Disparador de Schmitt: O que é e como funciona

Campo: Eletricidade Básica

China

O que é um Trigger de Schmitt?

Um Trigger de Schmitt é um circuito comparador com histerese implementado aplicando realimentação positiva à entrada não inversora de um comparador ou amplificador diferencial amplificador. Um Trigger de Schmitt usa duas entradas com diferentes limiares de tensão para evitar ruídos no sinal de entrada. A ação deste duplo limiar é conhecida como histerese.

O Trigger de Schmitt foi inventado pelo cientista americano Otto H Schmitt em 1934.

O comparador normal contém apenas um sinal de limiar. E ele compara o sinal de limiar com o sinal de entrada. Mas, se o sinal de entrada tiver ruído, isso pode afetar o sinal de saída. a schmitt trigger.png

Na figura acima, devido ao ruído nos pontos A e B, o sinal de entrada (V1) cruza o nível do sinal de referência (V2). Durante esse período, V1 é menor que V2 e a saída é baixa.

Portanto, a saída do comparador é afetada pelo ruído no sinal de entrada. E o comparador não está protegido contra o ruído.

O "trigger" no nome "Trigger de Schmitt" vem do fato de que a saída mantém seu valor até que a entrada varie suficientemente para "acionar" uma mudança.

Como funciona um Trigger de Schmitt?

O Trigger de Schmitt fornece resultados adequados mesmo se o sinal de entrada for ruidoso. Ele usa duas tensões de limiar; uma é a tensão de limiar superior (VUT) e a segunda é a tensão de limiar inferior (VLT).

A saída do Trigger de Schmitt permanece baixa até que o sinal de entrada ultrapasse VUT. Uma vez que o sinal de entrada ultrapassa este limite VUT, o sinal de saída do Trigger de Schmitt permanece alto até que o sinal de entrada esteja abaixo do nível de VLT.

Vamos entender o funcionamento do Trigger de Schmitt com um exemplo. Aqui, assumimos que a entrada inicial é zero.

Efeito de ruído com Gatilho de Schmitt

Aqui, assumimos que o sinal de entrada inicial é zero e aumenta gradualmente, conforme mostrado na figura acima.

O sinal de saída do gatilho de Schmitt permanece baixo até o ponto A. No ponto A, o sinal de entrada ultrapassa o nível do limiar superior (VUT) e produz um sinal de saída alto.

O sinal de saída permanece alto até o ponto B. No ponto B, o sinal de entrada cai abaixo do limiar inferior. E isso faz com que o sinal de saída fique baixo.

E novamente, no ponto C, quando o sinal de entrada ultrapassa o limiar superior, a saída fica alta.

Nessa condição, podemos ver que o sinal de entrada é ruidoso. Mas o ruído não afeta o sinal de saída.

Circuito Gatilho de Schmitt

O circuito gatilho de Schmitt usa realimentação positiva. Portanto, este circuito também é conhecido como circuito comparador regenerativo. O circuito Gatilho de Schmitt pode ser projetado com a ajuda de Amplificador Operacional e Transistor. E ele é classificado em:

Gatilho de Schmitt baseado em amplificador operacional
Gatilho de Schmitt baseado em transistor

Gatilho de Schmitt Baseado em Amplificador Operacional

O circuito gatilho de Schmitt pode ser projetado usando um amplificador operacional de duas maneiras. Se o sinal de entrada for conectado ao ponto inversor do amplificador operacional, é conhecido como Gatilho de Schmitt Inversor. E se o sinal de entrada for conectado ao ponto não-inversor do amplificador operacional, é conhecido como Gatilho de Schmitt Não-Inversor.

Gatilho de Schmitt Inversor

Neste tipo de gatilho de Schmitt, a entrada é dada no terminal inversor do amplificador operacional. E o feedback positivo da saída para a entrada.

Agora, vamos entender como este circuito funciona. No ponto A, a tensão é V e a tensão aplicada (tensão de entrada) é Vin. Se a tensão aplicada Vin for maior que V, a saída do circuito será baixa. E se a tensão aplicada Vin for 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 equação de V.

Aplicando Lei de 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, vamos supor que a saída do disparador de Schmitt esteja alta. Nesta condição

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

Portanto, a partir da equação acima;

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

Quando o sinal de entrada é maior que V1, a saída do disparador Schmitt se tornará baixa. Portanto, V1 é a tensão de limiar superior (VUT).

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

A saída permanecerá baixa até que o sinal de entrada seja menor que V. Quando a saída do disparador Schmitt é baixa, nessa condição,

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

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

Agora, a saída permanece alta até que o sinal de entrada seja menor que V2. Portanto, V2 é conhecido como tensão de limiar inferior (VLT).

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

Gatilho de Schmitt Não Inversor

No gatilho de Schmitt não inversor, o sinal de entrada é aplicado no terminal não inversor do amplificador operacional. E realimentação positiva é aplicada da saída para a entrada. O terminal inversor do amplificador operacional está conectado ao terminal de terra. O diagrama do circuito do gatilho de Schmitt não inversor é mostrado na figura abaixo.

Neste circuito, a saída do gatilho de Schmitt será alta quando a tensão V for maior que zero. E a saída será baixa quando a tensão V for menor que zero.

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

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

Agora, vamos encontrar a equação da tensão V. Para isso, aplicamos KCL nesse nó.

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

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

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

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

Agora, suponha que a saída do amplificador operacional esteja baixa. Portanto, a tensão de saída do disparador Schmitt é VL. E a tensão V é igual a V1.

Nessa condição,

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

Da equação acima,

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

Quando a tensão V1 for maior que zero, a saída será alta. Nessa condição,

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

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

Quando a condição acima for satisfeita, a saída será alta. Portanto, essa equação fornece o valor da tensão de limiar superior (VUT).

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

Agora, suponha que a saída do disparador de Schmitt seja alta. E a tensão V seja igual a V2.

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

A partir da equação de tensão 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 ficará baixa quando a tensão V2 for menor que zero. Nessa condição,

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

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

A equação acima fornece o valor da tensão de limiar inferior (VLT).

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

Disparador de Schmitt baseado em transistores

O circuito do disparador de Schmitt pode ser projetado com a ajuda de dois transistores. O diagrama do circuito do disparador de Schmitt baseado em transistores é dado no circuito abaixo.

Vin = tensão de entrada
Vref = Tensão de referência = 5V

Vamos supor que, no início, a tensão de entrada Vin seja zero. A tensão de entrada é fornecida à base do transistor T1. Portanto, nesta condição, o transistor T1 opera na região de corte e permanece não condutor.

Va e Vb são as tensões nos nós. A tensão de referência é dada como 5V. Portanto, podemos calcular os valores de Va e Vb pela regra do divisor de tensão.

A tensão Vb é fornecida à base do transistor T2. E ela é de 1,98V. Portanto, o transistor T2 está conduzindo. E, devido a isso, a saída do gatilho de Schmitt está baixa. A queda no emissor é de aproximadamente 0,7V. Portanto, a tensão na base do transistor é de 1,28V.

O emissor do transistor T2 está conectado ao emissor do transistor T1. Portanto, ambos os transistores operam no mesmo nível de 1,28V.

Isso significa que o transistor T1 irá operar quando a tensão de entrada for 0,7V acima de 1,28V ou mais de 1,98V (1,28V + 0,7V).

Agora, aumentamos a tensão de entrada para mais de 1,98V, e o transistor T1 começará a conduzir. Isso causa uma queda de tensão na base do transistor T2 e ele cortará o transistor T2. E, devido a isso, a saída do gatilho de Schmitt estará alta.

A tensão de entrada começa a diminuir. O transistor T1 será cortado quando a tensão de entrada for 0,7V menor que 1,98V, que é 1,28V. Nessa condição, o transistor T2 receberá tensão suficiente da tensão de referência e se ligará. Isso faz com que a saída do gatilho de Schmitt fique baixa.

Portanto, nessa condição, temos dois limiares, um limiar inferior de 1,28V e um limiar superior de 1,98V.

Oscilador Gatilho de Schmitt

O Gatilho de Schmitt pode ser usado como um oscil l ador conectando um circuito integrado RC. O diagrama do circuito do oscilador Gatilho de Schmitt é mostrado na figura abaixo.

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 fornece o sinal de saída oposto ao sinal de entrada. Por exemplo, se o sinal de entrada for alto, o sinal de saída será baixo para um circuito de inversor simples. Mas se o sinal de entrada tiver picos (ruído), o sinal de saída reagirá a esses picos. Isso não é desejável. Portanto, o Trigger de Schmitt CMOS é utilizado.

Forma de onda do circuito de inversor de sinal simples

Na primeira forma de onda, o sinal de entrada não tem ruído. Portanto, a saída é perfeita. Mas na segunda figura, o sinal de entrada tem algum ruído. A saída também reage a esse ruído. Para evitar essa condição, usa-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 em 6 transistores, incluindo transistores PMOS e NMOS.

Primeiro, precisamos saber, o que são 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 de inversor simples.

No primeiro caso, a tensão de entrada é alta. Nessa condição, o transistor PN está ligado e o transistor NN está desligado. E isso cria um caminho para o terra para o nó-A. Portanto, a saída do gatilho Schmitt CMOS será zero.

No segundo caso, a tensão de entrada é alta. Nessa condição, o transistor NN está ligado e o transistor PN está desligado. Isso criará um caminho para a tensão VDD (Alta) para o nó-B. Portanto, a saída do gatilho Schmitt CMOS será alta.

Aplicações do Gatilho Schmitt

As aplicações do gatilho Schmitt são as seguintes.

O gatilho Schmitt é usado para transformar ondas senoidais e triangulares em ondas quadradas.
A aplicação mais importante dos gatilhos Schmitt é remover ruído em circuitos digitais.
Também é usado como gerador de funções.
É utilizado para implementar um oscilador.
Gatilhos Schmitt com o circuito RC são usados para debouncing de interruptores.

Fonte: Electrical4u.

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Teoria de Circuitos

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