Circuito Monoestable

Este circuito se caracteriza por presentar un único estado estable en régimen permanente, y cuando mediante una excitación externa se genera una perturbación que lo aparta de ese estado estable el circuito evoluciona en un estado no estable que provoca un cambio en la salida y al cabo de un cierto tiempo predeterminado vuelve al estado estable.

En régimen permanente el circuito permanece en el estado estable. La conmutación al estado semiestable es forzada mediante una excitación externa adecuada, en su presencia el circuito inicia un régimen transitorio para, una vez transcurrido el tiempo de duración del estado no estable retornar al estado estable. El tiempo que el circuito permanece en el estado no estable, comúnmente denominado período semiestable, queda determinado por los valores de algunos elementos pasivos que componen el circuito.

Circuito Monoestable acoplado por colector

En el estado estable uno de los transistores (Q2) conduce, mientras que el otro (Q1) permanece cortado. Cuando una perturbación externa fuerza la conducción del transistor Q1 (normalmente cortado) o el corte del transistor Q2 (normalmente en conducción) se inicia el estado semiestable en el cual conduce Q1 mientras Q2 permanece cortado- La duración de este estado no estable es controlable mediante una adecuada elección de los componentes del circuito.

Características del estado estable, Q₂ conduce Q₁ cortado:

Q2 debe conducir saturado a fin de que su conducción fuerce y asegure el corte de Q1. De esta manera, al conectar la alimentación, por ejemplo, ambos transistores están en condiciones de conducir pero si Q₂ se satura fuerza el corte de Q1. Para asegurar la saturación de Q2 deben elegirse valores adecuados para R₃ y R₂.

La condición que asegura saturación en un BJT es que su corriente de base sea lo suficientemente grande como para que la corriente de colector que circularía en el BJT en zona activa supere la máxima potencia que puede entregar la alimentación en el circuito de colector con el transistor funcionando en activa.

La corriente de colector máxima de zona activa para el transistor Q2 en este circuito resulta:

iC 2

y en consecuencia:

= VCC - vCE2

R2

Þ    Ic2 MAXIMA ZONA ACTIVA

= VCC - VBE2

R2

IB2 MAX ZONA ACTIVA

= IC 2 MAX ZONA ACTIVA

β2

= VCC - VBE2

β2R2

Profesora MARIA ISABEL SCHIAVON

y la condición de saturación es:

si IB2 > IB2 MAX ZONA ACTIVA

Þ    BJT saturado

En estas condiciones, Q1 está cortado, Q2 saturado resultando el circuito de la figura 2.

VCC

2

FIG 2.- CIRCUITO CON Q1 CORTADO Q2 CONDUCIENDO

En este circuito la tensión de colector Q1 va creciendo a medida que el capacitor se carga a través de R₁ al valor final determinado por V_CC-V_BE(SAT). El circuito permanece indefinidamente en este estado, con Q₂ saturado y Q₁ cortado.

vC(final estado estable)

= VCC

- VBE sat

Si la condición de saturación de Q2 se cumple cuando el capacitor ya se cargó (corriente nula por el capacitor, i_C = 0) y la corriente de base de Q2 queda determinada por la corriente que circula por R₃, el transistor siempre conducirá saturado. Luego la condición que se debe cumplir para asegurar conducción de Q2 en zona de saturación queda determinada por:

I B2

= VCC - VBE

R3

> VCC - VBE

β2 R2

Þ    R3

< β2 R2

Estado semiestable, Q1 conduce Q2 cortado:

Para provocar el cambio del estado del circuito se debe inyectar una señal que fuerce la conducción del transistor cortado, un pulso positivo en la base de Q₁ o en el colector de Q₂, o bien, el corte del transistor que conduce en estado estable, pulso negativo en la base de Q₂ o en el colector de Q₁. Cualquiera de estas señales provoca la conducción de Q₁ y la  polarización inversa de la juntura base emisor de Q₂ debido a la carga acumulada en el capacitor (C).

vBEQ 2

= vCEQ1 + vC

Como el capacitor alcanzó en el estado estable una carga más alta que cualquier tensión colector emisor de Q₁, la juntura base emisor de Q₂ queda en polarizada inversamente, y teniendo en cuenta que la evolución de la carga del capacitor es lenta comparada con el tiempo de conmutación de los transistores, es posible considerar que durante la conmutación la carga del capacitor se mantiene constante, o sea que un instante antes (t₁^-) y un instante posterior (t₁⁺) el valor de tensión de en el capacitor es el mismo,

vC( t - ) = vC( t + ) = vC( final estadoestable )

= VCC

-  VBEsat

En la figura 3 se muestra el circuito con Q₂ cortado y la carga del capacitor así como la convención adoptada para la tensión del capacitor.

Q₁ conduce con corriente de base fija que queda determinada por:

IB =

VCC -VBE R2 + R4

El capacitor comienza a cargarse en sentido contrario a través de R₃ y del colector de Q₁ conduciendo a un valor final que está determinado por la caída de tensión en R₁ cuando toda la corriente de colector de Q₁ circula por ella.

VCC

FIG 3.- CIRCUITO CON Q2 CORTADO Q1 CONDUCIENDO (estado semiestable)

Antes de que el capacitor se cargue a su valor final, la tensión de base de Q₂, que va aumentando a medida que se modifica la carga del capacitor, alcanzará un valor suficiente  para polarizar directamente la juntura base-emisor de Q₂ y forzar la conducción de Q₂.

VBE 2 = vC( t ) + VCE Q2 = Vg

Cuando Q₂ entra en conducción en t = t₁, su tensión de colector decrece y en consecuencia también disminuye la tensión base emisor de Q₁ (v_BE1). La tensión de colector de Q1 aumenta favoreciendo la conducción del transistor Q₂. Este proceso es regenerativo y concluye con el corte de Q₁ cuando el Q₂ entra en saturación y el circuito alcanza su estado estable. El capacitor C comienza a cargarse en sentido opuesto con el circuito mostrado en la figura 2, a través de R₁ hasta alcanzar el valor final dado por:

vcf EE   = -VCC + VBEsat

El circuito permanece indefinidamente en su estado estable, conducción de Q₂. Q₁ conduce un cierto fijo predefinido que es el fijado para la duración del estado semiestable.

Determinación del tiempo de duración del estado semiestable (T₁)

Si se identifica con t₁ el instante en el cual, una vez conectada la fuente de alimentación y el circuito estabilizado en su estado estable, una perturbación externa provoca la conmutación del circuito, un instante antes de la perturbación (t₁^-) el circuito se hallaba en su estado estable y el modelo válido en ese estado se muestra en la figura 4:

VCC

R₂

FIG. 4: MODELO DEL CIRCUITO UN INSTANTE ANTES DE LA PERTURBACIÓN (t₁ ^-)

Para asegurar la conducción de Q₂ en saturación, teniendo en cuenta la dispersión de parámetros, se debe verificar:

I B2

= I R3

= VCC - VBEsat

R3

> IC 2 MAX ZONA ACTIVA

β2mínimo

=  VCC  - VBE

β2mínimo R2

Þ     IC 2

I B2

< b min Q2

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La tensión colector emisor de Q₂ saturado es menor que la tensión de arranque de Q₁ (V_CEQ2»0,3V<Vg), y en consecuencia el transistor Q₁ esta cortado. El capacitor se cargó a su valor final

vc( to )

=VCC

- VBE sat

conducción, Q₂ cortado). El capacitor (C) se carga con la polaridad opuesta a través de R₃, según el circuito correspondiente que se muestra en la figura 5.

El tiempo de duración del estado semiestable (T = t₂-t₁) puede determinarse analizando la carga del capacitor en el circuito de la figura 4:

vC( t ) = -VCC

+  VCEsat + (- VBEsat + 2VCC

-t

-  VCEsat )e    R3C

y determinando el tiempo que tarda la tensión en la base del transistor Q₂ en alcanzar la tensión de arranque de la juntura base emisor del mismo:

o lo que es lo mismo:

v B2( t2 )

= -vC( t2 ) + VCEsat = VBE( ON )

» Vg

-T

VC ( t2

) = -VCC + VCEsat + (- VBEsat + 2VCC - VCEsat )e

R3C = VCEsat - Vg

El tiempo T₁ resulta:

æ 2VCC - VBEsat - VCEsat ö

T = R3 C lnç

è

VCC

÷

- Vg             ø

Si V_CC es lo suficientemente grande frente a V_BEsat y V_Cesat la duración del estado semiestable puede calcularse como:

T » R3C ln 2 » 0,7R3C

aproximación válida si

VCC ³ 5V

El circuito dispone de dos salidas (una en el colector de cada transistor, v_o1 y v_o2, respectivamente). En la salida disponible en el colector de Q₂, v_o2, se dispone de una onda normalmente en estado y que cuando se fuerza la conmutación del circuito permanece en estado alto mientras el circuito se mantiene en el estado semiestable. Esta onda no tiene más retardos asociados que los tiempos de conmutación de los transistores.

La salida disponible en el colector de Q₁, v₀₁, permanece normalmente en estado alto y conmuta a un estado bajo en el estado semiestable y tiene presente retardos adicionales, especialmente notorios cuando el Q₁ se pasa al corte debido a la presencia del capacitor en esa rama.

Una forma de minimizar este efecto es adoptar con R₁<<R₃, y de esta manera se minimiza el tiempo de crecimiento de la tensión de colector del transistor cuando pasa al corte, permitiendo que alcance su valor máximo (V_CC) en un tiempo despreciable.

Una variante del circuito

El circuito analizado funciona en la forma descripta siempre y cuando en el estado estable Q₂ funcione fuertemente saturado a fin de permitir el corte de Q₁.

Un circuito que acelera el tiempo de conmutación al permitir que Q₂ trabaje en zona activa o ligeramente saturado es el que se muestra en la figura 5.

V

02

FIG 5.- CIRCUITO MONOESTABLE

FIG 6.- CIRCUITO EN ESTADO ESTABLE (Q₂ CONDUCE - Q₁ CORTADO)

En este estado Q2 no necesariamente debe conducir saturado, sino que debe cumplir las condiciones que polarizan inversamente la juntura base emisor de Q₁ forzando su corte.

La corriente de colector mínima que circula por el transistor es la que corresponde al circuito estabilizado con el capacitor totalmente cargado como corresponde a su estado estable. En zona activa esa corriente resulta:

iC2

= βiB2

= β VCC - VBE2

R3

Si consideramos la dispersión del b:

iC2mín

= βmín

VCC - VBE2 R3

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La corriente que circula por R₂ es:

i     = i

+   vCE 2 - V1 » i

Û        i         >> vCE2 - V1

R2             C2

R4 + R5              2

C2 mín

R4 + R5

» VCC - iC R2

i         = β

VCC  - VBE     >>

VCC - V1

C2 mín

mín

3

R2 + R4 + R5

El cambio de estado del circuito se produce cuando se fuerza la conducción del transistor cortado (Q₁) o el corte de Q₂ mediante una perturbación externa. En ese instante (t₁) el cambio de estado del transistor forzado por la perturbación provoca el cambio de estado del otro

transistor de manera que en un instante después (t ⁺) Q  conduce y Q  está cortado.  Como las

1         1                             2

variaciones de tensión en el capacitor son mucho más lentas que la conmutación de los transistores, la tensión en éste un instante antes de la conmutación y un instante después de la misma son idénticas. En la figura 7 se muestra el circuito que resulta en el estado semiestable.

vC( t - ) = vC( t + ) = vC( t1 ) = VCFE

= VCC

-  VBE

1                      1

V

FIG 7.- CIRCUITO EN ESTADO SEMIESTABLE (Q₁ CONDUCE – Q₂ CORTADO)

Como Q₁ entra en conducción el potencial de su colector desciende abruptamente y la juntura base emisor de Q₂ queda polarizada inversamente por efecto de la tensión almacenada en el capacitor y Q₂ se corta.

A partir de este instante el capacitor comienza a cargarse en sentido contrario a través de R₃ y del colector de Q₁ provocando el aumento de la tensión de la base de Q₂. La corriente de colector de Q₁ es suma de la corriente que circula a través de R₁ y de la corriente de carga del capacitor C que circula por R₃. Teniendo en cuenta que el criterio de diseño más utilizado es R₃>> R₁, el aporte de la corriente por R₃ para la conducción de Q₁ es despreciable.

La condición para que Q₁ conduzca saturado queda determinada por:

iC1máx zona activa < bmín Q1 iB1

Si se eligen los elementos del circuito de manera que Q₁ conduzca saturado, se debe cumplir la condición:

IC1 »

VCC - VCEsat1

R1                                                 < b

IB      VCC  - VBEsat        V1 + VBESat

min Q1

₁                           1  -  1

R2 + R4                        R5

Si esta condición no se verifica el transistor estaría funcionando en zona activa, en estas condiciones el circuito funciona como monoestable pero se tendría que realizar el análisis utilizando el modelo del transistor correspondiente a zona activa.

Cuando la tensión en la base del transistor Q₂, que va creciendo a medida que se carga el capacitor, alcanza nivel suficiente para provocar el encendido de Q₂ y en consecuencia el corte de Q₁, el circuito reinicia su estado estable. En la figura 8 se puede observar el modelo que corresponde a este estado que se reinicia en el instante identificado con (t₂).

En el estado semiestable, mientras Q₁ conduce y Q2 está cortado, el capacitor se descarga exponencialmente desde el valor final que alcanzó en el estado estable (V_CC-V_BE2) hacia el  valor final que le fija el circuito que se muestra en figura 9.

El valor final de tensión al cual tiende la carga de C es el valor de tensión al cual llegaría la tensión en bornes del capacitor C si Q₂ permaneciera cortado indefinidamente, o sea cuando la corriente por R₃ se anula:

VCFSE   = -VCC  + VCEsat

En consecuencia la ecuación que modela la descarga del capacitor resulta:

- t

vC( t ) = -VCC + VCEsat1

+  ( 2VCC - VBE2

+ VCEsat1

)e τd

donde td

= R2C

El tiempo de conducción del transistor (T) está determinado por el tiempo que tarda el capacitor en alcanzar el valor de tensión que polariza directamente la juntura base emisor de Q₂ (v_B2=Vg₂) y fuerza su conducción.

vB  ( t   ) = Vg 2 = VCE         - vC( t   ) = VCC + ( 2VCC  - VBE   + VCEsat   )e τd

y el tiempo de duración del estado semiestable es:

æ 2VCC - VBE2 - VCEsat1 ö

T = t2 - t1 = R2C lnç

è

VCC

÷

- Vg 2              ø

Profesora MARIA ISABEL SCHIAVON

o bien:

T » R2C ln 2 » 0 ,7 R2C

si Vcc

³ 5V

En el instante posterior al reinicio del estado estable (t₂⁺) Q₁ está cortado y Q₂ está en conducción, pero la tensión en el capacitor es la misma que produjo la conmutación dado que la tensión en sus bornes no varía instantáneamente.

vc( t 2 - ) = vc( t 2 + ) = vc( t 2 ) = VCEsat1

- Vg 2

El capacitor se carga con una ley exponencial desde ese valor inicial al valor final del estado estable con la constante de tiempo t_c determinada por inspección en el circuito de la figura 8.

vcfEE

= VCC

-  VBEsat

τc = (R1 + R3 // rX )C » R1C

En la figura 10 se muestran las gráficas de las tensiones en los colectores y en las bases de los transistores en función del tiempo obtenidas mediante simulación con ICAP4.

Sobre la señal de disparo.

Para producir un cambio de estado se dispone de dos alternativas, una de ellas es hacer que el transistor que esta cortado entre en conducción, esto se puede lograr elevando los potenciales de base de Q₁ o bien el colector de Q₂ y la segunda alternativa es llevar al corte al transistor que se encuentra conduciendo ya sea bajando el potencial de base de Q₂ o el potencial de colector de Q₁. En estas condiciones existen 4 alternativas posibles ¿existen ventajas de una sobre la otra?. Un pulso de disparo inyectado por la base de Q₁ requiere menor energía que el disparo por colector de Q₂, pero es mas sensible a disparo por ruido. La otra alternativa, inyectar un pulso negativo en el colector de Q₁ es la alternativa más utilizada pues evita la presencia de esas señales en la salida tomada en el colector de Q₂.

FIGURA 10: GRAFICAS DE LAS TENSIONES EN FUNCIÓN DEL TIEMPO

Cálculo del pico de tensión (d) que se produce en el instante de la conmutación al estado estable.

Cuando el circuito retorna al estado estable, en la base del transistor que entra en conducción se produce se produce un pico de tensión que se extingue rápidamente que se refleja en el colector del transistor que entra al corte. El salto se debe a la presencia de la resistencia de dispersión de base (r_x) y para calcular su valor es necesario considerar esta resistencia. La variación de tensión δ se produce en la base del transistor Q₂ (colector de Q₁) en el instante (t₂) y se determina haciendo la diferencia entre el valor que tiene la tensión de

base un instante después de la conmutación (t ⁺) y un instante antes de la misma (t ^-).

2                                                                              2

Teniendo en cuenta el modelo la tensión en la base del transistor 2 un instante después de la conmutación resulta:

rx

VCC

R*

+    rx

R1

(VBE

-  VBEsat )- VBE

( t + )

»  B        

rx

donde

RB = R1//R3