Análisis de multivibradores monoestables

MULTIVIBRADORES
LUIS JAVIER GONZÁLEZ ALONSO
JOSÉ ÁNGEL GAVIERO HIGUERA
TÉCNICAS DE MANTENIMIENTO DE CIRCUITOS. CURSO 2009 – 2010

Multivibradores
Luis Javier González Alonso y José Ángel Gaviero Higuera
Técnicas de Mantenimiento de Circuitos. Curso 2009 – 2010
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ÍNDICE
PÁGINA
Descripción general 2
 Características 2
 Aplicaciones 2
Tipos de multivibradores 3
 Multivibradores de funcionamiento continuo u oscilación libre 3
o Astable. Ejemplo de astable 3
 Multivibradores de funcionamiento impulsado 5
o Biestable. Ejemplo de biestable 6
o Monoestable 7
Análisis de un multivibrador monoestable con acoplamiento colector base 8
 Descripción teórica del circuito 8
 Modelos de señal grande 8
o Modelo NPN de corte 8
o Modelo NPN de saturación 9
 Análisis del circuito 9
 Circuito equivalente en estado estable 10
o Punto de operación 11
o Simulación del estado estable 11
 Q1 en corte 11
 Q2 en saturación 12
 Circuito equivalente en estado casi estable 12
o Punto de operación 13
o Simulación del estado casi estable 13
 Q1 en saturación 13
 Q2 en corte 14
 Estado de paso de casi estable a estable 14
 Entradas/salidas 15
Bibliografía 16

Multivibradores
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DESCRIPCIÓN GENERAL
El multivibrador es un circuito de electrónica analógica con dos estados que genera una señal
cuadrada.
CARACTERÍSTICAS
La principal característica de este dispositivo es su lazo de retroalimentación, lo que le
convierte en un circuito regenerativo. Este lazo de retroalimentación posee una ganancia de
voltaje muy alta cuando todos los dispositivos que lo componen se encuentran en regiones
activas, llegando a alcanzar valores de hasta varios miles.
Por otra parte, esa misma ganancia puede descender hasta valores cercanos a cero cuando
alguno de los dispositivos del lazo no está en su región activa. Esta situación tiene lugar al
encontrarse el multivibrador en su estado estable o casi estable.
Un hecho importante es la independencia de la salida respecto a la entrada, es decir, la tensión
de salida no es directamente dependiente de la entrada, por ser el multivibrador un circuito de
señal grande.
Los elementos más representativos de este tipo de circuitos son dos transistores conectados
entre sí, los cuales forman el anteriormente mencionado lazo de retroalimentación.
Otros componentes del multivibrador son resistencias y condensadores, encargados de
controlar el periodo de corte de los transistores durante la recepción de la señal de entrada.
APLICACIONES
El multivibrador, al ser un dispositivo de conmutación, se utiliza principalmente como
temporizador en circuitos digitales y analógicos. Otra importante aplicación de este tipo de
dispositivos es la de generación de formas de onda.
Determinados multivibradores son empleados frecuentemente como sistemas de cómputo.
Los multivibradores monoestables, debido a la salida que generan, suelen utilizarse para
establecer retrasos entre dos eventos de longitud determinada.

Multivibradores
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TIPOS DE MULTIVIBRADORES
Existen varios tipos de multivibradores. Su clasificación se establece en función del número de
estados estables asociados a cada uno de ellos. Debido a esta característica, los
multivibradores se dividen en astables, biestables y monoestables.
Por otra parte, estos tipos de dispositivos pueden agruparse en multivibradores de
funcionamiento continuo u oscilación libre y de funcionamiento impulsado, dependiendo de la
necesidad o no de señal de entrada para generar la señal cuadrada de salida.
MULTIVIBRADORES DE FUNCIONAMIENTO CONTINUO U OSCILACIÓN LIBRE
Este tipo de multivibradores se caracteriza por generar ondas a partir de la fuente de
alimentación, sin necesitar de ningún otro tipo de entrada para tal fin. El dispositivo de
oscilación libre también es conocido como astable.
ASTABLE
El multivibrador astable, también conocido como multivibrador de carrera libre o circuito de
reloj, no tiene estados estables, pero posee dos estados casi estables, entre los que conmuta
su salida sin necesidad de señal de entrada. Debido a la ausencia de señal de entrada, es la
propia composición del circuito la que determina el periodo de la señal de salida.
La salida resultante convierte al dispositivo en un oscilador, llamado oscilador de relajación
para diferenciarlo de otros osciladores.
Las señales de entrada y salida que caben esperarse del astable son las siguientes:
Como puede verse en la imagen, la salida alterna entre los dos estados casi estables, sin que
dicha alternancia guarde ninguna relación con la señal de entrada (en este caso inexistente).

Multivibradores
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EJEMPLO DE ASTABLE
Se puede construir un circuito astable con dos inversores conectados con realimentación RC.
Ejemplo de astable con dos inversores.
Al comienzo se supone la salida del inversor #1 con valor lógico 0, la del inversor #2 con valor
1, y el condensador descargado, dando lugar a un estado casi estable. A continuación, el
condensador se carga hasta que vx = VDD, cumpliéndose que
vx(t) = VDD(1-e-t/(RC)
)
Circuito equivalente para el primer estado casi estable.
Como vx es la entrada del inversor #2, el circuito cambia a su otro estado casi estable en t1,
que es cuando vx(t) alcanza el umbral de conmutación, 0.5 VDD.
El segundo estado del circuito se alcanza en t = t1
+
. En ese momento, la carga del condensador
hace que se cumpla
vx(t1
+
) = 1.5 VDD
Segundo estado casi estable antes de conmutar en t1.

Multivibradores
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Ahora, vx(t) se decrementa de forma exponencial desde su valor actual hasta 0. En el modelo
de equilibrio (reemplazándose el condensador por un circuito abierto), se deduce que vx = 0.
Por ello,
vx(t) = 1.5 VDD e-(t-t1)/(RC)
Formas de tensión del circuito.
Como puede verse a partir de la forma de onda, en t = t2, el circuito cambia de nuevo sus
estados (una vez que vx ha bajado hasta el umbral del inversor #2). Si se despeja 0.5T = t2 – t1,
se obtiene
0.5T = t2 – t1 = -RC ln(0.5VDD/1.5VDD) = 0.405 RC
Circuito equivalente tras la conmutación en t2.
Finalmente, se ha establecido el estado original. Desde este momento, vx(t) variará de forma
periódica entre 1.4 VDD y -0.5 VDD, cambiando su estado cada T segundos.
MULTIVIBRADORES DE FUNCIONAMIENTO IMPULSADO
Estos multivibradores, a diferencia de los de oscilación libre, requieren de una señal de
entrada para abandonar el estado estable. Atendiendo a su número de estados estables
asociados, pueden dividirse en biestables y monoestables.

Multivibradores
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BIESTABLE
El biestable se caracteriza por tener dos estados estables. Su salida cambia de un estado
estable a otro ante la aplicación de una señal de entrada, esto es, una primera señal de
entrada marcará el cambio de estado, y volverá al original cuando reciba una segunda señal.
Un tipo de biestable muy utilizado en electrónica es el flip-flop.
Las señales de entrada y salida que caben esperarse del biestable son las siguientes:
Tal como muestran ambas gráficas, el primer pulso de entrada provoca que la salida conmute
del estado estable actual al otro, manteniéndose esta situación hasta la aparición de un
segundo pulso de entrada que provoca un retorno al estado original.
EJEMPLO DE BIESTABLE
Un sencillo ejemplo de biestable lo constituye el Flip-Flop RS, el cual genera una salida y su
complementaria gracias a una realimentación mediante puertas NAND. La actividad comienza
durante la excitación, en la que R = S =0, y Qn+1
= Qn
, situación en la que el estado actual y el
siguiente son iguales. Los valores de R y S determinarán entonces el valor de Qn+1
: si R = 0 y S =
1, Qn+1
= 0; y si R = 1 y S = 0, Qn+1
= 1. En este caso, no puede darse la combinación R = S = 1, ya
que la salida correspondiente sería indeterminada.
Esquema del Flip-Flop RS.

Multivibradores
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MONOESTABLE
El multivibrador monoestable es un dispositivo que posee un estado estable y otro casi
estable. Normalmente se encuentra en un estado estable, y es el pulso de entrada el
encargado de conmutar su estado a casi estable. Así, el monoestable permanece en dicho
estado durante un periodo T, cuya duración está determinada por la configuración del
dispositivo, para después retornar de forma espontánea a su estado estable. En definitiva, el
multivibrador monoestable produce un pulso de salida de duración determinada ante un pulso
de entrada arbitrario.
Las señales de entrada y salida que caben esperarse del multivibrador monoestable son las
siguientes:
Según la gráfica, dos pulsos de entrada provocan un cambio en el dispositivo del estado estable
al casi estable, volviendo a alcanzarse el estado estable tras un periodo T.
En este caso no se incluirá un ejemplo, por ser el modelo de análisis un multivibrador
monoestable.

Multivibradores
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ANÁLISIS DE UN MULTIVIBRADOR
MONOESTABLE CON ACOPLAMIENTO
COLECTOR BASE
DESCRIPCIÓN TEÓRICA DEL CIRCUITO
El multivibrador monoestable es un circuito de conmutación cuya principal característica es
una realimentación positiva de colector y base entre sus dos transistores. Dispone de un
estado estable y un estado casi estable. Este último estado depende del condensador y la
resistencia R. Además de estos dos estados, también existe un tercer estado. Éste tiene lugar
en la situación en la que el circuito debería estar en un estado estable, sin que el condensador
se encuentre en el estado inicial (cargado), con valor Vcc – Vbe. Este estado no se va a analizar,
aunque sí se calculará su duración.
MODELOS DE SEÑAL GRANDE
Los modelos de señal grande que se utilizarán son de corte y de saturación, puesto que los
transistores del circuito no se encuentran nunca en la región activa normal (RAN).
MODELO NPN DE CORTE
En el modelo de corte se supone Ic = Ib = 0,
Modelo NPN de corte.
con la condición de que Vbe ≤ 0.7 V.

Multivibradores
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MODELO NPN DE SATURACIÓN
En el modelo de saturación se supone Vbe = 0.7 V, Vce = 0.2 V,
Modelo NPN de saturación.
con la condición de que Ic / Ib ≤ β.
ANÁLISIS DEL CIRCUITO
El circuito a analizar (junto con los valores de sus componentes) es el siguiente:
 Vcc = 15 V
 Vbb = 15 V
 R = 33 kΩ
 Rc1 = Rc2 = 2.2 kΩ
 Rk = 22 kΩ
 Rb = 50 kΩ
 Rt = 15kΩ
 C = 0.1 µF
 Ct = 100 µF
 β = 255.9
Circuito multivibrador objeto de estudio.

Multivibradores
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Para simular dicho circuito, se implementará el siguiente código:
Multivibrador monoestable
vcc 1 0 15V
vbb 0 7 15V
Rv 1 3 33k
rc1 1 2 2.2k
rc2 1 5 2.2k
rk 5 6 22k
d1 2 8 d1n4148
rt 8 0 15k
rb 6 7 50k
cv 3 2 0.1uf
q1 2 6 0 q2n2222
q2 5 3 0 q2n2222
ct 8 9 100uf
vt 9 0 pulse (0.5 0 10ms 5us 5us 1ms 10ms)
.lib eval.lib
*Análisis en el dominio del tiempo
.tran 200us 1s
.probe
.end
CIRCUITO EQUIVALENTE EN ESTADO ESTABLE
Cuando el circuito se encuentra en estado estable, el transistor Q1 se encuentra en corte y el
transistor Q2 en saturación. Por ello, se encuentra apagado (la tensión en su zona N es 0 V y en
su zona P es 0.7 V).
 Ic(Q1) = Ib(Q1) = 0 A
 Vce(Q2) = 0.2 V
 Vbe(Q2) = 0.7 V
Circuito equivalente en estado estable.

Multivibradores
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PUNTO DE OPERACIÓN
Se considera que Q2 (β = 255.9):
 Ic = 6.517 mA
 Ib = 0.433 mA
 Ibsat = Ic / β = 0.025 mA
Los datos anteriores arrojan como resultado que Q2 se encuentra en saturación (Ib > Ibsat),
luego la hipótesis del estado del transistor Q2 es cierta.
En cuanto a Q1:
 I3 = 0.21 mA
 Vb = - Vbb + Rb I3
 Vbe = - 4.5 V
Luego Q1 se encuentra en corte (Vbe ≤ 0.7V)
La salida en este estado es Vo = 0 V + Vce(Q2) = 0.2 V
SIMULACIÓN DEL ESTADO ESTABLE
En esta situación se realizará un análisis en continua para mostrar los valores de las
intensidades y tensiones en el estado estable.
Q1 EN CORTE
Gráfica que muestra VB(Q1)

Multivibradores
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Q2 EN SATURACIÓN
Gráfica que muestra IC(Q2) frente a IB(Q2)
CIRCUITO EQUIVALENTE EN ESTADO CASI ESTABLE
Este estado permanece durante un tiempo ta, correspondiente a la siguiente ecuación:
𝑡 𝑎 = 𝜏1 𝑙𝑛
2𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝑐𝑒𝑠 − 𝑉𝑏𝑒𝑠
𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝑎
≅ 𝜏1 𝑙𝑛2 = 0.693 𝜏1
siendo τ1 :
𝜏1 = 𝑅𝐶
En el circuito objeto de análisis, el valor de ta es 2.287 ms.
Por otra parte, se supone Q1 en saturación y Q2 en corte.
 Ic(Q2) = Ib(Q2) = 0 A
 Vce(Q1) = 0.2 V
 Vbe(Q1) = 0.7 V
Circuito equivalente en
estado casi estable.

Multivibradores
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PUNTO DE OPERACIÓN
Al considerar Q1 en saturación (β = 255.9), se tiene:
 Ic = (Vcc - Vce) / Rc1 = 6.73 mA
 Ib = 1.576 mA
 Ic / Ib ≤ β
Los datos anteriores demuestran que Q1 se encuentra en saturación.
En cuanto al transistor Q2:
 (t = 0) Vcondensador = (Vcc - Vbe)
 Vb(Q2) = Vce – Vcondensador = 0.2 V- (15 V – 0.7 V) = - 14.1 V
Este resultado asegura que Q2 se encuentra en corte (la tensión es muy negativa), y mientras
que la tensión del condensador sea menor que la tensión de activación del diodo de base
emisor de Q2, este estado se mantiene. Hay que considerar también que, con el paso del
tiempo, la carga del condensador disminuye.
La tensión de salida en este estado es Vo = Vcc - VRc2 = 13.64 V
 Vo = 15 – 2.2 * I, donde I = 15 / 24.2 = 0.6198 mA
SIMULACIÓN DEL ESTADO CASI ESTABLE
En esta situación también se realizará un análisis en continua para mostrar los valores de las
intensidades y tensiones en el estado casi estable.
Q1 EN SATURACIÓN
Gráfica que muestra IC(Q1) frente a IB(Q1).

Multivibradores
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Q2 EN CORTE
Gráfica que muestra VB(Q2).
ESTADO DE PASO DE CASI ESTABLE A ESTABLE
Este estado tiene lugar cuando se termina el estado casi estable pero no se ha cargado el
condensador C. La duración tR de este estado viene determinada por (suponiendo la
resistencia interna del diodo emisor (Rd) de Q2 con valor de 1Ω):
𝑡 𝑅 = 4 𝜏2
siendo
𝜏2 = (𝑅 𝑐1 + (𝑅||𝑅 𝑑 ))𝐶 = 𝑅 𝑐1 + 1 = 2.201 𝑘Ω ∗ 0.1𝜇𝐹 = 0.2201 ∗ 10−3
Según estos cálculos, tR = 0.8804 ms.
Gráfica que muestra VB(Q2).

Multivibradores
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ENTRADAS/SALIDAS
Para terminar, se puede comprobar el efecto que la entrada tiene sobre la salida, y como ésta
posee un periodo de duración determinado independiente de la entrada, pero que se activa en
el flaco de bajada de dicha entrada.
Gráfica de entradas/salidas.

Multivibradores
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BIBLIOGRAFÍA
 Diseño de circuitos electrónicos
o David y Donald Comer (Limusa Wiley)
 Circuitos electrónicos. Análisis, simulación y diseño
o Norbert R. Malik (Prentice Hall)
 Análisis básico de circuitos eléctricos y electrónicos
o Txelo Ruiz Vázquez y otros (Prentice Hall)
 Circuitos electrónicos digitales
o Isaac Schnadower (Mc Graw Hill)

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