Disparador de Schmitt: ¿Qué es y cómo funciona?

Campo: Electricidad Básica

China

¿Qué es un Trigger de Schmitt?

Un Trigger de Schmitt es un circuito comparador con histéresis implementada mediante la aplicación de retroalimentación positiva a la entrada no inversora de un comparador o amplificador diferencial. Un Trigger de Schmitt utiliza dos umbrales de entrada diferentes para evitar el ruido en la señal de entrada. La acción de estos dos umbrales se conoce como histéresis.

El Trigger de Schmitt fue inventado por el científico estadounidense Otto H Schmitt en 1934.

El comparador normal contiene solo una señal umbral. Y compara la señal umbral con una señal de entrada. Pero, si la señal de entrada tiene ruido, puede afectar la señal de salida. a schmitt trigger.png

En la figura anterior, debido al ruido en las ubicaciones A y B, la señal de entrada (V1) cruza el nivel de la señal de referencia (V2). Durante este período, V1 es menor que V2 y la salida es baja.

Por lo tanto, la salida del comparador se ve afectada por el ruido en la señal de entrada. Y el comparador no está protegido contra el ruido.

La palabra "trigger" en "Trigger de Schmitt" proviene del hecho de que la salida mantiene su valor hasta que la entrada varía lo suficiente para "activar" un cambio.

¿Cómo funciona un Trigger de Schmitt?

El Trigger de Schmitt proporciona resultados adecuados incluso si la señal de entrada es ruidosa. Utiliza dos voltajes de umbral; uno es el voltaje de umbral superior (VUT) y el segundo es el voltaje de umbral inferior (VLT).

La salida del Trigger de Schmitt permanece baja hasta que la señal de entrada cruza VUT. Una vez que la señal de entrada supera este límite VUT, la señal de salida del Trigger de Schmitt permanece alta hasta que la señal de entrada está por debajo del nivel de VLT.

Entendamos el funcionamiento del Trigger de Schmitt con un ejemplo. Aquí asumimos que la entrada inicial es cero.

Efecto de ruido con el Disparador Schmitt

Aquí, hemos asumido que la señal de entrada inicial es cero y aumenta gradualmente como se muestra en la figura anterior.

La señal de salida del disparador Schmitt permanece baja hasta el punto A. En el punto A, la señal de entrada cruza por encima del nivel del umbral superior (VUT) y genera una señal de salida alta.

La señal de salida permanece alta hasta el punto B. En el punto B, la señal de entrada cruza por debajo del umbral inferior. Y esto hace que la señal de salida sea baja.

Y nuevamente, en el punto C, cuando la señal de entrada cruza por encima del umbral superior, la salida es alta.

En esta condición, podemos ver que la señal de entrada es ruidosa. Pero el ruido no afecta a la señal de salida.

Circuito del Disparador Schmitt

El circuito del disparador Schmitt utiliza retroalimentación positiva. Por lo tanto, este circuito también se conoce como circuito comparador regenerativo. El circuito del disparador Schmitt puede diseñarse con la ayuda de Op-Amp y Transistor. Y se clasifica como;

Disparador Schmitt basado en Op-Amp
Disparador Schmitt basado en Transistor

Disparador Schmitt basado en Op-Amp

El circuito del disparador Schmitt puede diseñarse utilizando un Op-Amp de dos maneras. Si la señal de entrada está conectada al punto inversor del Op-Amp, se conoce como Disparador Schmitt Inversor. Y si la señal de entrada está conectada al punto no inversor del Op-Amp, se conoce como Disparador Schmitt No Inversor.

Disparador Schmitt Inversor

En este tipo de disparador Schmitt, la entrada se da en el terminal inversor del amplificador operacional. Y la retroalimentación positiva va desde la salida a la entrada.

Ahora, vamos a entender cómo funciona este circuito. En el punto A, el voltaje es V y el voltaje aplicado (voltaje de entrada) es Vin. Si el voltaje aplicado Vin es mayor que V, la salida del circuito será baja. Y si el voltaje aplicado Vin es menor que V, la salida del circuito será alta.

$V_{in} > V \quad V_{out} = V_L$

$V_{in} < V \quad V_{out} = V_H$

Ahora, calculemos la ecuación de V.

Aplicando la Ley de Corrientes de Kirchhoff (KCL),

$\frac{V-0}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V (\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{out}$

Ahora, supongamos que la salida del disparador de Schmitt es alta. En esta condición

$V_{out} = V_H \quad and \quad V=V_1$

Por lo tanto, de la ecuación anterior;

$V_1 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

Cuando la señal de entrada es mayor que V1, la salida del disparador Schmitt se volverá baja. Por lo tanto, V1 es un voltaje umbral superior (VUT).

$V_{UT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

La salida permanecerá baja hasta que la señal de entrada sea menor que V. Cuando la salida del disparador Schmitt es baja, en esta condición,

$V_{out} = V_L \quad and \quad V=V_2$

$V_2 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

Ahora, la salida permanece alta hasta que la señal de entrada es menor que V2. Por lo tanto, V2 se conoce como el voltaje umbral inferior (VLT).

$V_{LT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

Disparador de Schmitt no inversor

En el disparador de Schmitt no inversor, la señal de entrada se aplica en el terminal no inversor del amplificador operacional. Y se aplica retroalimentación positiva desde la salida a la entrada. El terminal inversor del amplificador operacional está conectado al terminal de tierra. El diagrama del circuito del disparador de Schmitt no inversor se muestra en la figura siguiente.

En este circuito, la salida del disparador de Schmitt será alta cuando el voltaje V sea mayor que cero. Y la salida será baja cuando el voltaje V sea menor que cero.

$V>0 , V_{out} = V_H$

$V<0 , V_{out} = V_L$

Ahora, encontremos la ecuación del voltaje V. Para ello, aplicamos KCL en ese nodo.

$\frac{V-V_{in}}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} - \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V \left(\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2} \right) = \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{out}$

Ahora, supongamos que la salida del amplificador operacional es baja. Por lo tanto, el voltaje de salida del disparador Schmitt es VL. Y el voltaje V es igual a V1.

En esta condición,

$V_{out} = V_L \quad and \quad V = V_1$

De la ecuación anterior,

$V_1 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

Cuando el voltaje V1 es mayor que cero, la salida será alta. En esta condición,

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} > - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

$V_{in} > -\frac{R_1}{R_2} V_L$

Cuando se cumple la condición anterior, la salida será alta. Por lo tanto, esta ecuación da el valor del voltaje umbral superior (VUT).

$V_{UT} = - \frac{R_1}{R_2} V_L$

Ahora supongamos que la salida del disparador Schmitt es alta. Y el voltaje V es igual a V2.

$V_{out} = V_H \quad and \quad V = V_2$

A partir de la ecuación de voltaje V.

$V2 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

La salida del disparador Schmitt se volverá baja cuando el voltaje V2 sea menor que cero. En esta condición,

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} < - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

$\[ V_{in} < -\frac{R_1}{R_2} V_H$

La ecuación anterior proporciona el valor del voltaje umbral inferior (VLT).

$V_{LT} = -\frac{R_1}{R_2} V_H$

Disparador de Schmitt basado en transistores

El circuito del disparador de Schmitt puede diseñarse con la ayuda de dos transistores. El diagrama del circuito del disparador de Schmitt basado en transistores se muestra a continuación.

Vin = voltaje de entrada
Vref = Voltaje de referencia = 5V

Supongamos que, al inicio, el voltaje de entrada Vin es cero. El voltaje de entrada se aplica a la base del transistor T1. Por lo tanto, en esta condición, el transistor T1 opera en la región de corte y permanece no conductor.

Va y Vb son los voltajes de nodo. El voltaje de referencia es de 5V. Por lo tanto, podemos calcular los valores de Va y Vb mediante la regla del divisor de tensión.

Se aplica un voltaje Vb a la base del transistor T2. Este voltaje es de 1.98V. Por lo tanto, el transistor T2 está conduciendo. Debido a esto, la salida del disparador de Schmitt es baja. La caída de tensión en el emisor es aproximadamente 0.7V. Por lo tanto, el voltaje en la base del transistor es de 1.28V.

El emisor del transistor T2 está conectado con el emisor del transistor T1. Por lo tanto, ambos transistores operan al mismo nivel, a 1.28V.

Esto significa que el transistor T1 comenzará a funcionar cuando la tensión de entrada sea 0.7V superior a 1.28V, o más de 1.98V (1.28V + 0.7V).

Ahora, si aumentamos la tensión de entrada por encima de 1.98V, el transistor T1 comenzará a conducir. Esto provoca una caída de tensión en la base del transistor T2 y cortará el transistor T2. Debido a esto, la salida del disparador de Schmitt será alta.

La tensión de entrada comienza a disminuir. El transistor T1 se cortará cuando la tensión de entrada sea 0.7V menor que 1.98V, es decir, 1.28V. En esta condición, el transistor T2 recibe suficiente voltaje desde la tensión de referencia y se encenderá. Esto hace que la salida del disparador de Schmitt sea baja.

Por lo tanto, en esta condición, tenemos dos umbrales, un umbral inferior a 1.28V y un umbral superior a 1.98V.

Oscilador de Disparador de Schmitt

El disparador de Schmitt puede usarse como un oscil l ador conectando un solo circuito integrado RC. El diagrama del circuito del oscilador de disparador de Schmitt se muestra en la figura siguiente.

La salida del circuito es una onda cuadrada continua. Y la frecuencia de la forma de onda depende del valor de R, C y el punto de umbral del disparo Schmitt.

$f = \frac{k}{RC}$

Donde k es una constante y varía entre 0.2 y 1.

Disparo Schmitt CMOS

El circuito inversor de señal simple proporciona una señal de salida opuesta a la señal de entrada. Por ejemplo, si la señal de entrada es alta, la señal de salida es baja para un circuito inversor simple. Pero si la señal de entrada tiene picos (ruido), la señal de salida reaccionará a estos picos. Esto no es lo que queremos. Por lo tanto, se utiliza el disparo Schmitt CMOS.

Forma de onda del circuito inversor de señal simple

En la primera forma de onda, la señal de entrada no tiene ruido. Por lo tanto, la salida es perfecta. Pero en la segunda figura, la señal de entrada tiene algo de ruido. La salida también reacciona a este ruido. Para evitar esta condición, se utiliza el disparo Schmitt CMOS.

El siguiente diagrama de circuito muestra la construcción del disparo Schmitt CMOS. El disparo Schmitt CMOS consta de 6 transistores, incluyendo transistores PMOS y NMOS.

Primero, necesitamos saber, ¿qué son los transistores PMOS y NMOS? Los símbolos de los transistores PMOS y NMOS están en la siguiente figura.

El transistor NMOS conduce cuando VG es mayor que VS o VD. Y el transistor PMOS conduce cuando VG es menor que VS o VD. En el disparo Schmitt CMOS, se añaden un transistor PMOS y un transistor NMOS a un circuito inversor simple.

En el primer caso, el voltaje de entrada es alto. En esta condición, el transistor PN está encendido y el transistor NN está apagado. Y esto crea una ruta a tierra para el nodo A. Por lo tanto, la salida del disparador Schmitt CMOS será cero.

En el segundo caso, el voltaje de entrada es alto. En esta condición, el transistor NN está encendido y el transistor PN está apagado. Esto creará una ruta al voltaje VDD (Alto) para el nodo B. Por lo tanto, la salida del disparador Schmitt CMOS será alta.

Aplicaciones del disparador Schmitt

Las aplicaciones del disparador Schmitt son las siguientes.

El disparador Schmitt se utiliza para convertir ondas sinusoidales y triangulares en ondas cuadradas.
La aplicación más importante del disparador Schmitt es eliminar el ruido en los circuitos digitales.
También se usa como generador de funciones.
Se utiliza para implementar un oscilador.
Los disparadores Schmitt con el circuito RC se usan para desacoplar interruptores.

Fuente: Electrical4u.

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