Trigger de Schmitt: Que é e como funciona?

Campo: Electrónica Básica

China

Que é un Trigger de Schmitt?

Un Trigger de Schmitt é un circuito comparador con histerese implementado aplicando realimentación positiva á entrada non inversora dun comparador ou amplificador diferencial amplificador. O Trigger de Schmitt usa dous limiares de tensión de entrada diferentes para evitar o ruido na sinal de entrada. A acción deste dobre limiar coñécese como histerese.

O Trigger de Schmitt foi inventado polo científico americano Otto H Schmitt en 1934.

O comparador normal só contén unha sinal de limiar. E compara a sinal de limiar cunha sinal de entrada. Pero, se a sinal de entrada ten ruido, pode afectar á sinal de saída. a schmitt trigger.png

Na figura anterior, debido ao ruido nas localizacións A e B, a sinal de entrada (V1) cruza o nivel da sinal de referencia (V2). Durante este período, V1 é menor que V2 e a saída é baixa.

Por tanto, a saída do comparador está afectada polo ruido na sinal de entrada. E o comparador non está protexido do ruido.

O "trigger" no nome "Trigger de Schmitt" provén do feito de que a saída mantense o seu valor ata que a entrada varíe suficientemente para "activar" un cambio.

Como funciona un Trigger de Schmitt?

O Trigger de Schmitt dá resultados correctos mesmo se a sinal de entrada é ruidosa. Usa dúas voltaxes de limiar; unha é a tensión de limiar superior (VUT) e a segunda é a tensión de limiar inferior (VLT).

A saída do Trigger de Schmitt permanece baixa até que a sinal de entrada cruce VUT. Unha vez que a sinal de entrada cruza este límite VUT, a sinal de saída do Trigger de Schmitt permanece alta ata que a sinal de entrada estea por debaixo do nivel de VLT.

Entendamos o funcionamento do Trigger de Schmitt cun exemplo. Aquí asumimos que a entrada inicial é cero.

Efecto do ruido con Trigger de Schmitt

Aquí, asumimos que a sinal de entrada inicial é cero e aumenta gradualmente como se mostra na figura superior.

A sinal de saída do Trigger de Schmitt permanece baixa ata o punto A. No punto A, a sinal de entrada cruza por riba do nivel do limiar superior (VUT) e produce unha sinal de saída alta.

A sinal de saída permanece alta ata o punto B. No punto B, a sinal de entrada cruza por debaixo do limiar inferior. E iso fai que a sinal de saída sexa baixa.

E de novo, no punto C, cando a sinal de entrada cruza por riba do limiar superior, a sinal de saída é alta.

Nesta condición, podemos ver que a sinal de entrada é ruidosa. Pero o ruido non afecta a sinal de saída.

Circuíto Trigger de Schmitt

O circuíto Trigger de Schmitt usa retroalimentación positiva. Polo tanto, este circuíto tamén é coñecido como o circuito comparador regenerativo. O circuíto Trigger de Schmitt pode ser deseñado coa axuda de Op-Amp e Transistor. E clasifícase como;

Trigger de Schmitt baseado en Op-Amp
Trigger de Schmitt baseado en Transistor

Trigger de Schmitt baseado en Op-Amp

O circuíto Trigger de Schmitt pode ser deseñado usando Op-Amp de dúas maneiras. Se a sinal de entrada está conectada ao punto inversor do Op-Amp, chámase Trigger de Schmitt Inversor. E se a sinal de entrada está conectada ao punto non inversor do Op-Amp, chámase Trigger de Schmitt Non Inversor.

Trigger de Schmitt Inversor

Neste tipo de disparador de Schmitt, a entrada é dada no terminal inversor do amplificador operacional E o realimentación positiva desde a saída até a entrada.

Agora, vamos entender como funciona este circuito. No punto A, a tensión é V e a tensión aplicada (tensión de entrada) é Vin. Se a tensión aplicada Vin é maior que V, a saída do circuito será baixa. E se a tensión aplicada Vin é menor que V, a saída do circuito será alta.

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

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

Agora, calcule a ecuación de V.

Aplicando a Lei da corrente de Kirchhoff (KCL),

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

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

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

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

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

Agora, supoñamos que a saída do disparador de Schmitt está alta. Nesta condición

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

Así, a partir da ecuación anterior;

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

Cando a sinal de entrada é maior que V1, a saída do disparador de Schmitt converterase en baixa. Polo tanto, V1 é unha tensión de limiar superior (VUT).

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

A saída permanecerá baixa ata que a sinal de entrada sexa menor que V. cando a saída do disparador de Schmitt é baixa, nesta condición,

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

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

Agora, a saída permanece alta até que o sinal de entrada sexa menor que V2. Polo tanto, o V2 coñécese como un voltaxe de limiar inferior (VLT).

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

Disparador de Schmitt non inversor

No disparador de Schmitt non inversor, o sinal de entrada aplica-se no terminal non inversor do amplificador operacional. E a retroalimentación positiva aplícase dende a saída á entrada. O terminal inversor do amplificador operacional conéctase ao terminal de terra. O diagrama do circuito do disparador de Schmitt non inversor é o mostrado na figura seguinte.

Neste circuito, a saída do disparador de Schmitt será alta cando o voltaxe V sexa maior que cero. E a saída será baixa cando o voltaxe V sexa menor que cero.

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

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

Agora, encontremos a ecuación do voltaxe V. Para iso, aplicamos KCL nese nodo.

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

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

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

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

Agora, supoñamos que a saída do Op-Amp é baixa. Polo tanto, a tensión de saída do disparador de Schmitt é VL. E a tensión V é igual a V1.

Nesta condición,

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

A partir da ecuación anterior,

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

Cando o voltaxe V1 é maior que cero, a saída será alta. Nesta condición,

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

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

Cando se satisfai a condición anterior, a saída será alta. polo tanto, esta ecuación dá o valor da tensión de limiar superior (VUT).

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

Agora supóñase que a saída do disparador Schmitt é alta. E a tensión V é igual a V2.

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

A partir da ecuación de tensión V.

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

A saída do disparador de Schmitt converterase en baixa cando a tensión V2 sexa menor que cero. Nesta 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$

A ecuación anterior dá o valor do voltaxe do limiar inferior (VLT).

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

Disparador de Schmitt baseado en transistores

O circuito do disparador de Schmitt pode ser deseñado coa axuda de dous transistores. O diagrama do circuito do disparador de Schmitt baseado en transistores está dado no seguinte circuito.

Vin = voltaxe de entrada
Vref = Voltaxe de referencia = 5V

Supoñamos que, ao comezo, a voltaxe de entrada Vin é cero. A voltaxe de entrada dáse na base do transistor T1. Polo tanto, nesta condición, o transistor T1 opera na rexión de corte e permanece non conductor.

Va e Vb son as voltaxes dos nodos. A voltaxe de referencia é 5V. Polo tanto, podemos calcular o valor de Va e Vb pola regra do divisor de tensión.

A tensión Vb dáse á base do transistor T2. E é de 1.98V. Polo tanto, o transistor T2 está conducindo. E debido a isto, a saída do disparador de Schmitt é baixa. A caída no emisor é aproximadamente 0.7V. Así, a tensión na base do transistor é 1.28V.

O emisor do transistor T2 está conectado co emisor do transistor T1. Polo tanto, ambos os transistores operan ao mesmo nivel a 1.28V.

Isto significa que o transistor T1 operará cando a tensión de entrada sexa 0.7V superior a 1.28V ou máis de 1.98V (1.28V + 0.7V).

Agora, aumentamos a tensión de entrada máis de 1.98V, e o transistor T1 comezará a conducir. Isto provoca unha caída da tensión na base do transistor T2 e cortará o transistor T2. E debido a isto, a saída do disparador de Schmitt é alta.

A tensión de entrada comeza a diminuír. O transistor T1 cortará cando a tensión de entrada sexa 0.7V menos que 1.98V e será 1.28V. Nesta condición, o transistor T2 recibe suficiente tensión desde a tensión de referencia, e actívase. Isto fai que a saída do disparador de Schmitt sexa baixa.

Polo tanto, nesta condición, temos dous umbrais, un umbral inferior en 1.28V e un umbral superior en 1.98V.

Oscilador de disparador de Schmitt

O disparador de Schmitt pode usarse como un oscil l ador conectando un circuito integrado RC. O diagrama do circuito do oscilador de disparador de Schmitt é como se mostra na figura seguinte.

A saída do circuito é uma onda quadrada contínua. E a frequência da forma de onda depende do valor de R, C e do ponto de limiar do Trigger de Schmitt.

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

Onde k é uma constante e varia entre 0,2 e 1.

Trigger de Schmitt CMOS

O circuito simples de inversor de sinal dá o sinal de saída oposto ao sinal de entrada. Por exemplo, se o sinal de entrada é alto, o sinal de saída é baixo para um circuito inversor simples. Mas se o sinal de entrada tiver picos (ruído), o sinal de saída reagirá à mudança num pico. Isso não é desejável. Portanto, utiliza-se o trigger de Schmitt CMOS.

Forma de onda do circuito inversor de sinal simples

Na primeira forma de onda, o sinal de entrada não tem ruído. Assim, a saída é perfeita. Mas na segunda figura, o sinal de entrada tem algum ruído. A saída também reage a este ruído. Para evitar esta condição, utiliza-se o trigger de Schmitt CMOS.

O diagrama de circuito abaixo mostra a construção do trigger de Schmitt CMOS. O Trigger de Schmitt CMOS consiste en 6 transistores, incluíndo transistores PMOS e NMOS.

Primeiro, precisamos saber, o que são os transistores PMOS e NMOS? Os símbolos dos transistores PMOS e NMOS estão na figura abaixo.

O transistor NMOS conduz quando VG é maior que VS ou VD. E o transistor PMOS conduz quando VG é menor que VS ou VD. No trigger de Schmitt CMOS, um transistor PMOS e um transistor NMOS são adicionados a um circuito inversor simples.

No primeiro caso, a tensión de entrada é alta. Nesta condición, o transistor PN está ON e o transistor NN está OFF. E crea unha ruta ao terra para o nodo-A. Polo tanto, a saída do disparador Schmitt CMOS será cero.

No segundo caso, a tensión de entrada é alta. Nesta condición, o transistor NN está ON e o transistor PN está OFF. Creará unha ruta á tensión VDD (Alta) para o nodo-B. Polo tanto, a saída do disparador Schmitt CMOS será alta.

Aplicacións do disparador Schmitt

As aplicacións do disparador Schmitt son as seguintes.

O disparador Schmitt empregase para converter ondas senoidais e triangulares en ondas cadradas.
O uso máis importante dos disparadores Schmitt é eliminar o ruido nos circuitos dixitais.
Tamén se emprega como xerador de funcións.
Úsase para implementar un oscilador.
Os disparadores Schmitt con o circuíto RC empreganse para debouncing de interruptores.

Fonte: Electrical4u.

Declaración: Respetar o original, bons artigos méritan ser compartidos, se hai infracción contacte para eliminar.

Dá unha propina e anima ao autor

Temas:

Teoría de circuitos

Trigger de Schmitt