• Non ci sono risultati.

Multivibratori astabili

Nel documento Elettronica Applicata (pagine 185-191)

operazionale fuori linearità Indice

5.2 Multivibratori astabili

Una interessante applicazione dei circuiti appena studiati senza dubbio è il multivibratore astabile. Esso è un generatore di forma d’onda quadra, au-tooscillante. Il nome astabile deriva dal fatto che il circuito ha due soli stati di

Vi Vi Vu Vu VS1 VS1 VS2 VS2 VOH VOH VOL VOL VR VR

Figura 5.6: Transcaratteristica dei comparatori di soglia con isteresi. In alto quella dell’invertente e in basso quella del non invertente.

+ + V OL V OH RP U I0

Figura 5.7: Modello circuitale della sola parte di uscita di un generico comparatore di soglia trovabile in commercio.

funzionamento, nessuno dei quali è definitivamente stabile: il circuito rimane per uno degli stati solo per il tempo per il quale dura la stabilità, saltando poi repentinamente nell’altro stato, dove si rimarrà per un certo tempo, e continuare ad oscillare tra uno e l’altro.

Quello che ci serve è dunque un circuito tale per cui, dopo un certo tempo, si abbia una commutazione automatica di stato (autooscillazione). Un’idea, dunque, potrebbe essere la seguente: utilizzando elementi circuitali in grado di accumulare energia, raggiunto un certo livello energetico costringono una certa circuiteria a commutare di stato, passando in una condizione di fun-zionamento in cui l’energia accumulata si scaricherà, fino a far ri-commutare lo stato. Conosciamo elementi in grado di fungere da accumulatori energetici? Certamente: qualsiasi elemento reattivo è in grado di immagazzinare, sotto forme diverse (carica, campo magnetico) energia; dal momento che gli indut-tori non ci stanno molto simpatici, poichè difficili da realizzare, si può intuire che sceglieremo i condensatori.

Si parla di commutazione di stati quando si è raggiunto un certo livello di accumulo energetico, quindi possiamo immaginare che la circuiteria alla base del “misuratore di energia” sarà semplicemente un comparatore di soglia. In particolare sarà invertente: comparando la tensione ai capi di un conden-satore, si riesce a quantificare l’energia presente in esso, dunque a stabilire l’istante della commutazione.

A questo punto possiamo prendere in considerazione e analizzare il fun-zionamento del circuito dello schema 5.8. Come al solito, abbiamo sul

morset-+VAL −VAL Vu VC C R R1 R2

Figura 5.8: Schema circuitale del multivibratore astabile: si nota una certa somiglianza con il comparatore di soglia.

to invertente una corrente pressochè nulla, dal momento che gli stadi di in-gresso di un operazionale hanno o la base di un BJT o ancor peggio il gate di un MOSFET. Dunque, R e C sono in serie: su di essi vi è la stessa corrente! I possibili livelli delle tensioni di uscita del circuito sono come nel com-paratore di soglia: VOH e VOL; il riferimento di tensione è infine collegato a 0 V, dal momento che VR = 0 V (essendo R1 collegata al potenziale di riferimento).

Come funziona questo sistema? Cerchiamo di capirlo, in modo qualitativo, prima di passare al matematichese: una volta acceso il dispositivo, l’uscita si troverà in uno dei due stati, VOLo VOH; supponiamo per ipotesi che lo stato iniziale sia VOH, supposizione che non ci provoca problemi di alcun tipo: i conti son del tutto analoghi, supponendo che l’uscita sia bassa, al momento dell’accensione. Se Vu = VOH, il condensatore tenderà a caricarsi, con un transitorio di tipo esponenziale fino al raggiungimento della tensione VOH, che per lui sarà una sorta di traguardo d’arrivo, ossia, livello di regime V. Il fatto che Vu = VOH, dunque, costringe il condensatore a tendere al suddetto livello di tensione, fino a quando non interviene VS1, ossia la tensione di soglia alta, che, appena raggiunta, farà commutare lo stato del circuito, portando l’uscita ad un livello pari a Vu = VOL; il condensatore, vedendo il cambio di tensione, cambia direzione e viaggia verso il traguardo di partenza (!) svuotandosi e

0 Vu VC VOL VOH VS1 VS2 V t T 2 T 3 2T

Figura 5.9: Andamento delle tensioni Vu e VC rispettivamente in blu e rosso. cercando a questo punto di raggiungere un nuovo livello di regime, divenuto

VOL. la storia si ripete: il transitorio esponenziale del condensatore tende a raggiungere questo nuovo punto fino al raggiungimento della soglia VS2, che farà commutare il circuito, la cui uscita tornerà a raggiungere il livello

VOH. Attenzione: la tensione sul condensatore, dunque, ha un andamento a dente di sega (fig. 5.9) ma, quello della Vu, è un’onda quadra (a causa del comparatore di soglia built-in)!

Abbiamo spiegato come funziona il circuito, passiamo al matematichese: a partire dal calcolo della tensione sul condensatore, vC(t), coerentemente con il discorso precedente si considera t = 0 l’istante della seconda commutazione, quella da livello basso a livello alto dell’uscita. Supponendo che le soglie siano equidistanti dal potenziale di riferimento di 0 V, possiamo dire che il periodo del multivibratore astabile sarà il doppio di uno dei due semiperiodi. Dopo la commutazione le tensioni “notevoli” saranno: V = Vu = VOH, V0+ = VS2 e l’impedenza vista dalla capacità C, sarà semplicemente la resistenza R ad essa in serie; ricordiamo dunque la formula del transitorio:

vC(t) = (V0+− V) eτt + V

Riepologando tutto ciò che abbiamo finora detto, avremo che:

Quindi:

vC(t) = (VS2− VOH) eRCt + VOH

Dopo un semiperiodo, t = T

2, dove ovviamente T è il periodo di oscil-lazione del circuito multivibratore (nonchè periodo dell’onda quadra in usci-ta!), si sarà raggiunta, a partire dalla tensione VS2, la tensione VS1, poichè il condensatore si sarà caricato a sufficienza da provocare la commutazione di stato; si può dunque dire che:

VS1 = (VS2− VOH) e2RCT + VOH

Dal momento che vogliamo trovare T , invertiamo la formula, ottenendo:

e2RCT = VS1− VOH

VS2− VOH

Calcolandone il logaritmo naturale:

T = −2RC lnVS1− VOH

VS2− VOH 

Usando la proprietà del logaritmo, portiamo il “-1” all’esponente, inver-tendo la frazione, e ottenendo l’espressione operativa di T :

T = 2RC lnVS2− VOH

VS1− VOH 

Dato che le varie espressioni delle tensioni si potrebbero estrarre dal datasheet dell’amplificatore operazionale in uso, tuttavia è possibile ripren-dere le equazioni ricavate nello studio dei comparatori di soglia, e veripren-dere che: VS1 = VOH R1 R1+ R2; VS2 = VOL R1 R1+ R2

Invertendo e sostituendo, imponendo VOH = −VOL, si trova che:

VOH− VS1 = VOH  1 − R1 R1+ R2  = VOH R2 R1+ R2 VOH− VS2 = VOH  1 + R1 R1+ R2  = VOH 2R1+ R2 R1 + R2 Sostituendo nell’espressione di T : T = 2RC ln VOH2R1+R2 R1+R2 VOHR1R+R2 2 = 2RC ln2R1+ R2 R2 

0 t s(t)

Figura 5.10: Esempio di segnale triangolare nel dominio del tempo. Siamo così riusciti ad eliminare la dipendenza dalle tensioni di alimen-tazione, ottenendo una funzione delle sole resistenze della retroazione.

Visto che abbiamo sempre solo parlato di circuiti con ingressi e uscite, ci si potrebbe chiedere qual’è l’ingresso del multivibratore astabile.

Uhmmm... guardiamo il secondo nome del circuito: generatore di onda

quadra. Questo sistema genera, non amplifica o riproduce o attenua o altro!

In quanto generatore, non ha ingressi (a meno dell’alimentazione, che però non è un segnale in ingresso!), dunque non bisogna assolutamente stupirsi del fatto che esso abbia ingressi. Al contrario, esso viene soprattutto usato come ingresso, per circuiti di altro tipo.

Nel documento Elettronica Applicata (pagine 185-191)