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