7. Amplificadores operacionales en lazo cerrado (con realimentación)
7.2. Amplificadores operacionales con realimentación positiva
Mientras que la realimentación positiva tiende a llevar el sistema a la inestabilidad, existen aplicaciones en las que los amplificadores operacionales funcionan con realimentación positiva, especialmente cuando se desea crear señales en un estado de oscilación, como en un generador de señal.
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7.2.1. Báscula de Schmitt, disparador Schmitt o “Schmitt trigger” (comparador con histéresis)
La báscula de Schmitt, disparador Schmitt o Schmitt trigger es un circuito que emplea un ciclo de histéresis para evitar que el ruido en una señal cause falsos cambios de estado.
La báscula de Schmitt se basa en un comparador en el que la tensión de referencia depende de la tensión que hay en la salida.
Cuando se utiliza un comparador con voltaje de referencia, de forma que la salida del amplificador operacional está en estado alto o bajo en función de si la entrada es mayor o menor que la tensión de referencia, es posible que haya rebotes debido al ruido que pueda haber en la señal de entrada. Si la señal de entrada tiene niveles similares a la de referencia, este problema se acusaría todavía más.
Este problema se puede observar en la Figura 42. La señal de entrada tiene ruido, lo que hace que al tener valores próximos a la tensión de referencia (Vcomp), la salida del
amplificador operacional comience a pasar entre estado alto y bajo un montón de veces y en poco tiempo. Para evitar esto, se puede utilizar un circuito con un ciclo de histéresis, como la báscula de Schmitt.
Figura 36: Señal de entrada y de salida en un circuito comparador, la señal de entrada de abajo presenta ruido, lo que genera rebotes
Un ciclo de histéresis consiste en que la salida dependa de la entrada y de sus estados previos. Los ciclos de histéresis eliminan los rebotes ya que tienen un rango de valores que la señal de entrada debe superar para que haya un cambio en la salida. Un ejemplo
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claro de uso de ciclo de histéresis es en los termostatos: imagínate que tienes un termostato en tu habitación y le indicas que quieres una temperatura de 20 ºC. En el exterior hay 18 ºC por lo que el termostato empieza a calentar la habitación. Cuando la habitación supere los 20 ºC, por ejemplo, con una temperatura de 20,01 ºC, el termostato se apagará dejando que la habitación se enfríe. Al alcanzar una temperatura inferior a los 20 ºC, por ejemplo, 19,99 ºC, el termostato volverá a ponerse en marcha para calentar la habitación. Este ciclo se repetiría en bucle y, además, los cambios entre estado de encendido y apagado se realizarían cada muy poco tiempo porque se pasaría de 19,99 ºC a 20,01 ºC y viceversa de forma casi inmediata. Para evitar que el termostato esté todo el rato conmutando, se hace que trabaje con un ciclo de histéresis.
El termostato anterior trabajando en histéresis comenzaría a enfriar la habitación cuando la temperatura fuese superior los 21 ºC y la empezaría a calentar cuando la temperatura fuese inferior a 19 ºC, por ejemplo. Haciendo que haya un margen de 2 ºC. El funcionamiento sería entonces, el siguiente: en el exterior hay 18 ºC por lo que el termostato empieza a calentar la habitación. Cuando la habitación supere los 21 ºC, por ejemplo, con una temperatura de 21,01 ºC, el termostato se apagará dejando que la habitación se enfríe. Al alcanzar una temperatura inferior a los 19 ºC, por ejemplo, 18,99 ºC, el termostato volverá a ponerse en marcha para calentar la habitación. Este ciclo se repetiría en bucle. En este caso, el termostato ya no estaría conmutando todo el rato porque hay un margen de 2 ºC entre el límite de temperatura superior e inferior. Una báscula de Schmitt, disparador de Schmitt o Schmitt trigger hace lo mismo que un termostato con histéresis, pero con la señal de entrada que se le introduzca.
Figura 37: Señal de salida en un comparador en lazo abierto (A) y en un Schmitt trigger (B) para la misma señal de entrada (Azul)
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Figura 38: Señal de salida en un comparador en lazo abierto y en un Schmitt trigger para la misma señal de entrada
Así pues, en la báscula de Schmitt la tensión de referencia (de comparación) será igual al límite inferior (VTL) cuando la salida esté en estado alto, y será igual al límite superior
(VTH) cuando la salida esté en estado bajo. Un ejemplo de circuito que hace de báscula
de Schmitt es el representado en la Figura 39.
Figura 39: Báscula de Schmitt inversora
Su clico de histéresis es el representado en la Figura 40. Lo que dice lo siguiente: - Si la señal de entrada tiene un valor inferior al límite inferior (VTL), la salida del
amplificador operacional está en estado alto (VCC).
- Si la señal de entrada tiene un valor superior al límite superior (VTH), la salida del
amplificador operacional está en estado bajo (-VCC).
- Para valores de señal comprendidos entre los límites superior e inferior, la salida del amplificador dependerá de los valores previos que tenía la señal:
o Si la señal de entrada viene de valores inferiores al límite inferior, el amplificador operacional tendrá su salida en estado alto hasta que la señal de entrada supere el límite superior.
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o Si la señal de entrada viene de valores superiores al límite superior, el amplificador operacional tendrá su salida en estado bajo hasta que la señal de entrada esté por debajo del límite inferior.
Figura 40: Ciclo de histéresis de una báscula de Schmitt inversora
Los límites superior e inferior se pueden ajustar cambiando los valores de las resistencias: 𝑉𝑇𝐻= 𝑅1 𝑅1+ 𝑅2 ∗ 𝑉𝐶𝐶 𝑉𝑇𝐿 = − 𝑅1 𝑅1+ 𝑅2∗ 𝑉𝐶𝐶
También se podrían modificar los límites añadiendo una tensión de referencia en lugar de la masa.
Un ejemplo de señales de entrada y salida en el Schmitt trigger anterior es el representado en la Figura 41.
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Cuando se incluye una báscula de Schmitt en un circuito, es común representarla como un único bloque. Su símbolo eléctrico sería el representado en la Figura 42.
Figura 42: Símbolos eléctricos de un Schmitt trigger
La báscula de Schmitt tiene multitud de aplicaciones ya que evitan que el ruido haga que un sistema conmute muy rápidamente. Una de las aplicaciones sería la de su utilización en un circuito antirrebotes de un pulsador.