Hoy describimos otro nuevo componente que se agrega a nuestra lista, el Schmitt Trigger, un desconocido para muchos que ahora dejará de ser un misterio. Y es que vamos a describir todo lo que debes conocer al respecto, como qué es, para qué sirve, cómo funciona este dispositivo electrónico, e incluso así podrás integrarlo con tus proyectos con Arduino, etc.
Así que, vamos a ver qué puede hacer este elemento por nosotros…
Conceptos previos necesarios
Antes de comenzar con el Schmitt Trigger, es necesario definir un par de conceptos que te vendrán bien para comprender mejor qué es y su funcionamiento. Me estoy refiriendo a:
- Comparador: en electrónica, un comparador es un dispositivo que compara dos voltajes o corrientes y emite una señal digital que indica cuál es mayor. Tiene dos terminales de entrada analógicas, y una salida digital binaria. Es importante tener en cuenta esto, ya que el disparador Schmitt es un tipo de comparador. Además, este comparador consta de un amplificador diferencial especializado de ganancia alta.
- Histéresis: la histéresis es una propiedad en la que el estado de un sistema depende de su historial. Por ejemplo, un imán puede tener diferentes momentos magnéticos en un campo magnético según cómo cambió el campo en el pasado, formando curvas de histéresis. Esta propiedad se observa en materiales ferromagnéticos, ferroeléctricos y fenómenos naturales como la deformación de gomas y aleaciones con memoria de forma. La histéresis se asocia con cambios irreversibles, como transiciones de fase, y es común en sistemas naturales. ¿Por qué debes saber esto? Pues porque el Schmitt Trigger es un circuito comparador con histéresis.
¿Qué es un Schmitt Trigger?
Un Schmitt Trigger, también conocido como disparador Schmitt en español, es un circuito electrónico comparador que convierte una señal de entrada analógica en una señal digital de salida. Lo hace mediante la aplicación de realimentación positiva para generar un punto de conmutación histerético, lo que significa que el umbral para cambiar entre los estados lógicos «alto» y «bajo» es diferente para la subida y la bajada de la señal de entrada. Este comportamiento histerético evita fluctuaciones no deseadas y proporciona un margen de tolerancia para señales de entrada ruidosas o con oscilaciones pequeñas.
El diseño lo creó por primera vez Otto H. Schmitt en 1934, de ahí su nombre. Desde entonces, este componente electrónico es ampliamente usado en multitud de aplicaciones como veremos más adelante. Además, debes saber que por lo general se encapsula en un circuito integrado o chip, normalmente DIP, y que consta comúnmente de un amplificador operacional (op-amp) con realimentación positiva mediante resistencias, una entrada no inversora (+) y una entrada inversora (-) del op-amp están conectadas a través de la cadena de resistencias, y también se incluye una resistencia adicional para la realimentación positiva desde la salida hasta la entrada inversora.
En cuanto al comportamiento histerético, hay que decir que cuando la señal de entrada supera cierto umbral superior, la salida del Schmitt Trigger cambia a «alto», y si la señal de entrada baja por debajo de un umbral inferior diferente, la salida cambia a «bajo». La diferencia entre los dos umbrales se llama ventana de histéresis y es esencial para el comportamiento histerético. Esto tiene ventajas, ya que evita respuestas rápidas y no deseadas debido a pequeñas fluctuaciones o ruido en la señal de entrada. Por tanto, ofrece inmunidad al ruido.
El disparador Schmitt se utiliza para mejorar la inmunidad al ruido en un circuito con un solo umbral de entrada. En este caso, una señal ruidosa cerca del umbral podría causar cambios rápidos en la salida debido al ruido. El disparador Schmitt, al tener dos umbrales, evita cambios no deseados, ya que una señal ruidosa cerca de un umbral solo produce un cambio en la salida; para provocar otro cambio, la señal debe moverse más allá del otro umbral.
Un ejemplo práctico implica un fotodiodo infrarrojo amplificado que genera una señal que cambia entre valores extremos. Esta señal se suaviza con un filtro pasa bajos, y la salida filtrada se conecta al disparador Schmitt. Este dispositivo asegura que la salida solo pase de bajo a alto después de que una señal infrarroja excite el fotodiodo durante más tiempo que un período conocido. Una vez que el disparador Schmitt está alto, solo vuelve a bajo después de que la señal infrarroja deja de excitar el fotodiodo durante más tiempo que un período similar conocido. Esto evita cambios espurios causados por el ruido del entorno. Los disparadores Schmitt son comunes en circuitos de conmutación, como para eliminar rebotes en interruptores.
Cómo funcionamiento el Schmitt Trigger
Los circuitos con histéresis se fundamentan en la retroalimentación positiva, siendo posible convertir cualquier circuito activo en un disparador Schmitt al aplicar retroalimentación positiva con una ganancia de bucle mayor que uno. La retroalimentación positiva implica agregar parte de la tensión de salida a la tensión de entrada. Estos circuitos, que incluyen un atenuador, un sumador y un amplificador actuando como comparador, se pueden implementar mediante tres técnicas específicas.
Las dos primeras técnicas son versiones duales (en serie y en paralelo) del sistema general de retroalimentación positiva. En estas configuraciones, la tensión de salida modifica la diferencia efectiva de la tensión de entrada del comparador, ya sea ‘disminuyendo el umbral’ o ‘aumentando la tensión de entrada del circuito’. Estas configuraciones incorporan las propiedades de umbral y memoria en un solo elemento. En cambio, la tercera técnica separa las propiedades de umbral y memoria, proporcionando una mayor flexibilidad en la implementación del circuito.
Utilidades y aplicaciones
Los Schmitt Trigger se pueden usar para varias aplicaciones prácticas según la configuración, por ejemplo:
- Conversión analógico a digital: este componente es efectivamente un convertidor analógico a digital de un solo bit. Cuando la señal alcanza un nivel dado, cambia de su estado bajo a alto.
- Detección de nivel: es capaz de proporcionar detección de nivel. Al realizar esta aplicación, es necesario tener en cuenta el voltaje de histéresis para que el circuito cambie en el voltaje requerido.
- Recepción de línea: al llevar una línea de datos que puede haber recogido ruido a una compuerta lógica, es necesario asegurarse de que un nivel de salida lógico solo cambie cuando cambie la información y no como resultado de ruido espurio que se haya recogido. El uso de un disparador Schmitt permite que el ruido pico a pico alcance el nivel de histéresis antes de que pueda ocurrir un disparo espurio.
Como casos más concreto, los puedes ver en circuitos donde se quieren eliminar los rebotes en botones mecánicos, en generadores de ondas cuadradas, en detectores de nivel, en circuitos de protección contra ruido en línea de datos, generadores de pulsos, y los famosos conversores ADC.
Uso como un oscilador
Un disparador Schmitt es un multivibrador biestable que se puede utilizar para implementar otro tipo de multivibrador, el oscilador de relajación. Esto se logra conectando un solo circuito integrador RC entre la salida y la entrada de un disparador Schmitt invertido. La salida será una onda cuadrada continua cuya frecuencia depende de los valores de R y C, así como de los puntos de umbral del disparador Schmitt. Dado que un solo circuito integrado puede proporcionar varios disparadores Schmitt (por ejemplo, el dispositivo CMOS de la serie 4000 tipo 40106 contiene 6 de ellos), una sección adicional del IC se puede utilizar rápidamente como un oscilador simple y confiable con solo dos componentes externos.
En este caso, se utiliza un disparador Schmitt basado en un comparador en su configuración invertida. Además, se agrega una retroalimentación negativa lenta con una red integradora RC. El resultado es que la salida oscila automáticamente desde VSS hasta VDD a medida que el condensador se carga desde un umbral del disparador Schmitt hasta el otro.
Pin-out
Debes tener en cuenta que según el modelo el pinout puede cambiar, por lo que te recomiendo siempre ver el datasheet del fabricante correspondiente al modelo que has adquirido. Sin embargo, como ejemplo, aquí tenemos un chip TTL 74LS14 con 6 disparadores en su interior. Por tanto, tenemos un pin del DIP que será para alimentación Vcc, y otro para tierra o GND. Así se alimentan todos los disparadores, y luego será cuestión de usar la entrada y salida que te convengan.
Dónde comprar
Por último, si quieres comprar uno de estos Schmitt Trigger, puedes encontrarlos en tiendas especializadas o en plataformas de venta online como Amazon:
