Multivibrador astable con transistores bipolares (destellador LED)

El arranque descrito es un escenario posible, no una garantía para cualquier componente, rampa de alimentación o temperatura. En los ejemplos escalonados siguientes, VBE, VCE(sat), VF y las tensiones iniciales son supuestos; VF de la hoja de datos a su corriente de prueba no es una caída medida en este circuito. La exponencial supone tensión fija en el terminal opuesto del condensador y corriente de base despreciable.

Al conectar la alimentación de CC (VCC = 5.0 V nominal), los condensadores de temporización C1 y C2 están inicialmente descargados. Las resistencias de polarización de base R2 y R3 suministran corriente de carga desde VCC a las bases de Q1 y Q2. En un circuito matemático ideal con componentes perfectamente idénticos y sin ruido, ambos transistores entrarían en conducción por igual hacia un equilibrio simétrico. En los circuitos físicos reales, variaciones microscópicas en la tensión de umbral base-emisor (VBE), la ganancia de corriente (hFE) y las tolerancias de las resistencias, junto con el tiempo de subida de la fuente de alimentación y el ruido térmico, pueden romper la simetría de modo que un transistor (por ejemplo, Q1) comienza a conducir ligeramente más rápido que el otro. La realimentación regenerativa acelera de inmediato este desequilibrio: al conducir Q1, la tensión de su colector cae, acoplando un potencial negativo a través de C1 a la base de Q2, bloqueando firmemente a Q2 e iniciando la oscilación cíclica.

Lo siguiente es un modelo didáctico escalonado de oscilación establecida, no una forma de onda medida. Se suponen una tensión fija del colector conductor, VBE y VCE(sat) ilustrativos constantes, carga de base despreciable y la tensión indicada del colector en corte. Esta última depende realmente de la corriente LED y la recuperación del condensador. Relación instantánea general: VB(after) = VB(before) + VC(after) − VC(before).

Una vez establecido el funcionamiento cíclico, cada transición de estado ocurre a partir de un estado inicial definido de régimen permanente. Inmediatamente antes de que Q1 entre en conducción, Q2 conduce en saturación con VB2(0-) ≈ VBE(on) ≈ 0.7 V, y Q1 está en corte con su colector cerca de (VCC - VF(D1)). Cuando Q1 pasa rápidamente a saturación, la tensión de su colector cae con rapidez a VCE(sat) ≈ 0.15 V - 0.2 V. Debido a que la carga en el condensador de temporización C1 no puede cambiar instantáneamente, la continuidad de carga dicta la tensión resultante en la base de Q2:

En un cálculo escalonado ilustrativo con parámetros supuestos (VCC = 5.0 V, LED rojo VF(D1) ≈ 1.9 V, VCE(sat) ≈ 0.2 V, VBE(on) ≈ 0.7 V), el salto de tensión de colector es ΔVC ≈ 2.9 V, que se acopla a través de C1 para llevar VB2(0+) a un valor negativo de aproximadamente -2.2 V. Esto polariza en inversa la unión base-emisor de Q2, llevándolo firmemente al corte y apagando el LED azul D2, mientras que Q1 conduce e ilumina el LED rojo D1.

Mientras Q2 permanece en corte, su nodo de colector es llevado hacia VCC a través de R4 y D2, restaurando la carga en la placa de colector de C2. La corriente de base sostenida para mantener Q1 en saturación se suministra directamente desde VCC a través de la resistencia R2 (IB1 ≈ (VCC - VBE(on)) / R2). Simultáneamente, el condensador de temporización C1 (cuya placa negativa está conectada a la base de Q2) descarga su potencial negativo y se recarga hacia +VCC mediante la resistencia de base R3 (47 kΩ). La tensión instantánea en la base de Q2 sigue la trayectoria exponencial:

El transistor Q2 permanece en corte durante todo el intervalo hasta que VB2(t) alcanza el umbral de conducción directa VBE(on) ≈ 0.65 V - 0.70 V. La solución para VB2(T1) = VBE(on) determina la duración del corte:

Cuando VB2(t) alcanza VBE(on), el transistor Q2 comienza a conducir corriente de base. El acoplamiento regenerativo lleva rápidamente a Q2 a saturación. Al caer el colector de Q2 desde (VCC - VF(D2)) hasta VCE(sat) ≈ 0.2 V, este salto negativo se acopla a través del condensador C2 a la base de Q1:

Para el LED azul D2 (ilustrativo VF(D2) ≈ 3.3 V), el salto de tensión de colector ΔVC ≈ (5.0 - 3.3) - 0.2 = 1.5 V lleva VB1(0+) hasta aproximadamente 0.7 V - 1.5 V = -0.8 V, llevando a Q1 al corte y apagando el LED rojo D1, mientras que Q2 conduce e ilumina el LED azul D2.

El transistor Q1 se mantiene en corte mientras C2 se recarga hacia +VCC mediante la resistencia de base R2 (47 kΩ). La corriente de base sostenida para Q2 se suministra desde VCC a través de R3. La tensión de base VB1(t) sube exponencialmente hasta alcanzar VBE(on), haciendo que Q1 vuelva a conducir e iniciando el siguiente ciclo.

En el análisis clásico idealizado de libros de texto, se desprecian las caídas directas de diodos y las tensiones de saturación de transistores (VB(0+) ≈ -VCC, VBE(on) ≈ 0). Bajo estos supuestos ideales de referencia, las ecuaciones de los semiperiodos se simplifican a:

Para componentes simétricos (R2 = R3 = 47 kΩ, C1 = C2 = 10µF), esta referencia ideal proporciona T ≈ 1.386 · R · C ≈ 0.651 s (f ≈ 1.535 Hz) con un ciclo de trabajo del 50%. En circuitos físicos, las caídas directas desiguales de los LED (VF(D1) ≠ VF(D2)), la recuperación finita del colector mediante RC y las tolerancias de los componentes alteran los umbrales de conmutación. La predicción precisa de los tiempos de onda físicos requiere una simulación transitoria completa o mediciones con osciloscopio en laboratorio.