CAPITULO IV
CAPITULO IV
CIRCUITOS COMPARADORES
DE TENSION
Objetivos:
Explicar el funcionamiento de los diferentes tipos de
comparadores.
Calcular los componentes de los diferentes tipos de
comparadores .
Identificar en las características de entrada – salida, los
voltajes de referencia superior e inferior.
Calcular el voltaje de histéresis con base en los voltajes de
Un comparador de tensión convierte señales de forma
analógica en señales de forma binaria o cuadrada.
Este circuito compara una señal de entrada analógica
Vi, con una tensión de referencia normalmente fija VR, el nivel de la tensión de referencia puede ser cero ,como puede tener un valor positivo o negativo.
Las principales desventajas son:
La salida cambia entre los límites fijados por los voltajes de saturación.
Los tipos básicos de comparadores son los
siguientes:
1. Comparador de cruce por cero , con y sin
inversión y sin histéresis
2. Comparador con tension de referencia, con y
sin inversión.
3. Comparador con histeresis, con y sin
inversión.
4. Comparador con histeresis con baricentro no
en el origen.
Considerando que la salida es función de la
entrada y obedece a la siguiente expresión
Si U + > U - , la diferencia es positiva, luego esta diferencia es multiplicada por la ganancia en lazo abierto (que es muy elevada), como consecuencia, la salida es muy elevada. Por otro lado, se ve limitada por la tensión de alimentación +Ucc. Si U + < U - , entonces el voltaje aplicado es negativo, luego la salida es -Ucc.
)
(
A
U
U
Uo
dUcc
Uo
Ud
U
U
Si
0
Ucc
Uo
Ud
U
U
Si
0
4.2 CIRCUITOS COMPARADORESa) Con
inversión.-Figura 4.1
, con
0;
d d d iUo
A U
A U
U
U
y U
U
i dU
A
Uo
Si
Ui
0
Uo
Ucc
S i U i 0 U o U ccDel circuito tenemos:
• Si la salida toma el valor Uo=+Ucc, entonces se encuentra en saturación positiva, la funcion de transferencia:
Ui
Uo=+Ucc
, , 0 d d Uo A U U con U Ui y U Uo A Ui Ucc Uo Ui0 Ucc Uo Ui0 Ui Uo=-Ucc
En un circuito ideal el paso de un estado a otro
es instantáneo, pero en un circuito real este
cambio requiere de un pequeño tiempo, el cual
puede ser de algunos microsegundos. Si
utilizamos un AO 741, este se demora
aproximadamente 40 ms en pasar de un estado
a otro. La exactitud de un comparador práctico
es la diferencia de tensión necesaria entre la
entrada y la referencia para hacer que la salida
cambie de un estado a otro.
a) Con inversión
0
0
R d R dSi
U Ui
U
Uo
Ucc
Si
U Ui
U
Uo
Ucc
De la estructura tenemos: , y U R i U U U(
R i)
Uo
AdUd
Ad U
U
0
0
R d R dSi
U Ui
U
Uo
Ucc
Si
U Ui
U
Uo
Ucc
Ui<UR UR +Uccb) Sin inversion ) ( ) (U U Ad Ui UR Ad Uo Ucc Uo Ud U Ui Si R 0 Ucc Uo Ud U Ui Si R 0
Ucc Uo Ud U Ui Si R 0 Ucc Uo Ud U Ui Si R 0 Ui UR +Ucc
• Modificando la configuración anterior se puede variar la configuración para hacer variable la referencia.
a) Con inversión
Ucc R R R U Ucc Uo Para RS 2 1 1 .
Y para Uo=-UccURI Ucc
R R R URI 2 1 1 Donde:
URS= Voltaje de referencia superior URI= Voltaje de referencia inferior
Ucc
Uo
Ud
Si
0
Ucc
Uo
Ui
U
Si
(
R
)
0
1 1 2 2 HIS RS RI R U U U Ucc R R Para el intervalo de Histeresis
Voltaje del Baricentro U B=0
Ui
URS
Si se reduce la magnitud de Ui, se puede encontrar el punto de conmutación y esto ocurre cuando
U+ =U- =0, por lo tanto se reemplaza dicho valor y se despeja Ui en la ecuación de corrientes en el terminal no inversor.
La estructura es la siguiente b) Sin inversion
U
0
2 1
I
I
0 2 1 R Uo U R Ui U 1 2 1 2 1 2 RUo UiR U R R R R Si U+>U-→Ud>0→Uo=+Ucc Despejando U+2 1 R R Ucc Ui 1 2 R U i U c c R
Si Ui>0(sigue creciendo)→Uo sigue en +Ucc, si
reducimos Ui se puede encontrar el punto de conmutacion,que ocurre cuando U+=U-=0
iI
U
La tension de salida Uo pasa de +Ucc a –Ucc,Si la tension sigue decreciendo Uo=-Ucc. Ahora si la tension de entrada varia desde el punto mas negativo hacia el punto mas positivo la salida Uo cambia a +Ucc, cuando U+=U-=0.
iS U 2 2 1 2 1 2 R Ucc UiR U R R R R UiL Ui S
Cuya curva de trasferencias se puede observar en la figura y la
tensión de salida para una señal de ingreso analógica.
iS U iI U Ui U IS Uo=-Ucc
a) Con inversión
Ucc Uo Ud Si 0 Ucc
Uo
Ud
Si
0
Uo=Ad(UR-Ui)4.5. COMPARADOR CON HISTERESIS CON EL BARICENTRO NO EN ORIGEN
Q R U R R R Uo R R R U 2 1 2 2 1 1 Q RS U R R R Ucc R R R U 2 1 2 2 1 1 Q RI U R R R Ucc R R R U 2 1 2 2 1 1 i R Ui Uo Ucc U U Si( )0 UR Ucc Uo Ui U Si ( R )0 Y el Voltaje de referencia superior
Para el voltaje de referencia inferior
Para el voltaje de referencia debido a ambas fuentes es ta dada por:
URS
De la comparación con el voltaje de ingreso
obtenemos las siguientes curvas:
Ucc Uo Ui U Si( R )0 Ucc Uo Ui U Si ( R )0
2 1 2 R R R U U B Q HIS RS RI
U
U
U
1 1 2 2 . H I S U c c R U R R Voltaje del baricentro
b)Sin inversion
2 1 1 2 1 2 . . R R R Uo R R R Ui U U-=U R2 1 2 2 1 1
.
.
R
R
R
Ui
R
R
R
Ucc
U
R
1)Si Ui > 0, →U+>UR→Uo = +Ucc
2 1 2 2 1 ) . ( R R Ucc R R R U U i R
La conmutacion se realiza con U+=UR
Despejando Ui, tenemos:
iI
U
2 1 2 2 1 ) . ( R R Ucc R R R U Ui R
2) Si U+<U-→Ud<0 entonces Uo=-Ucc, U+<UR
iS
De la curva característica:
1 2 2 . HIS Ucc R V R 2 2 1 ) ( R R R U U B R Intervalo de histeresis La siguiente configuración se conoce como comparador de
ventana y permite discriminar si determinado voltaje (v i) se encuentra entre dos niveles, uno superior (V refSup ) y otro inferior (V reinf ).
Analizamos tres casos posibles:
Caso 1: v
i<Vref
I<Vref
S De acuerdo a esto D 2 conduce y D 1 no conduce, luego cuando la entrada se encuentra bajo la referencia inferior , la salida vo =+V cc.
Caso 2: Vref
I<v
i<Vref
S
v Vref
V Vcc A V Vcc V v Vref A V S i d i I d 1 1 2 2
v Vref
V Vcc A V Vcc V v Vref A V S i d i I d 1 1 2 2 En este caso D1 y D2 no conducen pues v1=v2=-Vcc, entonces vo =0.
Finalmente caso 3, sucede que D2 no conduce y D1 si, entonces vo =+V cc .
Si la señal se encuentra entre los rangos indicados, la salida de dicho comparador, se encontrará en un
estado "bajo" (cero volts). Si la señal se encuentra fuera de la ventana, la salida tomará el valor +V cc . Si se quiere limitar la salida del comparador de
saturación, puede considerarse la siguiente modificación
En la práctica es posible implementar un comparador con cualquier AO, esto va a depender de las
exigencias de la aplicación, sobretodo en cuanto a
rapidez. Habitualmente, se utilizan AO con alto Slew Rate, pero en el caso de requerir una mayor cantidad de corriente en la salida, se puede utilizar un
dispositivo creado especialmente para ser usado
como comparador. Su SR supera los 50V/ms y por lo general presenta una salida “colector abierto" la que permite obtener corrientes mayores a las que provee un AO.
Entre estos integrados especializados para
comparación se puede citar el LM311 de la National.
4.7. Comparador
LM311.- La serie LM 311 de Nacional Semiconductor es una de las familias más populares en comparadores
integrados. Puede operar con tensiones de +-15 o con tensión simple de +5V y la salida es en colector
abierto con tensiones de alimentación independientes para seleccionar los niveles de tensión de salida. En la figura se muestra la forma física y la disposición de terminales.
Figura 16 Forma y Terminales
Posee además un circuito de protección que
limita la intensidad máxima de salida a 50mA.
Las correcciones de offset pueden realizarse
mediante un potenciómetro variable conectado
a las entradas 5 y 6 similar a la técnica
Vo=+Vcc Vo=VCESAT=0
Salida por colector
Si Vp > Vn entonces (Transistor en corte).
La configuración salida por emisor resulta muy
útil cuando se precisa de enterfaces a masa tal
como sucede en los SCRs. Los niveles de
tensión de salida son:
Si Vp < Vn entonces
(Transistor en saturación)
Si Vp > Vn entonces
(Transistor en corte).
Vo=+Vcc Vo=0Simulacion
Comparador con histeresis
U1 LM741 + 3 -2 V+ 7 V-4 OUT 6 OS1 1 OS2 5 U2 LM741 + 3 -2 V+ 7 V-4 OUT 6 OS1 1 OS2 5 R1 470k R2 100k R3 1000k R4 1k R5 1k R6 47k V1 15 V2 15 R7 10k C1 2.7nF 0 0 0 0 V3 FREQ = 2000Hz VAMPL = 5V VOFF = 0 V V V
Formas de onda Time 15.0ms 15.5ms 16.0ms 16.5ms 17.0ms 17.5ms 18.0ms V(U1:OUT) V(V3:+) V(C1:2) -20V -10V 0V 10V 20V
