CAPITULO IVCAPITULO 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
referencia .
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.
4.1 INTRODUCCION
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.
)( UUAUo d
UccUoUdUUSi 0UccUoUdUUSi 0
4.2 CIRCUITOS COMPARADORES
a) Con inversión.-
Figura 4.1
4.2.1 CIRCUITO DETECTOR DE CRUCE POR CERO
, con 0; d d d iUo A U A U U U y U U
idUAUo Si 0Ui Uo Ucc
Si 0Ui Uo Ucc
Del circuito tenemos:
Entonces:
• Si la salida toma el valor Uo=+Ucc, entonces se encuentra en saturación positiva, la funcion de transferencia:
Ui
Uo=+Ucc
Si 0Ui Uo Ucc
b) Sin inversión
, , 0d dUo A U U con U Ui y U Uo A Ui
UccUoUi 0UccUoUi 0
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
4.3. COMPARADOR CON TENSION DE REFERENCIA
00
R d
R d
Si U Ui U Uo UccSi U Ui U Uo Ucc
De la estructura tenemos:
, y UR iU U U
( )R iUo AdUd Ad U U
00
R d
R d
Si U Ui U Uo UccSi U Ui U Uo Ucc
Ui<UR
UR
+Ucc
b) Sin inversion
)()( RUUiAdUUAdUo
UccUoUdUUiSi R 0
UccUoUdUUiSi R 0
UccUoUdUUiSi R 0
UccUoUdUUiSi R 0
Ui
UR
+Ucc
• Modificando la configuración anterior se puede variar la configuración para hacer variable la referencia.
a) Con inversión4.4. COMPARADOR CON HISTERESIS
UccRR
RUUccUoPara RS21
1.
Y para Uo=-UccURI UccRR
RU RI21
1
Donde:URS= Voltaje de referencia superiorURI= Voltaje de referencia inferior
UccUoUdSi 0
UccUoUiUSi R 0)(
1
1 2
2HIS RS RI
RU U U UccR R
Para el intervalo de Histeresis
Voltaje del Baricentro U B=0
Ui
URS
Uo=+Ucc
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 siguienteb) Sin inversion
U-
U+
021 II
021
RUoU
RUiU
1 2
1 2 1 2
RUo UiRUR R R R
Si U+>U-→Ud>0→Uo=+Ucc
Despejando U+
2
1
RRUccUi
1
2
RU i U c cR
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
iIULa 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.
iSU
2 2
1 2 1 2
R Ucc UiRUR R R R
UiL UiS
Cuya curva de trasferencias se puede observar en la figura y la tensión de salida para una señal de ingreso analógica.
iSUiIU Ui
U IS
Uo=-Ucc
a) Con inversión
UccUoUdSi 0
UccUoUdSi 0
Uo=Ad(UR-Ui)
4.5. COMPARADOR CON HISTERESIS CON EL BARICENTRO NO EN ORIGEN
QR URR
RUoRR
RU21
2
21
1
QRS URR
RUccRR
RU21
2
21
1
QRI URR
RUccRR
RU21
2
21
1
iR UUccUoUiUSi RU0)(
UccUoUiUSi 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
URI
De la comparación con el voltaje de ingreso obtenemos las siguientes curvas:
UccUoUiUSi R 0)(
UccUoUiUSi R 0)(
21
2
RRRU
U QB
HIS RS RIU U U
1
1 2
2 .H IS
U c c RUR R
Voltaje del baricentro
Intervalo de histeresis
b)Sin inversion
21
1
21
2 ..RR
RUoRR
RUiU
U-=UR
Para U+, por superposicion:
21
2
21
1 ..RR
RUiRRRUccU R
1)Si Ui > 0, →U+>UR→Uo = +Ucc
2
1
2
21 .)(R
RUccR
RRUU Ri
La conmutacion se realiza con U+=UR
Despejando Ui, tenemos:
iIU
UiI
2
1
2
21 .)(R
RUccR
RRUU Ri
2) Si U+<U-→Ud<0 entonces Uo=-Ucc, U+<UR
iSU UiS
De la curva característica:
1
2
2 .HIS
Ucc RVR
2
21 )(R
RRUU RB
Intervalo de histeresis
Voltaje del baricentro
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 ).
4.6. COMPARADOR VENTANA
Analizamos tres casos posibles:
Caso 1: vi <VrefI<VrefS
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: VrefI <vi <VrefS
VccVVrefvAV
VccVvVrefAV
Sid
iId
11
22
VccVVrefvAV
VccVvVrefAV
Sid
iId
11
22
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
Caso 3
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 utilizada en amplificadores operacionales.
Salida por colector Salida por emisor
Vo=+Vcc
Vo=VCESAT=0
Salida por colector
Si Vp > Vn entonces (Transistor en corte).
Si Vp < Vn entonces (Transistor en saturación).
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=0
Características del Comparador LM 311
Simulacion
Comparador con histeresis
U1
LM741
+3
-2
V+7
V-4
OUT6
OS1 1
OS2 5
U2
LM741
+3
-2
V+7
V-4
OUT6
OS1 1
OS2 5
R1
470k
R2
100k
R3
1000k
R41k
R51k
R647k
V115
V215
R7
10k
C1
2.7nF
0
0
0
0
V3
FREQ = 2000HzVAMPL = 5VVOFF = 0
V
V
V
Formas de onda
Time
15.0ms 15.5ms 16.0ms 16.5ms 17.0ms 17.5ms 18.0msV(U1:OUT) V(V3:+) V(C1:2)
-20V
-10V
0V
10V
20V