB = EF 0 S 7

9 ema 5: Osciladores de elajación La Báscula Schmitt inversora. Una Báscula Schmitt, también llamada multivibrador biestable, es un comparador de umbral en el cual el terminal EF se conecta a la salida. Puede permanecer indefinidamente en el estado de salida alto o en el bajo. Se utiliza para convertir señales de amplitud variable en señales rectangulares. Arquitectura de la Báscula Schmitt inversora. 0 = EF s + - o 0 8

10 ema 5: Osciladores de elajación La Báscula Schmitt inversora. Como en este caso EF = 0, la tensión umbral es: = o = β Siendo β= UMB Si 0 = + tenemos que UMB = +β 0 y la curva de transferencia es: 0 + +β S 9

11 ema 5: Osciladores de elajación La Báscula Schmitt inversora..- Si 0 = - tenemos que UMB = -β 0 y la curva de transferencia es: 0 + β S Si unimos las figuras anteriores obtenemos la característica de transferencia completa de la báscula Schmitt inversora (ver figura siguiente): Se observa que dicha característica presenta un ciclo de histéresis. 0

12 ema 5: Osciladores de elajación La Báscula Schmitt inversora. 0 A + 0 β +β S Giro sentido de las agujas del reloj El ancho del ciclo de Histéresis es: Ancho del ciclo de Histéresis + WH = β = B

13 ema 5: Osciladores de elajación La Báscula Schmitt inversora. Supongamos que nos encontramos en un nivel alto de salida 0 = + (en punto A de la característica). La tensión umbral es +β. Si vamos aumentando el valor de s, al igualarse este con +β, la salida conmuta al estado bajo 0 = - y permanece en él. Supongamos que nos encontramos en un nivel bajo de salida 0 = - (en punto B de la característica). La tensión umbral es -β. Si vamos disminuyendo el valor de s, al igualarse este con -β, la salida conmuta al estado alto 0 = + y permanece en él. oltaje + +β Entrada Salida rasformación de una señal entrada triangular en una salida cuadrada. 0 t β

14 ema 5: Osciladores de elajación La Báscula Schmittno no inversora. Arquitectura de la Báscula Schmitt no inversora. s + - o 0 Como en este caso EF = 0, la tensión umbral es: UMB = o.- Si 0 = + tenemos que y la curva de transferencia es: UMB = 3

15 ema 5: Osciladores de elajación La Báscula Schmittno no inversora. 0 + UMB = 0 S.- Si 0 = - tenemos que y la curva de transferencia es: UMB 0 = + 0 UMB = S 4

16 ema 5: Osciladores de elajación La Báscula Schmittno no inversora. Si unimos las figuras anteriores obtenemos la característica de transferencia completa de la báscula Schmitt no inversora de la figura siguiente: 0 + B UMB = 0 UMB = S A Giro sentido de las agujas del reloj Se observa que dicha característica presenta un ciclo de histéresis. 5

17 ema 5: Osciladores de elajación La Báscula Schmittno no inversora. Supongamos que nos encontramos en un nivel bajo de salida 0 = - (en punto A de la característica). La tensión umbral es: UMB Si vamos aumentando el valor de s, al igualarse este con : La salida conmuta al estado alto 0 = y permanece en él. UMB = = Supongamos que ahora nos encontramos en un nivel de salida alto o = + (en el punto B de la característica). La tensión umbral es: UMB = Si vamos disminuyendo el valor de s, al igualarse con: UMB = La salida conmuta al estado bajo o = - y permanece el el. 6

18 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda cuadrada.. Al generador de onda cuadrada también se la llama multivibrador astable. Arquitectura del generador de onda cuadrada. c=s C - + o 0 0 Está basado en una Báscula Schmitt inversora cuya entrada es la tensión de un condensador C conectado a la salida de la Báscula mediante una resistencia. 7

19 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda cuadrada.. o C + c - 0 En un circuito C como el de la figura, el condensador C se carga exponencialmente a través de la resistencia hacia el voltaje o, mediante la siguiente ecuación.: [ ] c(t) = o o c(t ) e O t C t = cualquier instante. t 0 = instante inicial c(t) es una curva exponencial que parte de c(t O ) en el instante inicial y tiende hacia O cuando el tiempo tiende a infinito. 8

20 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda cuadrada.. Dos ejemplos: c(t 0) c 0 t 0 c 0 0 t c(t 0) 9

21 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda cuadrada.. Ciclo de Histéresis del generador. A + o β= + β +β C Funcionamiento: Inicialmente nos encontramos en el punto A del ciclo de Hisréresis con c = -β y o = +. (Ahora la conmutación se produce cuando C = +β). Comienza la carga exponencial del condensador hacia o = +, pero al llegar a +β la salida conmuta a o = -. (Ahora la nueva conmutación se produce cuando C = -β). Comienza la carga exponencial del condensador hacia o = -, pero al llegar a - -β la salida conmuta a o = +. Se repite el proceso con un periodo. 0

22 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda cuadrada A +β C 0 t β A La ecuación de carga del condensador entre 0 y / segundos es: t C [ ] ( ) c(t) = ( β ) e = +β e t C

23 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda cuadrada.. Aplicando la ecuación anterior en el instante t = /: Operando: ( ) e C β = +β ( ) ( ) e C β = +β ( β ) = ( +β) e C β = β+ e C Sustituyendo β: = e C = = e C e + C

24 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda cuadrada.. + C e = = + Aplicando logaritmo neperiano: C = ln + = Cln + Si hacemos: e=.78= +,78 = =,64 El periodo de la onda cuadrada es: = C La frecuencia de la onda cuadrada es: f = C 3

25 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda triangular. Una onda triangular se puede obtener integrando la onda cuadrada que se produce en la salida de una Báscula Schmitt no inversora. C + - C Onda Cuardada - + Onda riangular Báscula Schmitt no inversora. C Integrador. + A + = Cdt+ (t 0) C 4

26 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda triangular. Funcionamiento: Inicialmente nos encontramos en el punto A del ciclo de Histéresis de la Bascula, en el cual: C =+ =+ En la salida del integrador se produce una rampa de tensión negátina que va disminuyendo hasta que : = y la salida de la Bascula conmuta al estado alto C = -. Ahora en la salida del integrador se produce uns rampa de tensión positiva que va aumentando hasta que: = y la salida de la Báscula conmuta al estado de salida bajo C = +. Se repite el proceso con un periodo. 5

27 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda triangular. En la figura siguiente se muestra la evolución de las ondas periódicas cuadrada y triangular. C + A A 0 t Aplicamos la ecuación del integrador entre 0 y / segundos: 6

28 ema 5: Osciladores de elajación El generador de onda triangular. = dt+ = t+ C C Aplicamos esta ecuación en el instante /. = + C C = = 4C f = 4C 7

29 ema 5: Osciladores de elajación El CI 555. Aplicaciones. El integrado 555 es un estandar en electrónica, utilizado para generar ondas cuadradas, rectangulares, pulsos, rampas, modulación del ancho del pulso, etc. (8) (6) Umbral (5) Control () Disparo Comparadores + Descarga (7) einicio (4) Q S S Amplificador (3) Salida Condensador externo () ransistor 8

30 ema 5: Osciladores de elajación El CI 555. Aplicaciones. En el diagrama de bloque distinguimos las siguientes partes: Un divisor de tensión formado por tres resistencias, que proporcionan las tensiones de referencia para los comparadores. Los voltajes de referencias se pueden modificar mediante la entrada de Control. Dos comparadores que manejan el fiip-flop S. Un flip-flop S con la siguiente tabla de verdad. S Q Q 0 t Permanece enestado anterior. Un amplificador inversor de salida que puede proporcionar hasta 00 ma. Un transistor que trabaja en corte y en saturación, para permitir la carga y descarga del condensador externo. 9

31 ema 5: Osciladores de elajación El CI 555. Aplicaciones. FUNCIONAMIENO: a) Cuando la entrada Unbral sobrepasa el nivel de referencia /3, la salida del Comparador_ () es alta produciendo un nivel alto en la salida del S. Esto provoca un nivel bajo en la salida del integrado y que el transistor se sature. (Se descarga el condensador externo). b) Cuando la entrada Disparo disminuye por debajo del nivel de referencia /3, la salida del Comparador_ (S) es alta produciendo un nivel bajo en la salida del S. Esto provoca un nivel alto en la salida del integrado y que el transistor se corte. (Se carga el condensador externo). Analizaremos dos aplicaciones con el CI

32 ema 5: Osciladores de elajación El CI 555. Aplicaciones. MULIIBADO ASABLE. cc A (8) Alimentación (4) einicio (7) Descarg a B (6) () Umbral Disparo Salida (3) C ierra Control () (5) e comendado por el fabricante 3

33 ema 5: Osciladores de elajación El CI 555. Aplicaciones. La frecuencia del multivibrador astable con el 555 es: f = C ( + ) A B La forma de onda de salida del astale es: Salida t H Se define el Ciclo de rabajo como el tiempo en que la salida es alta comparada con el periodo de oscilación. + Ciclo det rabajo = = + H A B A B 3

34 ema 5: Osciladores de elajación El CI 555. Aplicaciones. MULIIBADO MONOESABLE. cc (8) Alimentación (4) einicio C (7) (6) () Descarg a Umbral Disparo Salida (3) ierra Control () (5) Impulso de disparo e comendado por el fabricante 33

35 ema 5: Osciladores de elajación El CI 555. Aplicaciones. Cuando el Monoestable se dispara mediante un impulso estrecho aplicado en la entrada de disparo, la salida pasa a estado alto y permanece en alto durante un tiempo : = Cln( 3) Disparo cc t Salida Ojo rebotes Im pulso disparo t El disparo se produce en el flanco de bajada del impulso de disparo 34