Como usar esta calculadora
Usa esta calculadora de Schmitt Trigger como calculadora de histeresis de comparador con realimentacion positiva. Introduce la tension de referencia, las resistencias de realimentacion y los niveles de salida para obtener el umbral con VIN subiendo, el umbral con VIN bajando, la anchura de histeresis y el punto medio, y mira como una entrada con ruido se convierte en una salida de conmutacion limpia.
- Ajusta el offset y la amplitud senoidal de la entrada que quieres probar.
- Introduce VREF, RF y RR. Los campos de resistencia estan en kΩ, como es habitual en redes de realimentacion de comparadores.
- Deja VOH y VOL en 5 V y 0 V salvo que la salida real de tu comparador sea distinta.
- Lee V_T+, V_T-, la anchura de histeresis y el punto medio.
- Usa la grafica y el ruido opcional para comprobar si la salida podria tener chatter cerca del umbral.
Que es un Schmitt Trigger?
Un Schmitt Trigger es un circuito comparador con histeresis. En vez de tener un unico punto de conmutacion, usa dos umbrales: uno para una entrada que sube y otro para una entrada que baja. Esa separacion evita que el ruido alrededor del punto de decision haga parpadear la salida, por eso aparece tanto con sensores, botones, flancos analogicos lentos, cruces por cero y entradas digitales que necesitan una senal mas limpia.
Topologia usada en esta calculadora
Esta calculadora modela un Schmitt Trigger comparador inversor. VIN se aplica a la entrada inversora. La entrada no inversora ve un nodo de umbral formado por RF hacia VOUT y RR hacia VREF. Cuando la salida esta alta, la realimentacion positiva sube el umbral; cuando la salida esta baja, el umbral baja. Ese umbral movil es la histeresis.
Formulas del Schmitt Trigger
El nodo de umbral se calcula a partir de la tension de salida actual. Sustituir VOH da el umbral superior de entrada para este circuito inversor, y sustituir VOL da el umbral inferior.
$$ V_{TH}(V_{OUT}) = \frac{V_{REF}/R_R + V_{OUT}/R_F}{1/R_R + 1/R_F} $$
$$ V_{T+} = V_{TH}(V_{OH}) $$
$$ V_{T-} = V_{TH}(V_{OL}) $$
$$ V_{HYS} = |V_{T+} - V_{T-}| $$
RF controla la fuerza con la que la salida realimenta el nodo de umbral. RR ancla ese nodo hacia VREF. Un RF menor comparado con RR aumenta la anchura de histeresis; un RF mayor la reduce.
La red de umbral sigue siendo una idea de divisor resistivo, asi que la calculadora de divisor de tension es una buena companera si quieres revisar esa parte por separado. Si la senal ya llega con ruido al comparador, tambien tiene sentido mirar la calculadora de filtro paso bajo; el filtrado y la histeresis suelen resolver partes distintas del mismo problema.
Como leer la grafica de histeresis
La traza azul es la forma de onda de entrada y la traza roja escalonada es la salida del comparador. La zona sombreada muestra la banda de histeresis: dentro de esa banda, la salida conserva su estado anterior en vez de conmutar continuamente. Activa el ruido aleatorio para ver por que dos umbrales dan inmunidad al ruido a un Schmitt Trigger.
Ejemplo
Con VOH = 5 V, VOL = 0 V, VREF = 2.5 V, RF = 90 kΩ y RR = 10 kΩ, el nodo de umbral vale 2.75 V cuando la salida esta alta y 2.25 V cuando la salida esta baja. En esta topologia inversora, VIN subiendo conmuta la salida a bajo en 2.75 V, y VIN bajando conmuta la salida a alto en 2.25 V. La anchura de histeresis es 0.5 V.
Limitaciones reales
- El offset de entrada del comparador desplaza el punto de conmutacion efectivo, asi que ambos umbrales pueden moverse algunos milivoltios o mas respecto al calculo ideal.
- Las tensiones alta y baja de salida pueden no coincidir con los railes de alimentacion; si VOH o VOL cambian, tambien cambia el divisor de realimentacion y la anchura de histeresis.
- Las salidas open-drain u open-collector necesitan una resistencia pull-up. En DC, el pull-up puede reducir la tension alta real de salida si la red de realimentacion o la carga consumen corriente, desplazando los umbrales. Dinamicamente, el pull-up y la capacitancia de salida tambien hacen mas lento el flanco de subida.
- Debe respetarse el rango de modo comun de entrada. Si alguna entrada del comparador queda fuera de su rango permitido, la salida puede conmutar tarde, de forma impredecible o no conmutar.
- Las senales muy lentas o con mucho ruido pueden beneficiarse de filtrado antes del comparador, porque la histeresis evita chatter solo despues de que la senal cruza la banda de umbrales.
- Las tolerancias de las resistencias afectan directamente a los umbrales. Un error del 1% o 5% cambia la relacion del divisor, por lo que la banda real de histeresis puede quedar mas ancha, mas estrecha o desplazada.
Simulacion LTSpice del Schmitt Trigger
Descarga esta simulacion en LTSpice para inspeccionar los umbrales del comparador Schmitt Trigger en un analisis transitorio. Puedes ajustar la tension de referencia, la red de realimentacion, los niveles de salida y la forma de onda de entrada para ver como la histeresis cambia los puntos de conmutacion y filtra transiciones con ruido.
Preguntas frecuentes
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Es un Schmitt Trigger inversor o no inversor?
Es un Schmitt Trigger inversor: VIN esta en la entrada inversora del comparador, y el nodo de realimentacion RF-RR alimenta la entrada no inversora. -
Por que el umbral con VIN subiendo es mayor que el umbral con VIN bajando?
Cuando la salida esta alta, la realimentacion positiva eleva el nodo de umbral. VIN debe subir por encima de ese umbral superior para llevar la salida del comparador inversor a bajo. -
Sirve para un comparador open-drain?
Si, como calculo inicial de umbrales, pero ajusta VOH a la tension real del pull-up y recuerda que la resistencia de pull-up y la capacitancia de salida afectan a la velocidad de conmutacion. -
Por que la simulacion en LTSpice puede diferir un poco de los umbrales calculados?
Las ecuaciones son un calculo estatico de umbrales. La simulacion en LTSpice incluye comportamiento dependiente del tiempo: pendiente de la entrada, tiempo de transicion de la salida, retardo de propagacion y dinamica del dispositivo. Cuando la entrada cambia rapido o los flancos de salida no son instantaneos, el punto de conmutacion aparente puede desplazarse ligeramente respecto al umbral ideal.