Multivibrador

Un multivibrador es un circuito electrónico que se utiliza para implementar una variedad de dispositivos simples de dos estados, como osciladores de relajación, temporizadores 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 válvulas acoplados en cruz por una red de resistencias y condensadores. Llamaron a su circuito un "multivibrador" porque su forma de onda de salida era rica en armónicos. Se puede usar una variedad de dispositivos activos para implementar multivibradores que producen formas de onda ricas en armónicos similares; estos incluyen transistores, lámparas de neón, diodos de túnel y otros. Aunque los dispositivos de acoplamiento cruzado son una forma común, los osciladores multivibradores de un solo elemento también son comunes.

Los tres tipos de circuitos multivibradores son:

Tubo de vacío original multivibrador Abraham-Bloch, desde su papel 1919

• Multivibrador astable, en el que el circuito no es estable en cualquiera de los estados - cambia continuamente de un estado a otro. Funciona como oscilador de relajación.
• Multivibrador Monostable, en que uno de los estados es estable, pero el otro estado es inestable (transiente). Un pulso provoca que el circuito entre en el estado inestable. Después de entrar en el estado inestable, el circuito volverá al estado estable después de un tiempo establecido. Tal circuito es útil para crear un período de tiempo de duración fija en respuesta a algún evento externo. Este circuito también se conoce como un 1 disparo.
• Multivibrador Bistable, en el que el circuito está estable en cualquier estado. Puede ser volteado de un estado al otro por un pulso de gatillo externo. Este circuito también se conoce como un flip-flop. Puede almacenar un poco de información, y es ampliamente utilizado en la lógica digital y la memoria de la computadora.

Los multivibradores encuentran aplicaciones en una variedad de sistemas donde se requieren ondas cuadradas o intervalos de tiempo. Por ejemplo, antes de la llegada de los circuitos integrados de bajo costo, las cadenas de multivibradores encontraron uso como divisores de frecuencia. Un multivibrador de funcionamiento libre con una frecuencia de la mitad a una décima parte de la frecuencia de referencia se acoplaría con precisión a la frecuencia de referencia. Esta técnica se utilizó en los primeros órganos electrónicos para mantener afinadas con precisión notas de diferentes octavas. Otras aplicaciones incluyeron los primeros sistemas de televisión, en los que las diversas frecuencias de línea y cuadro se mantenían sincronizadas mediante pulsos incluidos en la señal de video.

Historia

Un tubo de vacío multivibrador Abraham-Bloch, Francia, 1920 (Caja pequeña, izquierda). Sus armónicos se utilizan para calibrar un medidor de onda (centro).

El primer circuito multivibrador, el clásico oscilador multivibrador astable (también llamado multivibrador acoplado a placas) fue descrito por primera vez por Henri Abraham y Eugene Bloch en la Publicación 27 de la francés Ministère de la Guerre, y en Annales de Physique 12, 252 (1919). Dado que producía una onda cuadrada, en contraste con la onda sinusoidal generada por la mayoría de los otros circuitos osciladores de la época, su salida contenía muchos armónicos por encima de la frecuencia fundamental, que podrían usarse para calibrar circuitos de radio de alta frecuencia. Por esta razón, Abraham y Bloch lo llamaron multivibrateur. Es un predecesor del gatillo Eccles-Jordan que se derivó del circuito un año después.

Históricamente, la terminología de multivibradores ha sido algo variable:

• 1942 – multivibrador implica astable: "El circuito multivibrador (Fig. 7-6) es algo similar al circuito de voltereta, pero el acoplamiento del ánodo de una válvula a la red de la otra es sólo por un condensador, de modo que el acoplamiento no se mantiene en el estado constante".
• 1942 – multivibrador como un circuito de flip-flop en particular: "Estos circuitos fueron conocidos como circuitos "trigger" o "flip-flop" y fueron de gran importancia. Lo más temprano y más conocido de estos circuitos fue el multivibrador."
• 1943 – flip-flop como generador de pulsos de una sola inyección: "...una diferencia esencial entre el flip-flop de dos válvulas y el multivibrador es que el flip-flop tiene una de las válvulas sesgadas para cortar".
• 1949 – monostable como flip-flop: "Los multivibradores portátiles también han sido llamados 'flip-flops'".
• 1949 – monostable como flip-flop: "... un flip-flop es un multivibrador monoestable y el multivibrador ordinario es un multivibrador astable".

Aestable

Un multivibrador astable consta de dos etapas amplificadoras conectadas en un circuito de retroalimentación positiva mediante dos redes de acoplamiento capacitivo-resistivo. Los elementos amplificadores pueden ser transistores de unión o de efecto de campo, válvulas de vacío, amplificadores operacionales u otros tipos de amplificadores. La Figura 1, abajo a la derecha, muestra transistores de unión bipolar.

El circuito generalmente se dibuja en forma simétrica como un par cruzado. Los dos terminales de salida se pueden definir en los dispositivos activos y tienen estados complementarios. Uno tiene alto voltaje mientras que el otro tiene bajo voltaje, excepto durante las breves transiciones de un estado a otro.

Operación

El circuito tiene dos estados astables (inestables) que cambian alternativamente con la tasa de transición máxima debido a la "aceleración" retroalimentación positiva. Se implementa mediante los condensadores de acoplamiento que transfieren instantáneamente los cambios de voltaje porque el voltaje a través de un condensador no puede cambiar repentinamente. En cada estado, un transistor se enciende y el otro se apaga. En consecuencia, un capacitor 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, restableciendo así su carga (el primer condensador actúa como un 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 con polarización directa del transistor bipolar encendido puede proporcionar un camino para la restauración del condensador.

Estado 1 (Q1 está encendido, Q2 está apagado)

Al principio, el capacitor C1 está completamente cargado (en el estado anterior 2) al voltaje de la fuente 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 Q2, se aplica un voltaje negativo máximo (-V) a la base Q2 que mantiene a Q2 firmemente apagado. C1 comienza a descargarse (carga inversa) a través de la resistencia base de alto valor R2, de modo que el voltaje de su placa derecha (y en la base de Q2) aumenta desde el suelo (-V) hacia +V. Como la unión base-emisor Q2 tiene polarización inversa, 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 con polarización directa Q1 (debido a que R4 es menor que R2, C2 se carga más rápido que C1). Así, C2 restaura su carga y se prepara para el próximo Estado C2 cuando actuará como un condensador de ajuste de tiempo. Q1 está firmemente saturado al principio por el "forcing" Corriente de carga C2 añadida a la corriente R3. Al final, solo R3 proporciona la corriente base de entrada necesaria. La resistencia R3 se elige lo suficientemente pequeña para mantener Q1 (no profundamente) saturado después de que C2 esté completamente cargado.

Figure 1: Basic BJT astable multivibrator

Cuando el voltaje de la placa derecha C1 (voltaje base Q2) se vuelve positivo y llega a 0,6 V, la unión base-emisor Q2 comienza a desviar una parte de la corriente de carga R2. Q2 comienza a conducir y esto inicia el proceso de retroalimentación positiva similar a una avalancha de la siguiente manera. El voltaje del colector Q2 comienza a caer; este cambio se transfiere a través de la base C2 completamente cargada a Q1 y Q1 comienza a cortarse. Su voltaje de colector comienza a aumentar; este cambio se transfiere a través de la base casi vacía de C1 a Q2 y hace que Q2 se comporte más, manteniendo así el impacto de entrada inicial en la base de Q2. Por lo tanto, el cambio de entrada inicial circula a lo largo del circuito de retroalimentación y crece en forma de avalancha hasta que finalmente Q1 se apaga y Q2 se enciende. La unión base-emisor de Q2 con polarización 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 capacitor C2 está completamente cargado (en el Estado 1 anterior) al voltaje de la fuente 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 de la izquierda está conectada a la base Q1, se aplica un voltaje negativo máximo (-V) a la base Q1 que mantiene a Q1 firmemente apagado. C2 comienza a descargarse (carga inversa) a través de la resistencia base de alto valor R3, de modo que el voltaje de su placa izquierda (y en la base de Q1) aumenta desde el suelo (-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 con polarización directa Q2 (debido a que R1 es menor que R3, C1 se carga más rápido que C2). Así C1 restablece su carga y se prepara para el próximo Estado 1 cuando actuará nuevamente como capacitor de ajuste de tiempo... y así sucesivamente... (las siguientes explicaciones son una copia especular de la segunda parte del Estado 1).

Frecuencia multivibrador

Derivación

La duración del estado 1 (salida baja) estará relacionada con la constante de tiempo R₂C₁ ya que depende de la carga de C1, y la duración del estado 2 (salida alta) estará relacionada con la constante de tiempo R₃C₂ ya que depende de la carga de C2. Debido a que no es necesario que sean iguales, se logra fácilmente un ciclo de trabajo asimétrico.

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

${displaystyle V_{text{cap}(t)=left[left(V_{text{capinit}-V_{text{charging}}right)times e^{-{frac {fnK}}right]+V_{text{charging}}$

Mirando a C2, justo antes de que Q2 se encienda, la terminal izquierda de C2 está en el voltaje base-emisor de Q1 (V_{BE_Q1}) y la terminal derecha está en V_CC ("V_CC" se usa aquí en lugar de "+V< /i>" para facilitar la notación). El voltaje a través de C2 es V_CC menos V_{BE_Q1}. En el momento en que se enciende Q2, la terminal derecha de C2 ahora está a 0 V, lo que lleva a la terminal izquierda de C2 a 0 V menos (V_CC - V _{BE_Q1}) o V_{BE_Q1} - V_CC. A partir de este instante de tiempo, el terminal izquierdo de C2 debe volver a cargarse hasta V_{BE_Q1}. El tiempo que lleva esto es la mitad de nuestro tiempo de conmutación de multivibrador (la otra mitad proviene de C1). En la ecuación del condensador de carga anterior, sustituyendo:

V_{BE_Q1} para ${displaystyle V_{text{cap}(t)}$

()V_{BE_Q1} - V_CCPara ${displaystyle V_{text{capinit}}$

V_CC para ${displaystyle V_{text{charging}}}$

resulta en:

${displaystyle V_{text{BE}_{text{Q1}}=left(left(V_{text{BE}_{text{Q1}}}-V_{text{CC}right)-V_{text{}text{}}right]times e^{-{frac {T}}derecha)+V_{text{CC}}$

Resolver para t da como resultado:

${displaystyle t=-RCtimes ln left({frac {V_{text{BE}}} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft} {f}} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnK}}} {f}}} {f}}}} {fnMicrosoft}} {f}}}}}}}}}}}} {f}f}}}}}f}}}}}}}}}}}}}}f}}}}}}f}}}f} {f} {f}f}}}}}}f} {f}}f}}}}}f}}}}}f}}}}}f}p\pf}pf}ppf}}}ppppppppppppf}}}pp$

Para que este circuito funcione, V_CC>>V_{BE_Q1} (por ejemplo: V_CC=5 V, V< sub>BE_Q1=0.6 V), por lo tanto, la ecuación se puede simplificar a:

${displaystyle t=-RCtimes ln left({frac {-V_{text{CC}}{-2V_{text{CC}}right)}$

o

${displaystyle t=-RCtimes ln left({frac {1}right)}$

o

${displaystyle t=RCtimes ln(2)}$

Por lo tanto, el período de cada mitad del multivibrador viene dado por t = ln(2)RC.

El período total de oscilación viene dado por:

T = t₁ + t₂ = ln(2) R₂ C₁ + ln(2)R_{3< /sub> C2}

${displaystyle f={frac {1}{1}={1} {ln(2)cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2}}}}}}approx {frac {1}{0.693cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}}} {}}}}}} {}}}}}} {}}}}} {} {}}}}}}}}}}} {}}}}}}}} {} {}}}}}}}} {} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

dónde...

• f es frecuencia en hertz.
• R₂ y R₃ son valores de resistencia en ohms.
• C₁ y C₂ son valores capacitor en farads.
• T es el período (En este caso, la suma de dos períodos de duración).

Para el caso especial donde

• t₁ = t₂ (50% ciclo de trabajo)
• R₂ = R₃
• C₁ = C₂

${displaystyle f={frac {1} {fn(2)cdot 2RC}approx {fn0,72} {}}}}}} {fn}}} {fn}}} {f}}} {fn9}}}}}}} {f}}}}} {f}}}}}} {f}}}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}} {f}}}} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}} {f}} {f}}}} {f}}}}} {f}}}} {f}}}}} {f}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

Forma de pulso de salida

El voltaje de salida tiene una forma que se aproxima a una forma de onda cuadrada. Se considera a continuación para el transistor Q1.

Durante el estado 1, la unión base-emisor Q2 tiene polarización inversa y el capacitor C1 está "desenganchado" del suelo El voltaje de salida del transistor encendido Q1 cambia rápidamente de alto a bajo ya que esta salida de baja resistividad está cargada por una carga de alta impedancia (el capacitor C1 conectado en serie y la resistencia base de alta resistividad R2).

Durante el estado 2, la unión base-emisor Q2 tiene polarización directa y el capacitor C1 está "enganchado" al suelo. El voltaje de salida del transistor desconectado Q1 cambia exponencialmente de bajo a alto ya que esta salida resistiva relativamente alta está cargada por una carga de baja impedancia (condensador C1). Este es el voltaje de salida del circuito integrador R₁C₁.

Para acercarse a la forma de onda cuadrada necesaria, las resistencias del colector deben tener una resistencia baja. Las resistencias base tienen que ser lo suficientemente bajas para que los transistores se saturen al final de la restauración (R_B < β.R_C).

Encendido inicial

Cuando el circuito se enciende por primera vez, ninguno de los transistores se encenderá. Sin embargo, esto significa que en esta etapa ambos tendrán voltajes de base altos y, por lo tanto, una tendencia a encenderse, y las inevitables asimetrías leves harán que uno de los transistores sea el primero en encenderse. Esto pondrá rápidamente el circuito en uno de los estados anteriores 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 altas, durante más tiempo del que tardan ambos capacitores en cargarse por completo, entonces el circuito permanecerá en este estado estable, con ambas bases a 0,60 V, ambos colectores a 0 V., y ambos capacitores se cargaron hacia atrás a −0,60 V. Esto puede ocurrir en el arranque sin intervención externa, si R y C son muy pequeños.

Divisor de frecuencia

Un multivibrador astable se puede sincronizar con una cadena externa de pulsos. Se puede usar un solo par de dispositivos activos para dividir una referencia por una proporción grande; sin embargo, la estabilidad de la técnica es pobre debido a la variabilidad de la fuente de alimentación y los elementos del circuito. Una razón de división de 10, por ejemplo, es fácil de obtener pero no confiable. Las cadenas de flip-flops biestables proporcionan una división más predecible, a costa de elementos más activos.

Componentes de protección

Aunque no es fundamental 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 sufra una ruptura inversa cuando la tensión de alimentación supere el V< /i>_eb voltaje de ruptura, típicamente alrededor de 5-10 voltios para transistores de silicio de propósito general. En la configuración monoestable, solo uno de los transistores requiere protección.

Multivibrador astable usando el circuito Op-Amp

Multivibrador astable usando un amplificador operacional

Asume todos los condensadores para ser descargados al principio. La salida del op-amp V_o en el nodo c es +V_sentado Inicialmente. En el nodo a, un voltaje de +β V_sentado se forma debido a la división de tensión donde ${displaystyle beta =left[{frac {R2}{R1+R2}right]$. La corriente que fluye de los nodos c y b carga el condensador C hacia +V_sentado. Durante este período de carga, el voltaje a b se hace mayor que +β V_sentado en algún momento. El voltaje en la terminal de invertidos será mayor que el voltaje en la terminal de no invertido de la op-amp. Este es un circuito comparativo y por lo tanto, la salida se convierte en -V_sentado. El voltaje al nodo a se convierte en -βV_sentado debido a la división de tensión. Ahora el condensador descarga hacia -V_sentado. En algún momento, el voltaje a b se vuelve menos que -β V_sentado. El voltaje en el terminal no-invertir será mayor que el voltaje en el terminal de inversión de la op-amp. Así que la salida del op-amp es +V_sentado. Esto repite y forma un oscilador libre o un multivibrador astable.

Si V_C es el voltaje a través del capacitor y del gráfico, el período de tiempo de la onda formada en el capacitor y la salida coincidirían, entonces el período de tiempo podría calcularse de esta manera:

Gráfico mostrando la forma de onda de salida del O-Amp y la forma de onda formada a través del condensador C.

${displaystyle V_{c}=V_{c}(infty)+[V_{c}(0)-V_{c}(infty)]e^{tfrac} {-t} {R}}$

${displaystyle V_{c}(t)=V_{sat}+[-beta] V_{sat}-V_{sat}]e^{left({frac {-t} {}derecho)}$

En t =T1,

${displaystyle beta V_{sat}=V_{sat}(1-[beta +1]e^{tfrac {T1}{RC}}}}$

Al resolver, obtenemos:

${displaystyle T1=RCln left[{frac {1+beta }{1-beta }right]}$

Estamos tomando valores de R, C y β tales que obtenemos una onda cuadrada simétrica. Por lo tanto, obtenemos T1 = T2 y el período de tiempo total T = T1 + T2. Entonces, el período de tiempo de la onda cuadrada generada en la salida es:

${displaystyle T=2RCln left[{frac {1+beta }{1-beta }right]}$

Monoestable

Figure 2: Basic BJT monostable multivibrator

En el multivibrador monoestable, una red resistiva-capacitiva (C₂-R₃ en la Figura 1) se reemplaza por una red resistiva (solo una resistencia). El circuito puede pensarse como un multivibrador 1/2 astable. El voltaje del colector Q2 es la salida del circuito (a diferencia del circuito astable, tiene una forma de onda cuadrada perfecta ya que el capacitor no carga la salida).

Cuando se activa mediante un pulso de entrada, un multivibrador monoestable cambiará a su posición inestable durante un período de tiempo y luego volverá a su estado estable. El período de tiempo que el multivibrador monoestable permanece en estado inestable viene dado por t = ln(2)R₂C< sub>1. Si la aplicación repetida del pulso de entrada mantiene el circuito en un estado inestable, se denomina monoestable reactivable. Si los pulsos de disparo adicionales no afectan el período, el circuito es un multivibrador no reactivable.

Para el circuito de la Figura 2, en el estado estable, Q1 se apaga y Q2 se enciende. Se activa con una señal de entrada cero o negativa aplicada a la base Q2 (con el mismo éxito, se puede activar aplicando una señal de entrada positiva a través de una resistencia a la base Q1). Como resultado, el circuito pasa al Estado 1 descrito anteriormente. Transcurrido el tiempo, vuelve a su estado inicial estable.

Monoestable usando amplificador operacional

multivibrador monoestable usando op-amp

El circuito es útil para generar un pulso de salida único de duración ajustable en respuesta a una señal de disparo. El ancho del pulso de salida. depende solo de los componentes externos conectados al amplificador operacional. Un diodo D1 fija el voltaje del condensador a 0,7 V cuando la salida está en +Vsat. Supongamos que en el establo indique la salida Vo = +Vsat. El diodo D1 fija el condensador a 0,7 V. El voltaje en el terminal no inversor a través del divisor de potencial será + βVsat. Ahora se aplica un disparador negativo de magnitud V1 al terminal no inversor para que la señal efectiva en este terminal sea inferior a 0,7 V. Luego, el voltaje de salida cambia de +Vsat a -Vsat. El diodo ahora se polarizará inversamente y el capacitor comenzará a cargarse exponencialmente a -Vsat a través de R. El voltaje en la terminal no inversora a través del divisor de potencial será - βVsat. Después de algún tiempo, el capacitor se carga a un voltaje mayor que - βVsat. El voltaje en la entrada no inversora ahora es mayor que en la entrada inversora y la salida del amplificador operacional cambia nuevamente a +Vsat. El capacitor se descarga a través de la resistencia R y se vuelve a cargar 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

${displaystyle V_{o}=V_{f}+(V_{i}-V_{f}e^{-t/RC}}$

Donde ${displaystyle V_{f}=-V_{sat}}$ y ${displaystyle V_{i}=V_{d}$, el voltaje delantero del diodo. Por lo tanto,

${displaystyle V_{c}=-V_{text{sat}+(V_{d}+V_{text{sat})e^{-t/RC}}$

a ${displaystyle t=T}$,

${displaystyle V_{c}=-beta V_{text{sat}}$

${displaystyle -beta V_{text{sat}=-V_{text{sat}+(V_{d}+V_{text{sat})e^{-T/RC}$

después de la simplificación,

${displaystyle T=RCln left({1+V_{d}/V_{text{sat}over 1-beta }right)}$

Donde ${displaystyle beta ={R2 over R1+R2}$

Si ${displaystyle V_{text{sat}} {}} {}}} {}}}}$ y ${displaystyle R1=R2}$ así ${displaystyle beta =0.5}$, entonces ${displaystyle T=0.69RC}$

Biestable

Figura 3: Circuito multivibrador BJT interactivo de animación básica (valores aumentados: R1, R2 = 1 kΩ R3, R4 = 10 kΩ)

En el multivibrador biestable, ambas redes resistivas-capacitivas (C₁-R₂ y C₂-R_{3< /sub> en la Figura 1) se reemplazan por redes resistivas (solo resistencias o acoplamiento directo).}

Este circuito latch es similar a un multivibrador astable, excepto que no hay tiempo de carga o descarga debido a la ausencia de capacitores. Por lo tanto, cuando el circuito está encendido, si Q1 está encendido, su colector está a 0 V. Como resultado, Q2 se apaga. Esto da como resultado que se aplique más de la mitad de +V voltios a R4, lo que genera corriente en la base de Q1 y, por lo tanto, lo mantiene encendido. Por lo tanto, el circuito permanece estable en un solo estado de forma continua. De manera similar, Q2 permanece encendido continuamente, si sucede que se enciende primero.

El cambio de estado se puede realizar a través de los terminales Set y Reset conectados a las bases. Por ejemplo, si Q2 está encendido y Set está conectado a tierra momentáneamente, esto apaga Q2 y enciende Q1. Por lo tanto, Set se usa para "establecer" Q1 activado y Restablecer se usa para "restablecer" a estado apagado.