Introducción al Multivibrador Astable

Los circuitos de conmutación regenerativos, tales como el Multivibrador Astable, son el tipo de oscilador de relajación más utilizado. Esto se debe a que no solo son simples, confiables y de fácil construcción, sino que también producen una forma de onda de salida de onda cuadrada constante.

A diferencia del Multivibrador Monoestable o el Multivibrador Biestable, que requieren un pulso de disparo «externo» para su operación, el Multivibrador Astable posee un disparador automático integrado que lo cambia continuamente entre sus dos estados inestables (ambos configurados y restablecidos).

Características del Circuito Astable

El Multivibrador Astable es otro tipo de circuito de conmutación de transistor acoplado cruzado que no tiene estados de salida estables, ya que cambia de un estado al otro todo el tiempo. El circuito astable consta de:

• Dos transistores de conmutación.
• Una red de retroalimentación acoplada.
• Dos condensadores de retardo de tiempo.

Estos componentes permiten la oscilación entre los dos estados sin necesidad de activación externa para producir el cambio de estado.

En los circuitos electrónicos, los multivibradores astables también se conocen como Multivibrador de funcionamiento libre (*Free-Running Multivibrator*), ya que no requieren ninguna entrada o asistencia externa para oscilar. Los osciladores astables producen una onda cuadrada continua desde su salida o salidas (dos salidas sin entradas) que luego se pueden usar para encender luces o producir un sonido en un altavoz.

El Circuito Básico de Transistores

El circuito básico de transistores para un Multivibrador Astable produce una salida de onda cuadrada a partir de un par de transistores acoplados a tierra de emisor común. Ambos transistores, ya sean NPN o PNP, están polarizados para operación lineal y se operan como amplificadores de emisor común con 100% de retroalimentación positiva.

Esta configuración satisface la condición de oscilación cuando: (βA = 1∠ 0°). Esto da como resultado que una etapa realice la «activación completa» (Saturación) mientras que la otra está «desactivada completamente» (Corte), lo que proporciona un nivel muy alto de amplificación mutua entre los dos transistores. La conducción se transfiere de una etapa a otra por la acción de descarga de un condensador a través de una resistencia, como se muestra a continuación.

Circuito Multivibrador Astable Básico

[Aquí se insertaría el diagrama del circuito básico]

Principio de Funcionamiento Detallado

Supongamos que el transistor TR1 acaba de apagarse (corte) y su voltaje de colector está aumentando hacia Vcc. Mientras tanto, el transistor TR2 acaba de ponerse en «ON» (saturación).

Secuencia de Conmutación (Estado 1)

1. La placa «A» del condensador C1 también se está elevando hacia el riel de suministro de +Vcc (por ejemplo, +6 voltios) ya que está conectada al colector de TR1, que ahora está en corte. Dado que TR1 está en corte, no conduce corriente, por lo que no hay caída de voltaje en la resistencia de carga R1.
2. El otro lado del condensador C1, placa «B», está conectado al terminal base del transistor TR2 y se encuentra a 0.6V porque TR2 está conduciendo (saturación).
3. Por lo tanto, el condensador C1 tiene una diferencia de potencial de +5.4 voltios a través de sus placas (6.0V – 0.6V), desde el punto A hasta el punto B.
4. Dado que TR2 está completamente encendido, el capacitor C2 comienza a cargarse a través de la resistencia R2 hacia Vcc. Cuando el voltaje a través del condensador C2 sube a más de 0.6V, predispone al transistor TR1 a la conducción y a la saturación.

Transición y Segundo Estado Inestable

En el instante en que el transistor TR1 conmuta a «ON», la placa «A» del condensador C1, que originalmente estaba en el potencial Vcc, cae inmediatamente a 0.6 voltios. Esta rápida caída de voltaje en la placa «A» causa una caída igual e instantánea del voltaje en la placa «B».

Por lo tanto, la placa «B» de C1 se reduce a -5.4V (una carga inversa) y este cambio de voltaje negativo se aplica a la base de TR2, forzándolo a «OFF» (corte). Este es el segundo estado inestable.

El transistor TR2 se introduce en el corte, por lo que el condensador C1 comienza a cargarse en la dirección opuesta a través de la resistencia R3, que también está conectada al riel de suministro +Vcc. Así, la base del transistor TR2 ahora se está moviendo hacia arriba en una dirección positiva hacia Vcc con una constante de tiempo igual a la combinación C1 x R3.

Sin embargo, nunca alcanza el valor de Vcc porque tan pronto como llega a 0.6 voltios positivos, el transistor TR2 se pone completamente «ON» en saturación. Esta acción inicia todo el proceso nuevamente, pero ahora con el condensador C2 llevando la base del transistor TR1 a -5.4V mientras se carga a través de la resistencia R2, ingresando al primer estado inestable.

Podemos ver que el circuito alterna entre un estado inestable en el cual el transistor TR1 está «OFF» y el transistor TR2 está «ON», y un segundo estado inestable en el que TR1 está «ON» y TR2 está «OFF» a una velocidad determinada por los valores RC. Este proceso se repetirá una y otra vez mientras haya tensión de alimentación.

Cálculo de Frecuencia y Tiempo Periódico

La amplitud de la forma de onda de salida es aproximadamente la misma que la tensión de alimentación, Vcc. El período de tiempo de cada estado de conmutación está determinado por la constante de tiempo de las redes RC conectadas a través de los terminales de base de los transistores. Dado que los transistores están activando y desactivando, la salida en cualquiera de los colectores será una onda cuadrada con esquinas ligeramente redondeadas debido a la corriente que carga los capacitores. Esto podría corregirse utilizando más componentes, como veremos más adelante.

Si las dos constantes de tiempo producidas por C2 x R2 y C1 x R3 en los circuitos de base son iguales, la relación de marca a espacio (*duty cycle*) (**t1 / t2**) será igual a uno a uno, lo que hace que la forma de onda de salida sea simétrica. Al variar los condensadores (C1, C2) o las resistencias (R2, R3), la relación de marca a espacio y, por lo tanto, la frecuencia pueden modificarse.

Vimos en el tutorial de descarga RC que el tiempo necesario para que la tensión a través de un capacitor caiga a la mitad de la tensión de alimentación (0.5 Vcc) es igual a 0.69 veces la constante de tiempo de la combinación de capacitor y resistencia.

Tiempo Periódico del Multivibrador Astable

La cantidad de tiempo que el transistor TR2 está «OFF» será igual a 0.69T o 0.69 veces la constante de tiempo de C1 x R3. Asimismo, la duración del transistor TR1 «OFF» será igual a 0.69T o 0.69 veces la constante de tiempo de C2 x R2. El tiempo periódico total (T) se define como:

T = t1 + t2 = 0.69 (C1R3 + C2R2)

Donde, R está en Ohmios (Ω) y C en Faradios (F).

Frecuencia de Oscilación (Forma de Onda Simétrica)

Si el valor del condensador C1 es igual al valor del condensador C2 (C1 = C2) y también el valor de la resistencia de base R2 es igual al valor de la resistencia de base R3 (R2 = R3), la longitud total de tiempo del ciclo del Multivibrador se da a continuación para una forma de onda de salida simétrica:

T = 1.38 RC

Y la frecuencia de oscilación (ƒ) es:

ƒ = 1 / T = 1 / (1.38 RC) ≈ 0.72 / (RC)

Donde, R está en Ohmios (Ω), C está en Faradios (F), T está en segundos (s) y ƒ está en Hertz (Hz).

Esto se conoce como la «Frecuencia de Repetición de Pulso». Así, los Multivibradores Astables pueden producir dos salidas de onda cuadrada muy cortas (las formas de onda de cada transistor) o una salida rectangular mucho más larga, ya sea simétrica o no simétrica, dependiendo de la constante de tiempo de la red RC, como se muestra a continuación.

Formas de Onda del Multivibrador Astable

[Aquí se insertaría el diagrama de las formas de onda]

Ejemplos de Cálculo

Ejemplo de Multivibrador Astable N° 1

Se requiere que un circuito Multivibrador Astable produzca una serie de pulsos a una frecuencia de 500 Hz con una relación de marca a espacio de 1:5. Si R2 = R3 = 100 kΩ, calcule los valores de los condensadores C1 y C2 requeridos.

Primero, calculamos el tiempo periódico total (T):

T = 1 / ƒ = 1 / 500 Hz = 0.002 segundos (2 ms)

La relación de marca a espacio es t1 / t2 = 1 / 5. Por lo tanto, t2 = 5t1.

T = t1 + t2 = t1 + 5t1 = 6t1

t1 = T / 6 = 0.002 s / 6 = 0.333 ms

t2 = 5 * t1 = 5 * 0.333 ms = 1.667 ms

Ahora, utilizamos las fórmulas de tiempo parcial:

t1 = 0.69 C2 R2

t2 = 0.69 C1 R3

Al reorganizar la fórmula anterior para el tiempo periódico, los valores de los condensadores requeridos para dar una relación de marca a espacio de 1:5 se dan como:

C2 = t1 / (0.69 R2) = 0.333 x 10⁻³ s / (0.69 x 100 x 10³ Ω) ≈ 4.83 nF

C1 = t2 / (0.69 R3) = 1.667 x 10⁻³ s / (0.69 x 100 x 10³ Ω) ≈ 24.1 nF

Los valores de 4.83 nF y 24.1 nF, respectivamente, son valores calculados. Tendríamos que elegir los valores preferidos más cercanos para C1 y C2 que permitan la tolerancia de los condensadores. De hecho, debido a la amplia gama de tolerancias asociadas con el condensador, la frecuencia de salida real puede diferir hasta ±20% (400 a 600 Hz en nuestro ejemplo simple) de la frecuencia real necesaria.

Tabla de Frecuencia para Multivibradores Astables Simétricos

Si requerimos que la forma de onda astable de salida sea no simétrica para su uso en circuitos de tipo de sincronización o de puerta, podríamos calcular manualmente los valores de R y C para los componentes individuales requeridos, como hicimos en el ejemplo anterior. Sin embargo, cuando los dos R y C son iguales, podemos facilitarnos la vida utilizando tablas para mostrar las frecuencias calculadas de los multivibradores astables para diferentes combinaciones o valores de R y C.

Tabla de Frecuencia de Multivibradores Astables (R2=R3, C1=C2)

Las tablas de frecuencia precalculadas pueden ser muy útiles para determinar los valores requeridos de R y C para una frecuencia de salida simétrica particular sin la necesidad de recalcularlos cada vez que se requiera una frecuencia diferente.

Ajuste de Frecuencia Variable

Cambiando las dos resistencias fijas, R2 y R3, por un potenciómetro de doble efecto y manteniendo los valores de los condensadores iguales, la frecuencia de la salida del Multivibrador Astable se puede «sintonizar» más fácilmente para dar un valor de frecuencia particular o para compensar las tolerancias de los componentes utilizados.

Por ejemplo, seleccionando un valor de condensador de 10 nF de la tabla anterior. Al utilizar un potenciómetro de 100 kΩ para nuestra resistencia, obtendríamos una frecuencia de salida que se puede ajustar completamente desde un poco más de 71.4 kHz hasta 714 Hz, aproximadamente 3 décadas de rango de frecuencia. Del mismo modo, un valor de condensador de 47 nF daría un rango de frecuencia de 152 Hz a más de 15 kHz.

Ejemplo de Multivibrador Astable N° 2 (Frecuencia Variable)

Un circuito Multivibrador Astable se construye usando dos condensadores de igual valor de 3.3 µF y dos resistencias base de valor 10 kΩ. Calcule las frecuencias mínimas y máximas de oscilación si se conecta un potenciómetro de dos bandas de 100 kΩ en serie con las dos resistencias.

1. Frecuencia Máxima (Potenciómetro al 0%):

El valor de la resistencia de base es igual a 10 kΩ.

ƒ_máx = 0.72 / (R * C) = 0.72 / (10 kΩ * 3.3 µF) ≈ 21.8 Hz

2. Frecuencia Mínima (Potenciómetro al 100%):

El valor de la resistencia base es igual a 10 kΩ + 100 kΩ = 110 kΩ.

ƒ_mín = 0.72 / (R * C) = 0.72 / (110 kΩ * 3.3 µF) ≈ 1.98 Hz

Luego, la frecuencia de salida de la oscilación para el multivibrador astable se puede variar entre 2.0 Hz y 22 Hz (aproximadamente).

Consideraciones de Diseño y Componentes

Al seleccionar tanto la resistencia como los valores de capacitancia para un funcionamiento confiable, las resistencias de base deben tener un valor que permita que el transistor se encienda completamente cuando el otro transistor se apaga. Por ejemplo, considere el circuito de arriba. Cuando el transistor TR2 está completamente «ENCENDIDO» (saturación), casi el mismo voltaje cae a través de la resistencia R3 y la resistencia de carga R4.

Si el transistor que se está utilizando tiene una ganancia de corriente (β) de 100 y la resistencia de carga del colector R4 es, por ejemplo, 1 kΩ, el valor máximo de la resistencia de base sería, por lo tanto, de 100 kΩ. Cualquier nivel superior y el transistor no se puede «ENCENDER» por completo, lo que da como resultado que el multivibrador dé resultados erráticos o que no oscile en absoluto. Del mismo modo, si el valor de la resistencia de base es demasiado bajo, es posible que el transistor no se apague y el multivibrador no oscile nuevamente.

Mejora de la Forma de Onda de Salida

Se puede obtener una señal de salida del terminal de colector de cualquiera de los transistores en el circuito del Multivibrador Astable, con cada forma de onda de salida como una imagen reflejada de sí misma. Vimos anteriormente que el borde anterior de la forma de onda de salida está ligeramente redondeado y no es perfectamente cuadrado debido a las características de carga del condensador en el circuito de acoplamiento cruzado.

Podemos introducir otro transistor en el circuito que producirá un pulso de salida casi perfectamente cuadrado y que también se puede usar para conmutar cargas de corriente más altas o cargas de baja impedancia, como LED o altavoces, sin afectar el funcionamiento del multivibrador astable real. Sin embargo, la desventaja de esto es que la forma de onda de salida no es perfectamente simétrica, ya que el transistor adicional produce un retraso muy pequeño. Considere los dos circuitos de abajo.

Circuito de Conducción del Multivibrador Astable

[Aquí se insertaría el diagrama del circuito con TR3]

Una salida con un borde delantero cuadrado se produce ahora desde el tercer transistor, TR3, conectado al emisor del transistor TR2. Este tercer transistor conmuta a «ON» y «OFF» al unísono con el transistor TR2. Podemos usar este transistor adicional para conmutar diodos emisores de luz (LED), relés o para producir un sonido desde un transductor de sonido como un altavoz o una sonda piezoeléctrica, como se muestra arriba.

La resistencia de carga, Rx, debe elegirse adecuadamente para tener en cuenta las caídas de voltaje hacia adelante y para limitar la corriente máxima a aproximadamente 20 mA para el circuito LED o para dar una impedancia de carga total de aproximadamente 100 Ω para el circuito del altavoz. El altavoz puede tener cualquier impedancia inferior a 100 Ω.

Al conectar un transistor adicional, TR4, al circuito emisor del otro transistor, TR1, de manera similar, podemos producir un circuito multivibrador astable que destellará dos juegos de luces o LED de uno a otro a una velocidad determinada por la constante de tiempo de la red de temporización RC.

Conclusión

En el siguiente tutorial sobre formas de onda y señales, veremos los diferentes tipos de Multivibradores Astables que se utilizan para producir una forma de onda continua de salida. Estos circuitos, conocidos como osciladores de relajación, producen una onda cuadrada o rectangular en sus salidas para su uso en circuitos secuenciales como un pulso de reloj o una señal de temporización. Estos tipos de circuitos se llaman generadores de forma de onda.