Avui descrivim un altre nou component que s'afegeix a la nostra llista, el Schmitt Trigger, un desconegut per a molts que ara deixarà de ser un misteri. I és que descriurem tot el que has de conèixer sobre això, com què és, per a què serveix, com funciona aquest dispositiu electrònic, i fins i tot així podràs integrar-lo amb els teus projectes amb Arduino, Etc
Així que veurem què pot fer aquest element per nosaltres…
Conceptes previs necessaris
Abans de començar amb el Schmitt Trigger, cal definir un parell de conceptes que et vindran bé per comprendre millor què és i el seu funcionament. M'estic referint a:
- comparador: en electrònica, un comparador és un dispositiu que compara dos voltatges o corrents i emet un senyal digital que indica quin és més gran. Té dos terminals dʻentrada analògiques, i una sortida digital binària. És important tenir en compte això, ja que el disparador Schmitt és un tipus de comparador. A més, aquest comparador consta d'un amplificador diferencial especialitzat de guany alt.
- Histèresi: la histèresi és una propietat on l'estat d'un sistema depèn del seu historial. Per exemple, un imant pot tenir diferents moments magnètics en un camp magnètic segons com va canviar el camp en el passat, formant corbes d'histèresi. Aquesta propietat s'observa en materials ferromagnètics, ferroelèctrics i fenòmens naturals com ara la deformació de gomes i aliatges amb memòria de forma. La histèresi s'associa amb canvis irreversibles, com ara transicions de fase, i és comú en sistemes naturals. Per què ho has de saber? Doncs perquè el Schmitt Trigger és un circuit comparador amb histèresi.
Què és un Schmitt Trigger?
Un Schmitt Trigger, també conegut com a disparador Schmitt en espanyol, és un circuit electrònic comparador que converteix un senyal d'entrada analògic en un senyal digital de sortida. Ho fa mitjançant l'aplicació de realimentació positiva per generar un punt de commutació histerètic, cosa que significa que el llindar per canviar entre els estats lògics “alt” i “baix” és diferent per a la pujada i la baixada del senyal d'entrada. Aquest comportament histerètic evita fluctuacions no desitjades i proporciona un marge de tolerància per a senyals d'entrada sorollosos o amb petites oscil·lacions.
El disseny el va crear per primera vegada Otto H. Schmitt el 1934, d'aquí el nom. Des de llavors, aquest component electrònic és àmpliament usat en multitud d'aplicacions com veurem més endavant. A més, has de saber que en general s'encapsula en un circuit integrat o xip, normalment DIP, i que consta comunament d'un amplificador operacional (op-amp) amb realimentació positiva mitjançant resistències, una entrada no inversora (+) i una entrada inversora (-) de l'op-amp estan connectades a través de la cadena de resistències, i també s'hi inclou una resistència addicional per a la realimentació positiva des de la sortida fins a la entrada inversora.
Quant al comportament histerètic, cal dir que quan el senyal d'entrada supera un cert llindar superior, la sortida del Schmitt Trigger canvia a «alt», i si el senyal d'entrada baixa per sota d'un llindar inferior diferent, la sortida canvia a «baix». La diferència entre els dos llindars s'anomena finestra d'histèresi i és essencial per al comportament histerètic. Això té avantatges, ja que evita respostes ràpides i no desitjades a causa de petites fluctuacions o soroll al senyal d'entrada. Per tant, ofereix immunitat al soroll.
El disparador Schmitt s'utilitza per a millorar la immunitat al soroll en un circuit amb un sol llindar dentrada. En aquest cas, un senyal sorollós a prop del llindar podria causar canvis ràpids a la sortida a causa del soroll. El disparador Schmitt, en tenir dos llindars, evita canvis no desitjats, ja que un senyal sorollós a prop d'un llindar només produeix un canvi a la sortida; per provocar un altre canvi, el senyal ha de moure's més enllà de l'altre llindar.
Un exemple pràctic implica un fotodíode infraroig amplificat que genera un senyal que canvia entre valors extrems. Aquest senyal se suavitza amb un filtre passa baixos, i la sortida filtrada es connecta al disparador Schmitt. Aquest dispositiu assegura que la sortida només passi de baix a alt després que un senyal infraroig exciti el fotodíode durant més temps que un període conegut. Quan el disparador Schmitt està alt, només torna a baix després que el senyal infraroig deixa d'excitar el fotodíode durant més temps que un període similar conegut. Això evita canvis espuris causats pel soroll de lentorn. Els disparadors Schmitt són comuns en circuits de commutació, com per eliminar rebots en interruptors.
Com funciona el Schmitt Trigger
Els circuits amb histèresi es fonamenten a la retroalimentació positiva, sent possible convertir qualsevol circuit actiu en un disparador Schmitt en aplicar retroalimentació positiva amb un guany de bucle més gran que un. La retroalimentació positiva implica afegir part de la tensió de sortida a la tensió dentrada. Aquests circuits, que inclouen un atenuador, un sumador i un amplificador actuant com a comparador, es poden implementar mitjançant tres tècniques específiques.
Les dues primeres tècniques són Versions duals (en sèrie i en paral·lel) del sistema general de retroalimentació positiva. En aquestes configuracions, la tensió de sortida modifica la diferència efectiva de la tensió d'entrada del comparador, ja sigui 'disminuint el llindar' o 'augmentant la tensió d'entrada del circuit'. Aquestes configuracions incorporen les propietats de llindar i memòria en un únic element. En canvi, la tercera tècnica separa les propietats de llindar i memòria, proporcionant més flexibilitat en la implementació del circuit.
Utilitats i aplicacions
Els Schmitt Trigger es poden utilitzar per a diverses aplicacions pràctiques segons la configuració, per exemple:
- Conversió analògic a digital: aquest component és efectivament un convertidor analògic a digital dun sol bit. Quan el senyal arriba a un nivell donat, canvia del seu estat baix a dalt.
- Detecció de nivell: és capaç de proporcionar detecció de nivell. En realitzar aquesta aplicació, cal tenir en compte el voltatge d'histèresi perquè el circuit canviï al voltatge requerit.
- Recepció de línia: en portar una línia de dades que pot haver recollit soroll a una comporta lògica, cal assegurar-se que un nivell de sortida lògic només canviï quan canviï la informació i no com a resultat de soroll espuri que s'hagi recollit. L'ús d'un disparador Schmitt permet que el soroll pic a pic arribi al nivell d'histèresi abans que pugui passar un tret espuri.
Com a casos més concrets, els podeu veure en circuits on es volen eliminar els rebots en botons mecànics, en generadors d'ones quadrades, en detectors de nivell, en circuits de protecció contra soroll en línia de dades, generadors de polsos, i els famosos convertidors ADC.
Ús com un oscil·lador
Un disparador Schmitt és un multivibrador biestable que es pot utilitzar per implementar un altre tipus de multivibrador, l'oscil·lador de relaxació. Això aconsegueix connectant un sol circuit integrador RC entre la sortida i l'entrada d'un disparador Schmitt invertit. La sortida serà una ona quadrada contínua la freqüència de la qual depèn dels valors de R i C, així com dels punts de llindar del disparador Schmitt. Atès que un sol circuit integrat pot proporcionar diversos disparadors Schmitt (per exemple, el dispositiu CMOS de la sèrie 4000 tipus 40106 en conté 6), una secció addicional de l'IC es pot utilitzar ràpidament com un oscil·lador simple i fiable amb només dos components externs .
En aquest cas, s'utilitza un disparador Schmitt basat en un comparador en la configuració invertida. A més, s'hi afegeix una retroalimentació negativa lenta amb una xarxa integradora RC. El resultat és que la sortida oscil·la automàticament des de VSS fins a VDD a mesura que el condensador es carrega des d'un llindar del disparador Schmitt fins a l'altre.
Fixació
Has de tenir en compte que segons el model el pinout pot canviar, per tant et recomano sempre veure el datasheet del fabricant corresponent al model que has adquirit. No obstant això, com a exemple, aquí tenim un xip TTL 74LS14 amb 6 disparadors al seu interior. Per tant, tenim un pin del DIP que serà per a alimentació Vcc, i un altre per a terra o GND. Així s'alimenten tots els disparadors, i després serà qüestió d'usar l'entrada i la sortida que et convinguin.
On comprar
Finalment, si vols comprar un d'aquests Schmitt Trigger, pots trobar-los a botigues especialitzades oa plataformes de venda online com Amazon:
