funcionamiento y descripción de los multivibradores monoestables y astables

1. MULTIVIBRADORES MONOESTABLE Y ASTABLE
ELECTRONICA
I.E BRAULIO GONZALEZ
2015
11-A

2. MULTIVIBRADORES MONOESTABLE Y ASTABLE
JOSE MIGUEL BERNAL VELANDIA
PRESENTADO: ING. KEVIN BARRERA
ELECTRONICA
I.E BRAULIO GONZALEZ
2015
11-A

3. Monoestable
El monoestable es un circuito multivibrador que realiza una función secuencial
consistente en que al recibir una excitación exterior, cambia de estado y se
mantiene en él durante un periodo que viene determinado por una constante de
tiempo. Transcurrido dicho período, la salida del monoestable vuelve a su estado
original. Por tanto, tiene un estado estable (de aquí su nombre) y un estado casi
estable.
Figura 1.- Circuito multivibrador monoestable
En la Figura 1 se representa el esquema de un circuito multivibrador monoestable,
realizado con componentes discretos, cuyo funcionamiento es el siguiente:
Al aplicar la tensión de alimentación (Vcc), los dos transistores iniciarán la
conducción, ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las
resistencias R-2 y R-3, pero como los transistores no serán exactamente idénticos,
por el propio proceso de fabricación y el grado de impurezas del
material semiconductor, uno conducirá antes o más rápido que el otro.
Supongamos que es TR-2 el que conduce primero. El voltaje en su colector estará
próximo a 0 voltios (salida Y a nivel bajo), por lo que la tensión aplicada a la base
de TR-1 a través del divisor formado por R-3, R-5 , será insuficiente para que
conduzca TR-1. En estas condiciones TR-1 permanecería bloqueado
indefinidamente.
Pero si ahora aplicamos un impulso de disparo de nivel alto por la entrada T, el
transistor TR-1 conducirá y su tensión de colector se hará próxima a 0 V, con lo
que C-1, que estaba cargado a través de R-1 y la unión base-emisor de TR-2, se
descargará a través de TR-1 y R-2 aplicando un potencial negativo a la base de
TR-2 que lo llevará al corte (salida Y a nivel alto) . En esta condición la tensión
aplicada a la base de TR-1 es suficiente para mantenerlo en conducción aunque
haya desaparecido el impulso de disparo en T.
Seguidamente se inicia la carga de C-1 a través de R-2 y TR-1 hasta que la

4. tensión en el punto de unión de C-1 y R-2 (base de TR-2) sea suficiente para que
TR-2 vuelva a conducir y TR-1 quede bloqueado. La duración del periodo cuasi
estable viene definido por los valores de C-1 y R-2.
Monoestables integrados
Se encuentran monoestables integrados en varias familias lógicas,
tanto TTL (9601, 74121 y otros) como CMOS (4047, 4528,...). Son circuitos que
comprenden parte analógica, que es la generación del pulso, y parte digital, que
proporciona varias funciones lógicas entre las entradas y las salidas digitales.
La precisión de la temporización depende de la parte analógica, que suele
consistir en un generador de corriente que carga un condensador C (externo) y
un comparador de tensión. Muchas veces el generador de corriente sólo es una
resistencia R (externa o interna) conectada a Vcc. La duración del pulso es
función de R·C, aunque la dependencia exacta depende del modelo. Entonces, las
tolerancias de R y C aparecen directamente como errores en la duración del pulso,
así como sus variaciones con la temperatura. Además es la parte más sensible al
ruido.
La parte digital les añade distintas prestaciones, produciendo diversos tipos de
monoestables:
 Restaurable o resetable: Una entrada de reset permite interrumpir el pulso
en cualquier momento, dejando el dispositivo preparado para un nuevo
disparo.
 Redisparable (retriggerable): Permite reiniciar el pulso con un nuevo
disparo antes de completar la temporización. Digamos que se tiene un
temporizador de 4 ms, pero a los 2 ms de iniciado el pulso se realiza un
nuevo disparo; la duración que se obtiene es de 2 + 4 = 6 ms. Los
monoestables no redisparables sólo permiten el disparo cuando no existe
ninguna temporización en curso. Es decir, en el ejemplo anterior ignoraría el
segundo disparo y se obtendría un pulso de 4 ms solamente.
 Monoestable-Multivibrador: Son monoestables dobles (Dos, normalmente
independientes) en la misma cápsula que permiten su conexión de forma
que el fin del pulso generado por uno de ellos dispara al otro. Permiten el
control preciso e independiente de los tiempos alto y bajo de la señal de
salida.
 Para temporizaciones largas, se añaden contadores a un multivibrador que
prolongan la duración del pulso. Por ejemplo, el ICM7242.

5. El uso de monoestables en circuitos digitales está fuertemente desaconsejado,
ya que añaden imprecisiones debidas a los componentes analógicos, mayor
sensibilidad al ruido y a fuertes golpes , y aumentan el consumo en niveles
altísimos y el tamaño es demasiado grande. En su lugar se utilizarán contadores
digitales que generen las temporizaciones a partir de un reloj de referencia.
Otros Monoestables
Además de los circuitos anteriores, existen circuitos con una parte digital muy
reducida, que se pueden utilizar bien como monoestables o como multivibradores
y existen tanto en tecnología bipolar como cmos. El NE555 es el paradigma de
este tipo de circuitos.
Multivibrador monoestable con amplificador operacional
Figura 2.- Circuito multivibrador monoestable con amplificador operacional
El circuito de la figura 2 corresponde a un multivibrador astable ampliado con una
etapa de disparo y un diodo fijador de voltaje en el condensador C1.
Debe escogerse un valor de R4 mucho mayor a R1 para que, cuando el diodo D2
conduzca, sólo pase una pequeña corriente por él, permitiendo que el terminal V+
se aproxime al divisor entre R2 y R1.
Inicialmente el operacional, por sus propias imperfecciones físicas, generará
aleatoriamente una pequeña diferencia entre sus terminales, la cual rápidamente
se regenerará a través de la realimentación del operacional, haciendo que éste
entre en saturación alcanzando un estado estable indefinidamente.

6. Si se inyecta una señal cuadrada a la entrada del disparador, compuesto por R4,
C2 y D2, se producirá un impulso negativo en el terminal no inversor.
Si inicialmente el circuito se encontraba en modo de saturación positiva el pulso
establecerá una diferencia entre los terminales suficiente para cambiar el modo a
saturación negativa, a partir de este momento el multivibrador entra en un estado
"cuasi estable". El condensador C1, fijado a la tensión del diodo D1, comenzará
una descarga tratando de alcanzar el voltaje de saturación negativa, pero al
superar negativamente el valor del divisor de tensión entre R1 y R2, conmutará
nuevamente a saturación positiva. El condensador volverá a cargarse con una
constante de tiempo C1*R3 buscando el voltaje de saturación positiva hasta
encontrar el voltaje del diodo D1, permaneciendo estacionado en ese valor hasta
la generación de un nuevo pulso.
Es importante resaltar dos intervalos de tiempo: el tiempo de modo "cuasi estable"
y el tiempo de recuperación del condensador. La generación de un nuevo pulso
debe respetar la suma de estos dos intervalos, de lo contrario podría no obtenerse
los resultados esperados.
 Tiempo en que el circuito se encuentra "cuasi estable"
 Tiempo de recuperación:
: Voltaje de alimentación del operacional menos el voltaje de Swing (Vswing
aprox. 2V a 3V)
: Voltaje del diodo D1
El tiempo entre pulsos no debe ser menor a:
De esta forma se requiere que la señal de entrada posea una frecuencia menor a:
Circuito integrado 555

7. NE555 de Signetics en un dual in line package.
El temporizador IC 555 es un circuito integrado (chip) que se utiliza en una
variedad de aplicaciones y se aplica en la generación de pulsos y de oscilaciones.
El 555 puede ser utilizado para proporcionar retardos de tiempo, como un
oscilador, y como un circuito integrado flip-flop. Sus derivados proporcionan hasta
cuatro circuitos de sincronización en un solo paquete. Introducido en 1971 por
Signetics, el 555 sigue siendo de uso generalizado debido a su facilidad de uso,
precio bajo y la estabilidad. Lo fabrican muchas empresas en bipolares y también
en CMOS de baja potencia. A partir de 2003, se estimaba que mil millones de
unidades se fabricaban cada año.
Descripción de las patillas del temporizador 555
Pines del 555.
 GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente
tierra (masa).
 Disparo (normalmente la 2): Es donde se establece el inicio del tiempo de
retardo si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparo
ocurre cuando esta patilla tiene menos de 1/3 del voltaje de alimentación. Este
pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo
la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra
vez.

8.  Salida (normalmente la 3): Aquí veremos el resultado de la operación
del temporizador, ya sea que esté conectado como monoestable, estable u
otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc)
menos 1.7 V. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la
ayuda de la patilla de reinicio (normalmente la 4).
 Reinicio (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios,
pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se
utiliza hay que conectarla a alimentación para evitar que el temporizador se
reinicie.
 Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el
modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi
desde Vcc (en la práctica como Vcc -1.7 V) hasta casi 0 V (aprox. 2 V menos).
Así es posible modificar los tiempos. Puede también configurarse para, por
ejemplo, generar pulsos en rampa.
 Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que se
utiliza para poner la salida a nivel bajo.
 Descarga (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad el
condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.
 Voltaje de alimentación (VCC) (normalmente la 8): es la patilla donde se
conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 V hasta 16 V.
Multivibrador monoestable
Esquema de la aplicación de multivibrador monoestable del 555.
En este caso el circuito entrega un solo pulso de un ancho establecido por el
diseñador.

9. El esquema de conexión es el que se muestra. La fórmula para calcular el tiempo
de duración (tiempo en el que la salida está en nivel alto) es:
[S]
[Segundos]
Nótese que es necesario que la señal de disparo sea de nivel bajo y de muy corta
duración para iniciar la señal de salida.
Multivibrador Astable
Esquema de la aplicación de multivibrador astable del 555.
Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda
cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del
circuito. El esquema de conexión es el que se muestra. La señal de salida tiene un
nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2. La duración de estos
tiempos depende de los valores de R1, R2 y C, según las fórmulas siguientes:
[Segundos]
y
[Segundos]
La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la fórmula:
El período es simplemente:
También decir que si lo que queremos es un generador con frecuencia variable,
debemos variar la capacidad del condensador, ya que si el cambio lo hacemos
mediante los resistores R1 y/o R2, también cambia el ciclo de trabajo o ancho de
pulso (D) de la señal de salida según la siguiente expresión:

10. Hay que recordar que el período es el tiempo que dura la señal hasta que ésta se
vuelve a repetir (Tb - Ta).
CORRECCIÓN: Para realizar un ciclo de trabajo igual al 50% se necesita colocar
el resistor R1 entre la fuente de alimentación y la patilla 7; desde la patilla 7 hacia
el condensador se coloca un diodo con el ánodo apuntando hacia el condensador,
después de esto se coloca un diodo con el cátodo del lado del condensador
seguido del resistor R2 y este en paralelo con el primer diodo, además de esto los
valores de los resistores R1 y R2 tienen que ser de la misma magnitud.
Multivibrador astable a transistores:
El astable con dos transistores NPN es de los primeros circuitos que se estudian
cuando se habla de transistores en conmutación. Como su esquema es tan
simple, es de esas cosas pequeñas que te crees que las entiendes, hasta que te
das cuenta de que tú también habrías colocado los condensadores del revés. Voy
a explicar despacio cómo funciona, y veréis que aunque parece sencillo su
funcionamiento es interesante.
Estado 1: Q1 conduce, Q2 en corte
Un astable tiene dos estados, y ambos son inestables, de forma que el circuito
alterna continuamente uno con otro. Empecemos por el estado 1. Al contrario de
otras explicaciones que veréis, yo no voy a partir de cuándo se aplica tensión.
Mejor os cuento cómo está el circuito justo al empezar el estado 1, como si
acabara de conmutar desde el estado 2. De momento tendréis que creerme estas
condiciones iniciales, pero al final del artículo entenderéis por qué.
Al comienzo del estado 1:

11.  Q1 está en conducción.
 Q2 está en corte.
 C1 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7.
 C2 está cargado negativamente (el terminal + está a menos tensión que el -
con un potencial de -0.7V.
Como Q2 está en corte vamos a considerar que no pasa corriente por sus
terminales. Así imaginariamente sacamos Q2 del circuito. Como Q1 está en
conducción, su unión Base-Emisor es como un diodo polarizado en directo
(sustituimos esta unión por un diodo); y al estar saturado suponemos que la
pérdida de tensión Emisor-Colector es mínima (sustituiremos esta por un
conductor).
Recoloquemos los componentes para verlo más claro.
C2 va a cargarse a través de R4 y la base de Q1. Así pues C2, que empezó con -
0.7V va a cargarse hasta Vcc-0.7V (no llega a Vcc porque 0.7V es la caída de
tensión B-E de Q1). Y además esta carga será muy rápida porque R1 y R4 serán
de un valor muy bajo comparadas con R2 y R3.
Mientras tanto C1, que partía con Vcc-0.7 voltios positivos, ahora está conectado
del revés. Así que empieza a descargarse (o a cargarse negativamente, da igual)
a través de R2. Esta carga será más lenta. Desde los Vcc-0.7 hasta... en teoría
hasta -V (pongo el menos para indicar que está invertido), pero no va a llegar ahí.
Porque cuando C1 alcanza los -0.7V, su terminal + está a masa y el - tiene ya
0.7V, y este último está conectado a la base de Q2. ¿Qué pasa cuando cuando a
un NPN le aplicamos a su base 0.7 voltios más que a su emisor?
La tensión BE de Q2 es 0.7 más o menos, mientras la tensión en la base esté por
debajo de ese valor no va a conducir. En el momento en que se alcanza esa
tensión ya sí conduce. La base de Q2 queda polarizada a través de R2.

12. Recordemos que a estas alturas C2 se había cargado completamente hasta Vcc-
0.7. Pues cuando Q2 pasa a conducción conecta a masa el terminal + de C2,
mientras el - sigue aplicado a la base de Q1. Es como si se aplicara el
condensador, invertido, a Q1. La base de Q1 recibe de golpe -(Vcc-0.7) que lo
lleva inmediatamente al corte. Pudiendo incluso provocar una ruptura de la unión
por avalancha. En estas condiciones entramos al estado 2.
Estado 2: Q1 en corte, Q2 conduce
Tal como hicimos para el estado 1, vamos a describir las condiciones iniciales del
estado 2. Que son las del párrafo anterior.
Al comienzo del estado 2:
 Q1 está en corte.
 Q2 está en conducción.
 C1 está cargado negativamente con un potencial de -0.7V.
 C2 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7.
Haciendo lo mismo que antes, vamos a eliminar Q1 del circuito y vamos a sustituir
Q2 por un diodo y un puente:
Vemos que C1 va a ir desde -0.7V hasta los Vcc-0.7V, rápidamente pues R1 es
pequeña.
C2 va a (des)cargarse lentamente a través de R3 desde los Vcc-0.7V hasta los -
Vcc,¡MENTIRA! sólo va a llegar hasta -0.7V. Porque cuando llegue ahí Q1 va a
conducir, va a llevar a masa el + de C1 y va a aplicar a la base de Q2 toda la
carga de C1 invertida, llevándolo al corte. Y provocando el estado 1 de nuevo.
Vemos que cuando eso pase tendremos:
 Q1 está en conducción.
 Q2 está en corte.

13.  C1 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7V.
 C2 está cargado negativamente con un potencial de -0.7V.
Que son justamente las condiciones iniciales que dimos para el estado 1. Así el
ciclo se repite indefinidamente.
Calcular los componentes
Para empezar, nos interesa que los condensadores se cargen por R1 y R4 más
rápidamente de lo que se descargan por R2 o R3. Porque cuando ocurra la
transición queremos que el otro ya esté cargado. Así que R1 < R2 y R4 < R3. Por
simplicidad haremos R1 = R4. Pero no nos interesa que la corriente que fluye
Emisor-Colector durante la carga queme los transistores. Dependidiendo de la
tensión de alimentación, un valor entre 100ohm y 1k estaría bien. Recordad
cumplir las condiciones anteriores.
El tiempo que tarda en conmutar del estado 1 al estado 2 viene dado por lo que le
lleva a C1 descargase desde los Vcc-0.7V hasta los -0.7V. Lo hace a través de
R2, y usando la ecuación de carga de un condensador tenemos:
Donde:
 Tensión inicial: V0 = Vcc-0.7
 Tensión en bornes: E = - Vcc
 Tensión final: V = -0.7

14. Este último valor es el que suele darse habitualmente. La aproximación tiene un
margen de error que es menor cuanto mayor sea la tensión de alimentación. Con
5V el error es de un 10%, como es del mismo orden que la tolerancia de los
componentes se admite tal aproximación.
Límites
 Transistores: Cuando el transistor que estaba en corte pasa a conducir,
aplica a la base del otro una tensión negativa de -(Vcc-0.7V). La tensión inversa
de ruptura de la unión BE viene a ser -5 voltios. Si alimentamos este circuito con
más de 5V fácilmente la superaríamos. Para evitar esto a veces se colocan dos
diodos en la base de Q1 y Q2 que permitan la carga pero impidan que circule
corriente en sentido inverso.
 Condensadores: Para un cerámico o uno de poliester no hay problema,
pero en un electrolítico invertir los terminales para cargarlo del revés puede
destruirlo. Si bien es cierto que aquí sólo se llegan a cargar invertidos hasta los
0.7V.
 Tiempo: El tiempo viene determinado por la capacidad de C1 y C2 así
como por R2 y R3. Mientras más altos sean estos valores más durará cada
estado. Pero si usamos unos condensadores demasiado grandes, puede que
tengan demasiadas pérdidas y el circuito no empiece a oscilar. Igualmente para
las resistencias, si aumentamos demasiado el valor de R2 por ejemplo, puede que
no pase corriente bastante para polarizar la base de Q2 una vez se alcance la
tensión de disparo. Si no puede llevarlo a conducción, no se alcanzará nunca el
estado 2. Si se necesitan retardos mayores se puede optar por transistores
darlington, aunque dado el coste de los condensadores de la capacidad necesaria
es mejor optar por otros temporizadores como el NE555 o el CD4060.
 Frecuencia: Así como hay un límite superior del periodo, también hay un
límite inferior. Puede pasar que queramos un periodo tan bajo que usemos
condensadores y resistencias muy pequeños. Entonces al conectar el circuito se
cargarán ambos casi al instante, para dos los transistores. Así el circuito queda en
un estado estable y no oscila. Por no hablar de que a esas frecuencias si oscilara
sería muy inestable, variando la frecuencia sólo con acercar o alejar la mano. Si
queremos frecuencias de MHz tendremos que usar otros osciladores, a ser posible
sintonizados por un cristal de cuarzo.
Fijar el estado inicial
Si el circuito es perfectamente simétrico no oscilará, porque está equilibrado. Pero
eso nunca pasa porque los componentes tienen tolerancias e imperfecciones. No

15. hay dos resistencias del mismo valor ni dos transistores con la misma ganancia.
Son estas diferencias las que rompen la simetría y el circuito empieza a oscilar.
Pero son diferencias microscópicas y dependen de tantos factores que no las
podemos controlar: temperatura, carga residual de los condensadores, longitud de
las patillas, soldaduras, grosor de las pistas de cobre, etc. Así que nunca sabemos
de qué lado empezará.
Para hacer que siempre empiece del mismo lado tenemos que romper nosotros la
simetría para favorecer un transistor frente al otro. Lo más sencillo es alterar el
valor de los componentes para que un condensador se cargue antes que el otro.
Lo malo es que el Duty Cycle (la fracción entre el tiempo en off y el tiempo en on)
nunca será del 50%, porque al favorecer nosotros una de las posiciones, los ciclos
de carga y descarga ya no durarán lo mismo.
La única forma de hacer que ambos ciclos duren lo mismo (salvo pequeñas
diferencias) y que siempre empiece por el mismo sitio es forzándolo nosotros: en
lugar de poner el interruptor en la alimentación, ponerlo en la base de algún
transistor.
Nada más alimentar el circuito llegará a un estado que dependerá de dónde
hayamos puesto el interruptor. Y no hará nada más, porque esta incompleto.
Cuando pulsemos el interruptor el circuito oscilará partiendo de ese estado inicial
que siempre será el mismo. La desventaja es que siempre habrá un consumo de
corriente aunque el interruptor esté apagado.