En este tutorial os voy a enseñar que es el Schmitt Trigger y para qué nos puede servir.
Un Schmitt Trigger es un tipo de entrada lógica que nos proporcionará histéresis o dos niveles de umbral: alto y bajo. Esto nos permitirá reducir los errores producidos por señales ruidosas, dando como resultado una onda cuadrada. Además, también se puede usar para convertir otros tipos de señales como por ejemplo triangulares y sinusoidales, en ondas cuadradas.
Por ejemplo, si tenemos una señal de entrada con mucho ruido, es posible que si nuestro circuito tiene un sólo umbral no interprete la señal de forma correcta.
Esto en un circuito digital puede dar lugar a muchos problemas debido a los pulsos erróneos, por lo que para corregirlo se puede usar un disparador Schmitt.
Como se puede observar, al tener doble umbral se han eliminado los pulsos erróneos provocados por el ruido, dejando una onda cuadrada.
Tipos de Schmitt Triggers
Hay muchos circuitos integrados lógicos con Schmitt Triggers integrados, pero en el caso de que necesitemos crearlo por nosotros mismos, podemos hacerlo usando amplificadores operacionales o transistores
En esta entrada nos centraremos en los basado en Amplificadores Operacionales y en otra ocasión os hablaré de los basados en transistores.
Schmitt Trigger no inversor simétrico
El Schmitt Trigger de Amplificador Operacional se basa en el circuito de comparador:
Este circuito tiene la entrada inversora está conectada a ground o 0v, y la entrada no inversora está conectada a la entrada de señal. Como su nombre indica compara la señal de entrada, y si es superior a 0v conecta Vcc+ a la salida, y si es inferior conecta Vcc-.
Si a este circuito le añadimos un feedback positivo a través de una resistencia y añadimos otra resistencia entre Vin y la entrada inversora, se convertirá entonces en un Shmitt Trigger.
El circuito operacional seguirá funcionando como un comparador y conectará Vcc+ cuando la entrada no inversora supere a la entrada inversora, y Vcc- cuando sea inferior. La diferencia es que hemos creado un divisor de voltaje en la entrada no inversora que nos permitirá ampliar el rango de cambio.
Funcionamiento
Algo que no vi explicado en donde leí sobre los Schmitt Triggers y que desde mi punto de vista es importante, es el funcionamiento explicado.
Hasta ahora hemos visto que el OP Amp funciona como un comparador, y que debemos estar por encima o por debajo del voltaje de referencia de la entrada inversora para cambiar entre estados. Además de eso podemos observar que el voltaje de la entrada inversora es el producto de un divisor de tensión entre la salida y la entrada.
Es por eso que cuando el OP Amp tiene conectado Vcc- a la salida, para cambiar de estado tendremos que aumentar el voltaje de Vin hasta que la entrada no inversora supere el voltaje de la inversora. Una vez que esto ocurra, Vout pasará a ser Vcc+ y por lo tanto para cambiar de estado tendremos que bajar el voltaje de entrada para conseguir lo contrario, que la entrada no inversora baje del voltaje que tiene la entrada inversora. Es así cómo se consigue el margen de cambio que es el efecto deseado.
Explicación de la fórmula
Os preguntaréis por qué explico la fórmula antes de ponerla. Es más que nada porque quiero que veáis cómo se llega a la conclusión de dicha fórmula.
Para ello vamos a suponer que tenemos un voltaje Vcc simétrico de ±12v y que queremos que el Schmitt Trigger cambie de estado a ±6v. Teniendo en cuenta que tenemos un voltaje de 0v en la entrada inversora, se me viene a la mente estos dos divisores de tensión.
Como se pude observar ambas son simétricas, por lo que el cálculo se puede hacer una sola vez. Para ello primero tendremos que cambiar una de las resistencias por un valor conocido para poder calcular la otra.
Vamos a poner una resistencia R1 de 2K, y para calcular R2 necesitamos saber la corriente que pasa por ella. Esta será igual a la que pasa por R1, por lo que la cuenta es fácil.
Esta reflexión nos llevará a la fórmula final.
Fórmula
La fórmula tal y como explicamos en el apartado anterior, parte de que la corriente que atraviesa R1 es igual a la que atraviesa R2:
Teniendo en cuenta esto, nos es fácil sacar el valor de R2. Para ello despejamos la fórmula con los datos que tenemos, que recordemos son:
- Voltaje de salida de ±12v
- Voltaje de cambio de estado ±6v
- Resistencia R1 de 2K
Como se puede observar, es una simple regla de tres que nos da como resultado que R2 tiene que ser una resistencia de 4K. Por supuesto esto es en un mundo ideal, pero teniendo en cuenta que el Op Amp consume, el voltaje de cambio no será exactamente ±6v.
¿Tiene que ser una fuente simétrica?
No, se puede desplazar el voltaje de referencia de la entrada inversora para desplazar también el rango de voltajes. Los cálculos no he sido capaz de encontrarlos en el momento de escribir este artículo, por lo que puede que en el futuro los ponga cuando los encuentre y verifique.
Schmitt Trigger inversor no simétrico
Para conseguir dos umbrales no simétricos, disponemos de un circuito Schmitt Trigger inversor alimentado por una fuente simple. En este circuito Vin se conecta a la entrada inversora, lo cual hará que se invierta la onda de salida, siendo 0v en los picos altos y 5v en los picos bajos. Además, Vref está conectado al Vcc del OP Amp directamente.
En este caso el cálculo es algo más complejo y para poder calcular los umbrales tendremos que calcular el resultado de los divisores de tensión resultantes de la combinación de resistencias:
Como podéis observar, para calcular los dos estados tenemos que calcular la caída de voltaje en dos tipos de configuraciones de resistencias. Estos tipos de configuraciones son: paralelas y divisor de voltaje.
Para los que no entendáis de dónde salen estas dos configuraciones, os dejo esta imagen para que entendáis mejor los dos estados.
Teniendo en cuenta lo anterior, se podría decir que el cálculo de A se realizará con las siguientes fórmulas:
Las cuales son una combinación de la resistencia equivalente de las resistencias en paralelo, junto con la de un divisor de voltaje. Para simplificarlo, lo que haremos es separar ambos cálculos, calculando primero la resistencia equivalente de las que están en paralelo. Esto nos dará como resultado las siguientes fórmulas:
Suponiendo que usemos el voltaje indicado en las fórmulas de arriba de 5v y resistencias de 10k para simplificar, el resultado sería el siguiente:
Esto nos da como resultado que el circuito arriba indicado con una entrada de 5v y resistencias de 10k cada una, tendría un umbral bajo de 1.66v y un umbral alto de 3.33v.
Notas
Todos los cálculos de arriba se llevan a cabo contando con que el OP Amp sea Rail to Rail. En el caso de que se use cualquier otro tipo de operacional habrá que realizar los cálculos pertinentes, los cuales posiblemente pondré en una entrada futura.
Para más información puedes echar un vistazo a la entrada en la wikipeda acerca del Schmitt Trigger.
¡Saludos!