Disparadores de Schmitt.

 

El comparador.

 

Es un circuito que analiza una señal de voltaje en una entrada con un voltaje de referencia en la otra entrada.

¿ Cómo funciona un comparador  hecho con un amplificador operacional ?

Cuando V1 > V2 la salida vale V0 = -Vcc.

            Cuando V1 < V2 la salida vale V0 = + Vcc.

 

            ¿ Qué problema ocasionan los ruidos superpuestos a las señales en un comparador ?

 

            Un comparador no funciona con propiedad si está presente el ruido en cualquier entrada pero podemos hacer que responda menos a él mediante la realimentación positiva.

 

Si Ei se aproxima muy lentamente a V. ref. O flota cerca de V. ref., Vo puede seguir todas las oscilaciones del voltaje de ruido o bien entrar bruscamente en oscilación de alta frecuencia. Estos cruces en falso pueden eliminarse por la realimentación positiva.

 

La realimentación positiva.

 

            Se lleva a cabo tomando una fracción del voltaje de salida Vo y aplicándola a la entrada (+).

 

El voltaje de salida Vo se divide entre R1 y R2. Una fracción de Vo se realimenta a la entrada (+) y crea un voltaje de referencia que depende de Vo.

 

Voltaje de umbral superior.

 

Cuando Vo = + Vcc el voltaje realimentado se denomina “voltaje de umbral superior VUT”. El VUT se expresa en función del divisor de voltaje como

 

 

                        VUT = ( ( R2/(R1+R2) ) (+ Vcc)

 

Para los valores de Ei inferiores a VUT o VLT, el voltaje en la entrada (+) es mayor que el voltaje (-). Por tanto, Vo está fijado a + Vcc.

            Si Ei se hace ligeramente más positivo que VUT, la polaridad de Ed, como se muestra, se invierte y Vo comienza a caer en valor. Ahora la fracción de Vo realimentada a la entrada positiva es menor, de modo que Ed se vuelve más grande. Vo cae entonces con más velocidad y se impulsa rápidamente a – Vcc. El circuito entonces es estable en la condición que se muestra en la figua siguiente.

Voltaje de umbral inferior.

 

            Cuando Vo está en –Vcc, el voltaje de realimentación a la entrada (+) se denomina 2voltaje de umbral inferior VLT” y está dado por

 

                        VLT = ( ( R2/(R1+R2) ) (- Vcc)

 

Obsérvese  que VLT es negativo con respecto a tierra. Por tanto, Vo permanecerá en +Vcc en tanto que Ei sea mayor, o positivo con respecto a VLT o VUT. Vo cambiará regresando a +Vcc si Ei se vuelve más negativo que, o abajo, de VLT.

 

            Se concluye que la realimentación positiva induce una acción casi instantánea para cambiar Vo con mucha velocidad de un límite a otro. Una vez que Vo comienza a cambiar, causa velocidad regeneradora que hace que Vo cambie aun con más velocidad. Si los valores de umbral son más grandes que los voltajes pico del ruido, la retroalimentación positiva eliminará las transiciones falsas de salida.

Histéresis.

 

            Hay una técnica estándar para mostrar el comportamiento de un comparador en una gráfica en lugar de dos gráficas.

            Al graficar Ei en el eje horizontal y Vo en en el eje vertical, se obtiene la característica de voltaje de entrada-salida, como en la figura siguiente.

Para Ei menor de VLT, Vo = +Vcc. La línea vertical de bajada muestra Vo que va desde +Vcc hasta –Vcc conforme Ei se vuelve mayor que Vut. La línea vertical de subida muestra Vo cambiando desde –Vcc hasta +Vcc cuando Ei se vuelve menor que VLT.

 

            La diferencia en voltajes entre VUT y VLT se denomina “voltaje de histéresis VH”.

Siempre que cualquier circuito cambia de un estado a un segundo estado a cierta señal de entrada, entonces revierte del segundo al primer estado a una señal de entrada diferente, se dice que el circuito exhibe “histéresis. Para el comparador de realimentación positiva, la diferencia en las señales de entrada es

 

                        VH = VUT – VLT

 

            Si el voltaje de histéresis está diseñado para ser mayor que el voltaje de ruido de pico a pico, no habrá cruces falsos de salida. Por tanto, VH indica que tanto ruido de pico a pico puede soportar el circuito.

Elemento de memoria.

 

            Si Ei tiene un valor que cae entre VLT y VUT, es imposible predecir el valor de Vo a menos que ya se conozca el valor de Vo. Por ejemplo, supóngase que se sustituye por tierra Ei (Ei = 0 v.) y se activa la potencia. El amplificador operacional pasará ya sea a +Vcc o –Vcc, dependiendo de la presencia inevitable de ruido. Si el amplificador operacional pasa a +Vcc, entonces Ei deberá ir arriba de VUT con objeto de cambiar la salida. Si ha pasado a –Vcc, entonces Ei tendrá que irse debajo de VLT para cambiar a Vo.

 

            Por tanto, el comparador con histéresis presenta la propiedad de memoria. Esto es, si Ei cae entre VUT y VLT ( dentro del voltaje de histéresis), el amplificador operacional recuerda ya sea que el último valor de cambio de Ei estuvo arriba de VUT o debajo de VLT.

 

 

Detectores de nivel de voltaje con histéresis.

 

            También es deseable tener una colección de circuitos que presenten histéresis alrrededor de un voltaje de centro que es positivo o negativo.

 

                        VH = VUT – VLT

           

            El voltaje de histéresis VH debe centrarse en el promedio de VUT y VLT. Este promedio se denomina voltaje centrado VCTR, donde

 

                        VCTR = (VUT + VLT)/2

 

            Cuando se trata de construir este tipo de detector de nivel de voltaje, es deseable tener cuatro características:

 

1)      Una resistencia ajustable para establecer y refinar el valor de VH.

2)      Una resistencia ajustable separada para establecer el valor de VCTR.

3)      El ajuste de VH y VCTR no debe interaccionar.

4)      El voltaje centrado VCTR debe igualar, o estar relacionado en forma simple con un voltaje externo de referencia Vref.

Los siguientes circuitos no tienen todas esas características, pero sí un reducido número de componentes y, en consecuencia, bajo costo.

 

            Detector no inversor de nivel de voltaje con histéresis.

 

            La resistencia de retroalimentación positiva de la salida a la entrada (+) indica la presencia de histéresis en el circuito de la figura. Ei se aplica a través de R a la entrada (+), de modo que el circuito es no inversor. (Obsérvese que Ei debe ser una fuente de baja impedancia o la salida ya sea de un seguidor de voltaje o un amplificador operacional amplificador.) El voltaje de referencia Vref se aplica a la entrada (-) del amplificador operacional.

 

                Los voltajes de umbral superior e inferior pueden encontrarse por las siguientes ecuaciones:

 

                VUT = (Vref (1 + (1/n)) – ((-Vcc)/n)

 

                VLT = (Vref (1 + (1/n)) – ((+Vcc)/n)

 

                El voltaje de histéresis VH  se expresa por

 

                VH = VUT – VLT = ((+Vcc) – (-Vcc))/n

 

                En los detectores de cruce por cero, VH está centrado en la referencia de cero voltios. Para el circuito de la figura, VH no está centrado en Vref pero es simétrico alrrededor del valor promedio de VUT y VLT. Este valor se denomina voltaje centrado VCTR y se encuentra por la ecuación

 

                VCTR = (VUT + VLT)/2 = Vref ( 1 +(1/n))

Compárense las localizaciones de VCTR y Vref. Comparando las dos últimas ecuaciones se observa que n aparece en ambas ecuaciones. Esto significa que cualquier ajuste en la resistencia nR afecta tanto a VCTR como a VH.

 

Detector inversor de nivel de voltaje con histéresis.

Si se intercambian Ei y Vref del circuito anteriormente estudiado tenemos este.

                 Las expresiones para VUT y VLT son

 

                 VUT = ((n/(n+1)) Vref ) + ((+Vcc)/(n+1))

                 VLT = ((n/(n+1)) Vref ) + ((-Vcc)/(n+1))

 

                 Entonces, se encuentra que VCTR y VH son

 

                 VCTR = (VUT + VLT)/2 = ((n /(n+1))Vref

 

                 VH = VUT – VLT = ((+Vcc) – (-Vcc))/(n+1)

 

Obsérvese que ambos VCTR y VH dependen de n y, por tanto, no son ajustables en forma independiente.

Detector de nivel de voltaje con ajuste independiente de la histéresis y del voltaje centrado.

 

            Este circuito tiene todas las cuatro características:

 

1)      Una resistencia ajustable para establecer y refinar el valor de VH.

2)      Una resistencia ajustable separada para establecer el valor de VCTR.

3)      El ajuste de VH y VCTR no debe interaccionar.

4)      El voltaje centrado VCTR debe igualar, o estar relacionado en forma simple con un voltaje externo de referencia Vref.

 

Pero al costo de un mayor número de componentes.

En este circuito, el voltaje centrado VCTR está determinado tanto por la resistencia mR como por el voltaje de referencia Vref. El voltaje Vref puede ser el voltaje de alimentación +Vcc o    -Vcc para reducir componentes. El voltaje  de histéresis VH está determinado por la resistencia nR. Si la resistencia nR es variable, entonces VH puede ajustarse independientemente de VCTR. Al ajustar la resistencia mR se sitúa a VCTR sin afectar VH. Obsérvese que la la fuente de señal, Ei debe ser de baja impedancia. Los voltajes clave están diseñados o evaluados por medio de la siguientes ecuaciones:

 

VUT = -(-Vcc/n) – ( Vref/m)

VLT = (-Vref/m) – (+Vcc/n)

 

VH = VUT- VLT =( (+Vcc) - (-Vcc))/n

 

VCTR = (VUT + VLT)/2 = (-Vref/m) – ( (+Vcc) + (-Vcc))/ 2n

 

 

Si +Vcc y –Vcc son casi iguales

 

            VCTR = - (Vref)/m

 

De modo que VCTR depende solamente de m, y VH depende sólo de n.

 

 

En nuestro móvil utilizaremos el cuádruple disparador o trigger de Schmitt 4093. Es un circuito de tecnología CMOS con un amplio margen de tensiones de alimentación, de 4 a 15 voltios.

Nuestra electrónica no tiene una fuente de alimentación estabilizada por lo que hemos elegido circuitos que funcionen con tensiones de alimentación muy variables, de 5  a 9 voltios.

El circuito integrado 4093 está formado por cuatro puertas NAND con entradas de disparador de Schmitt.

Tabla de funcionamiento de una NAND de dos entradas.

 

 

Característica de transferencia.

 

 

Características en corriente continua.

 

 

Vcc

Símbolo

   Mínimo

  Típico

Máximo

Voltaje de histéresis.

5

10

VH

   0,4

   0,6

    0,7

    1,0

    -

    -

 

V

Entrada de voltaje de nivel de subida

5

10

VP

   1,9

   3,6

     2,9

     5,2

    3,5

    7

 

V

Entrada de voltaje de nivel de bajada

5

10

VN

   1,5

   3

     2,2

     4,2

    3,1

    6,4

 

V

 

 

 Formas de onda de VP, VN y VH.

 

Las puertas NAND están conexionadas de tal manera que habilitan o no a los sensores para configurar los amplificadores operacionales de potencia para hacer girar a los motores hacia delante o hacia atrás.

 

 

Cada uno de estos transistores controlará la entrada de un amplificador operacional de potencia.