¿Cómo funciona este circuito de temporizador?

Question

Estoy perplejo sobre cómo funciona este circuito. Soy bastante nuevo en la electrónica pero conozco los fundamentos de los condensadores, transistores, la ley de los ohm pero no tengo ni idea de por qué cuando se enciende el interruptor (S1) el LED (D1) se apaga por un corto tiempo y luego se enciende de nuevo.

He hecho este circuito yo mismo con una placa de circuitos y cuando aumento el tamaño del condensador el LED tarda más tiempo en volver a encenderse, lo que me hace preguntarme por qué los condensadores no se llenan cuando el interruptor (S1) no está puesto en marcha.

Aprecio cualquier ayuda con esto, pero podría por favor tener en cuenta cuando responda esto que todavía soy muy nuevo en esto. Gracias

Answer 1

No has comentado nada. Pero es bastante fácil y voy a añadir algo...

---

Después de construir unos cuantos circuitos y decidir que quería entenderlos mejor, me resultó muy difícil. Los esquemas proporcionados en aquellas antiguas revistas de electrónica (popular electronics y radio electronics) eran tempranos y siempre estaban enfocados a los constructores y menos a los diseñadores. Más tarde, se dedicaron a ayudar a los autores a vender sus kits, ensamblados o no, y se volvió realmente molesto. Pero el hecho básico es que sus diagramas esquemáticos eran raramente sobre cómo entender el diseño electrónico. (Todavía habría algún artículo ocasional, por suerte.) En su lugar, se trataba de construir uno.

---

Su esquema es, al menos en parte, un construcción diagrama. Vamos a redibujarla un poco mejor para comprender fines y menos para construcción :

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Puedes ver que he eliminado la conexión de potencia y tierra. Nada de eso ayuda mucho a la hora de aprender sobre circuitos. Sólo te hace pensar que hay algo que sucede en esos cables del bus que realmente no está sucediendo (o bien, si está sucediendo, entonces usted todavía no está listo para entenderlo así que de nuevo no tiene sentido incluir el cableado bused).

A continuación, he dividido esto para que haya partes individuales. Vamos a empezar desde la esquina superior derecha.

1. La luz. En este caso, es un LED de corriente limitada que está diseñado para trabajar desde un \$9\:\textrm{V}\$ diferencia de potencial. La corriente del LED será aproximadamente \$\frac{9\:\textrm{V}-V_{CE_{SAT}}-V_{LED}}{R_3}\approx 6.5\:\textrm{mA}\$ . Puede utilizar un valor menor para \$R_3\$ pero está bien como está.
2. El cambio. \$Q_1\$ funciona básicamente como un interruptor BJT saturado que puede ser controlado (o temporizado) utilizando algún circuito de conducción. Si se proporciona una corriente de recombinación suficiente a su base (suponiendo una polarización hacia delante \$V_{BE}\$ por supuesto) entonces es en . De lo contrario, es fuera de (o en algún estado crepuscular entre ambos estados).
3. Suministro de corriente de base (recombinación.) Dada la corriente de colector estimada para el \$Q_1\$ (calculada en el punto 1 anterior), la corriente de base debe ser al menos \$\frac{1}{20}\$ (y preferiblemente más cerca de \$\frac{1}{10}\$ th), o \$\ge 400\:\mu\textrm{A}\$ . Esto se traduce en \$\frac{9\:\textrm{V}-V_{BE_{SAT}}}{400\:\mu\textrm{A}}\le 20.75\:\textrm{k}\Omega\$ . Han utilizado (o usted ha utilizado) un valor estándar ligeramente superior, lo que probablemente esté bien.

Este es un buen lugar para detenerse un momento. Sin añadir nada más, esto simplemente encendería \$Q_1\$ y el LED se quedaría en todo el tiempo. Ahora para el circuito añadido:

4. Pre-carga. Aquí, \$R_1\$ suministra la corriente necesaria para cargar rápidamente \$C_1\$ para preparar la activación de \$SW_1\$ más tarde. \$R_1\$ es también necesario porque de lo contrario cuando se activa \$SW_1\$ estarías conectando directamente a tierra el \$9\:\textrm{V}\$ suministro no es algo tan bueno. Los valores más altos de \$R_1\$ requerirá menos corriente de alimentación mientras el interruptor se mantiene conectado a tierra. Pero también tardará más en precargarse \$C_1\$ después de liberar \$SW_1\$ para preparar otra aplicación del interruptor. Así que su magnitud es un poco de un acto de equilibrio. \$C_1\$ precargará hasta aproximadamente \$9\:\textrm{V}-V_{BE_{SAT}}\approx 8.2\:\textrm{V}\$ dado sobre \$5 \tau_1=R_1\cdot C_1\approx 220\:\textrm{ms}\$ o sobre \$5\cdot R_1\cdot C_1\approx 1.1\:\textrm{s}\$ . Así que hay que esperar aproximadamente un segundo, dados estos valores, para permitir que el circuito se reinicie para la siguiente aplicación de \$SW_1\$ .
5. \$SW_1\$ . Tira con fuerza del extremo positivo precargado de \$C_1\$ llevándolo a tierra. Esto hace que el extremo negativo de \$C_1\$ (que se trata de \$8.2\:\textrm{V}\$ más bajo que el extremo positivo -- ahora en \$0\:\textrm{V}\$ ) para pasar casi instantáneamente a \$-8.2\:\textrm{V}\$ . La única manera de que no que ocurriera sería si hubiera algún camino por el que ese voltaje pudiera invocar una corriente sustancial. Pero \$Q_1\$ se mueve rápidamente a través de la desconexión, por lo que su base no será de ninguna ayuda (excepto que es probable que se produzca una avalancha, ya que la mayoría de los BJT de pequeña señal se descomponen con la inversión \$V_{BE}\$ magnitudes superiores a \$5-6\:\textrm{V}\$ .) Además, mientras \$R_2\$ puede empezar a cargar ese extremo negativo de \$C_1\$ Pero sólo puede hacerlo con cierta lentitud, ya que se trata de un valor bastante elevado. Así que cuando se activa, el lado positivo de \$C_1\$ está en \$0\:\textrm{V}\$ y el lado negativo de \$C_1\$ está en \$-8.2\:\textrm{V}\$ y ahora \$R_2\$ comienza a suministrar corriente a un ritmo de \$\frac{9\:\textrm{V}-\left(-8.2\:\textrm{V}\right)}{22\:\textrm{k}\Omega}\approx 780\:\mu\textrm{A}\$ . La nueva constante de tiempo es \$\tau_2=R_2\cdot C_1\approx 10.3\:\textrm{s}\$ pero en este caso el voltaje sólo tiene que cambiar alrededor de \$\Delta V=+600\:\textrm{mV}-\left(-8.2\:\textrm{V}\right)=8.8\:\textrm{V}\$ . Se trata de un 50% de la diferencia original aplicada, que se alcanza un poco antes de un \$\tau_2\$ período - alrededor del 70% de ella, de hecho. Así que esto sugiere que el retraso será de aproximadamente \$7\:\textrm{s}\$ antes de que el LED se vuelva a encender.

Por supuesto, todos los valores calculados son sólo estimaciones aproximadas basadas en valores nominales.

Ese es el recorrido más completo. Deberías ser capaz de ver por qué el esquema que dibujé es equivalente al que dibujaste tú. No he dedicado tiempo a explicar por qué es lo mismo porque espero que puedas verlo por ti mismo. Tampoco he dedicado mucho tiempo a \$\tau=R\cdot C\$ y por qué funciona tan bien como lo hace. Pero puedes buscar ese detalle en la web, con bastante facilidad.

---

Algunas etiquetas de advertencia legal. (No estoy vendiendo ni recomendando este circuito. Pero para aquellos que puedan imaginar lo contrario aunque sea por un momento).

• "Los condensadores se fabrican a menudo con grandes tolerancias. El comportamiento calculado a partir de los valores nominales puede ser inexacto".
• "Las resistencias también suelen fabricarse con tolerancias. El comportamiento calculado a partir de los valores nominales puede ser inexacto".
• "Los semiconductores también tienen tolerancias para sus numerosas especificaciones. El comportamiento calculado a partir de los valores nominales puede ser inexacto".
• "El funcionamiento de los semiconductores, incluidos los BJT, fuera de sus especificaciones puede provocar daños a largo plazo y/o permanentes que den lugar a un funcionamiento incorrecto temporal o permanente".
• "Utilice las piezas y/o cualquier combinación de piezas bajo su propio riesgo".
• "No ingerir piezas electrónicas o eléctricas".

Answer 2

Con el interruptor abierto, la base del NPN está a una caída de diodo sobre tierra, digamos 0,7V. C1 se carga a 9V - 0,7V o 8,3V.

Cuando cierras el interruptor, el voltaje a través de la tapa no puede cambiar instantáneamente por lo que tira de la base del NPN hasta -8,3V, apagando el BJT. (Esto podría exceder el máximo de polarización inversa base-emisor).

Tras el cierre del interruptor, C1 comienza a cargarse en sentido inverso a través de R2. Cuando llega a +0,7V el transistor se enciende y el LED se ilumina de nuevo.

Tenga en cuenta que muestra un tapón polarizado y este circuito requiere que el tapón se cargue en ambas direcciones.

Answer 3

Añadiendo a la respuesta de John:

Si se duplica el circuito y se sustituyen los "interruptores" por los transistores se obtendría un circuito astable BJT clásico. ( ver más abajo )

Hay muchas explicaciones detalladas sobre el funcionamiento de este circuito y John ha resumido muy bien el funcionamiento básico.

El único otro punto que haría es que llevar la base más de 5V o 6V por debajo de 0V podría causar una ruptura b-e (avalancha inversa) que eventualmente llevaría al BJT a no funcionar.

Answer 4

Puedo responder a su primera pregunta:

La reactancia del condensador viene dada por $$X_C=\frac{1}{j\omega C}$$

lo que significa que en CC (condición en la que no hay cambio de voltaje en la salida del temporizador, es decir, la salida del temporizador es constante (ya sea 0V o 5V)) el condensador no conducirá, lo que significa que el circuito sería así:

Primero asume el funcionamiento en modo activo

Por lo tanto, utilizando la ley de voltaje de Kirchoff en el lado BE obtenemos

$$V_{CC}-I_BR_2-V_{BE}=0$$ $$I_B=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{R_2}=\frac{83}{220}mA$$

Ahora aplicando KVL en la salida:

$$V_{CC}-I_CR_3-0.7-V_{CE}=0$$ $$V_{CC}-\beta I_BR_3-0.7-V_{CE}=0$$ $$V_{CE}=-ve$$

El transistor no está en modo activo:

---

A continuación, suponiendo que el transistor está en modo de saturación:

(Para saber cómo analizar un transistor en la región Sat, consulte este artículo )

Las diferencias de voltaje entre los terminales deberían ser algo así como lo que se muestra para que el transistor esté en la región satelital.

Aplicando el KVL al I/P:

$$V_{CC}-I_BR_2-0.7=0$$ $$9-I_B*22k-0.7=0$$ $$I_B=\frac{83}{220} mA$$

KVL a la salida:

$$V_{CC}-I_CR_3-0.7-0.2=0 $$ $$9-I_C*1k-0.7-0.2=0$$ $$I_C=\frac{81}{10}mA$$

y

$$I_E=I_B+I_C$$ $$I_E=\frac{373}{44}mA$$

Ya que todas las corrientes son positivas lo que significa que TODOS LOS SENTIDOS DE LAS CORRIENTES (IB y IC entrando y IE saliendo del transistor) son correctos, $$\text{The Transistor is in saturation region}$$

lo que significa que la corriente a través de R3 es distinta de cero, lo que significa que el LED se encenderá.

$$\text{Which means under the circumstances when the output of the timer is constant(either 0v or 5V), the LED will glow}$$

---

CAsE 2:

Cuando la salida del temporizador está cambiando su valor, ya sea pasando de 0V a 5V o de 5V a 0V, el condensador conducirá, y el circuito resultante será así:

---

En el caso anterior, Cuando la salida del circuito del temporizador pasa de 5V a 0V:

$$v_c(t^-)=V_B(t^-)-V_{s1}(t^-)$$ $$=(9-22*\frac{82}{220})-5=-4.3=-ve$$ $$v_c(t^-)=v_c(t)=v_c(t^+)=-4.3v$$ $$v_{BE}(t^+)=v_{s1}(t^+)=0-4.3)=-4.3$$ Por lo tanto, cuando la salida del circuito del temporizador pasa de 5V a 0V, el transistor está apagado, lo que implica $$V_{BE}=0$$

---

Cuando La salida del circuito del temporizador pasa de 0V a 5V:

$$v_c(t^-)=V_B(t^-)-V_{s1}(t-)$$ $$v_c(t^-)=(9-22*\frac{83}{220})-0=9-8.3=0.7v$$ $$v_c(t^-)=v_c(t)=v_c(t^+)=0.7v$$ $$v_{BE}(t^+)=v_c(t^+)-v_{S1}(t+)=0.7-5=-4.3v$$

Por lo tanto, cuando la salida del circuito del temporizador pasa de 0V a 5V, el transistor está apagado, lo que implica $$V_{BE}=0$$

---

Lo que significa

$$V_{BE}=0$$ Según la ecuación $$I_B=I_S(e^{\frac{qV_{BE}}{kT}}-1)$$

Lo que significa $$I_B=0$$ que a su vez significa $$I_C=0$$ , lo que significa que el LED está apagado.

$$\text{That is when the output of the timer circuit is just changing its value, either transitioning from 0V to 5V or 5V to 0V,}$$ $$\text{in both those transitioning instants, LED will be off.}$$

---

$$\text{CONCLUSION: Under the circumstances when the output }$$ $$\text{of the timer is constant(either 0v or 5V), the LED will glow}$$

$$AND$$

$$\text{when the output of the timer circuit is just changing its value ie either transitioning from 0V to 5V or 5V to 0V, }$$ $$\text{in both those transitioning instants, LED will be off.}$$

Si algún experto en la materia encuentra algún fallo en esta respuesta, estoy dispuesto a rectificarla.