8/10/2019 Comparadores Cap 4
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CAPITULO IVCAPITULO IV
CIRCUITOS COMPARADORES
DE TENSION
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Objetivos: Explicar el funcionamiento de los diferentes tipos de
comparadores.
Calcular los componentes de los diferentes tipos de
comparadores . Identificar en las caractersticas de entrada salida, los
voltajes de referencia superior e inferior.
Calcular el voltaje de histresis con base en los voltajes de
referencia .
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Un comparador de tensin convierte seales de forma
analgica en seales de forma binaria o cuadrada.
Este circuito compara una seal de entrada analgica
Vi, con una tensin de referencia normalmente fijaVR, el nivel de la tensin de referencia puede ser cero
,como puede tener un valor positivo o negativo.
Las principales desventajas son:
La salida cambia entre los lmites fijados por losvoltajes de saturacin.
4.1 INTRODUCCION
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Los tipos bsicos de comparadores son lossiguientes:
1. Comparador de cruce por cero , con y sininversin y sin histresis
2. Comparador con tension de referencia, con ysin inversin.
3. Comparador con histeresis, con y sininversin.
4. Comparador con histeresis con baricentro noen el origen.
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Considerando que la salida es funcin de laentrada y obedece a la siguiente expresin
Si U + > U - , la diferencia es positiva, luego esta diferenciaes multiplicada por la ganancia en lazo abierto (que esmuy elevada), como consecuencia, la salida es muyelevada. Por otro lado, se ve limitada por la tensin dealimentacin +Ucc. Si U + < U - , entonces el voltajeaplicado es negativo, luego la salida es -Ucc.
)( UUAUo d
UccUoUdUUSi 0
UccUoUdUUSi 0
4.2 CIRCUITOS COMPARADORES
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a) Con inversin.-
Figura 4.1
4.2.1 CIRCUITO DETECTOR DE CRUCE POR CERO
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, con 0;d d d iUo A U A U U U y U U
idUAUo Si 0Ui Uo Ucc
Si 0U i U o U cc
Del circuito tenemos:
Entonces:
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Si la salida toma el valor Uo=+Ucc, entonces se encuentra
en saturacin positiva, la funcion de transferencia:
Ui
Uo=+Ucc
Si 0Ui Uo Ucc
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b) Sin inversin
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, , 0
d dUo A U U con U Ui y U Uo A Ui
UccUoUi 0
UccUoUi 0
Ui
Uo=-Ucc
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En un circuito ideal el paso de un estado a otroes instantneo, pero en un circuito real este
cambio requiere de un pequeo tiempo, el cual
puede ser de algunos microsegundos. Si
utilizamos un AO 741, este se demoraaproximadamente 40 ms en pasar de un estado
a otro. La exactitud de un comparador prctico
es la diferencia de tensin necesaria entre laentrada y la referencia para hacer que la salida
cambie de un estado a otro.
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a) Con inversin
4.3. COMPARADOR CON TENSION DE REFERENCIA
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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
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0
0
R d
R d
Si U Ui U Uo Ucc
Si U Ui U Uo Ucc
Ui
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b) Sin inversion
)()( RUUiAdUUAdUo
UccUoUdUUiSi R 0
UccUoUdUUiSi R 0
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UccUoUdUUiSi R 0
UccUoUdUUiSi R 0
Ui
UR
+Ucc
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Modificando la configuracin anterior se puede variar la
configuracin para hacer variable la referencia.
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a) Con inversin
4.4. COMPARADOR CON HISTERESIS
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UccRR
RUUccUoPara RS
21
1.
Y para Uo=-UccURI UccRR
RURI
21
1
Donde:
URS= Voltaje de referencia superior
URI= Voltaje de referencia inferior
UccUoUdSi 0
UcUoUiUSi R 0)(
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1
1 2
2HIS RS RI
RU U U Ucc
R R
Para el intervalo de Histeresis
Voltaje del Baricentro U B=0
Ui
URS
Uo=+Ucc
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Si se reduce la magnitud de Ui, se puede encontrar elpunto de conmutacin y esto ocurre cuando
U+ =U- =0, por lo tanto se reemplaza dicho valor y sedespeja Ui en la ecuacin de corrientes en el terminal
no inversor.
La estructura es la siguiente
b) Sin inversion
U-
U+
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021 II
0
21
R
UoU
R
UiU
1 2
1 2 1 2
RUo UiRU
R R R R
Si U+>U-Ud>0Uo=+Ucc
Despejando U+
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2
1
R
RUccUi
1
2
RU i U c c
R
Si Ui>0(sigue creciendo)Uo sigue en +Ucc, sireducimos Ui se puede encontrar el punto de
conmutacion,que ocurre cuando U+=U-=0
iIU
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 Uocambia a +Ucc, cuando U+=U-=0.
iSU
2 2
1 2 1 2
R Ucc UiRU
R R R R
UiL UiS
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Cuya curva de trasferencias se puede observar en la figura y la
tensin de salida para una seal de ingreso analgica.
iSUiIU Ui
U IS
Uo=-Ucc
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a) Con inversin
UccUoUdSi 0
UccUoUdSi 0
Uo=Ad(UR
-Ui)
4.5. COMPARADOR CON HISTERESIS CON EL
BARICENTRO NO EN ORIGEN
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QR URR
RUoRR
RU21
2
21
1
QRS URR
RUccRR
RU21
2
21
1
QRI URR
RUcc
RR
RU
21
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
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De la comparacin con el voltaje de ingreso
obtenemos las siguientes curvas:
UcUoUiUSi R 0)(
UccUoUiUSi R 0)(
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21
2
RR
RUU
Q
B
HIS RS RIU U U
1
1 2
2 .H I S
U c c RU
R R
Voltaje del baricentro
Intervalo de histeresis
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b)Sin inversion
21
1
21
2 ..
RR
RUo
RR
RUiU
U-=UR
Para U+, por superposicion:
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2
1
2
21 .)(R
RUccR
RRUU Ri
2) Si U+
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De la curva caracterstica:
1
2
2 .HIS Ucc RVR
2
21 )(
R
RRUU RB
Intervalo de histeresis
Voltaje del baricentro
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La siguiente configuracin se conoce comocomparador de
ventana y permite discriminar si determinado voltaje (v i) seencuentra entre dos niveles, uno superior (V refSup ) y otro
inferior (V reinf ).
4.6. COMPARADOR VENTANA
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Analizamos tres casos posibles:
Caso 1: vi
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En este casoD1 yD2 no conducen pues v1=v2=-Vcc,entonces vo =0.
Finalmente caso 3, sucede queD2 no conduce yD1si, entonces vo =+V cc .
Si la seal se encuentra entre los rangos indicados, la
salida de dicho comparador, se encontrar en unestado "bajo" (cero volts). Si la seal se encuentrafuera de la ventana, la salida tomar el valor +V cc .
Si se quiere limitar la salida del comparador desaturacin, puede considerarse la siguiente
modificacinCaso 3
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En la prctica es posible implementar un comparadorcon cualquier AO, esto va a depender de lasexigencias de la aplicacin, sobretodo en cuanto arapidez. Habitualmente, se utilizan AO con alto SlewRate, pero en el caso de requerir una mayor cantidadde corriente en la salida, se puede utilizar un
dispositivo creado especialmente para ser usadocomo comparador. Su SR supera los 50V/ms y porlo general presenta una salida colector abierto" laque permite obtener corrientes mayores a las queprovee un AO.
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Entre estos integrados especializados para
comparacin se puede citar el LM311 de la National.4.7. Comparador LM311.-
La serie LM 311 de Nacional Semiconductor es una
de las familias ms populares en comparadores
integrados. Puede operar con tensiones de +-15 o contensin simple de +5V y la salida es en colector
abierto con tensiones de alimentacin independientes
para seleccionar los niveles de tensin de salida. En la
figura se muestra la forma fsica y la disposicin determinales.
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Figura 16 Forma y Terminales
Posee adems un circuito de proteccin que
limita la intensidad mxima de salida a 50mA.
Las correcciones de offset pueden realizarse
mediante un potencimetro variable conectadoa las entradas 5 y 6 similar a la tcnica
utilizada en amplificadores operacionales.
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Vo=+Vcc
Vo=VCESAT=0
Salida por colector
Si Vp > Vn entonces (Transistor en corte).
Si Vp < Vn entonces (Transistor en saturacin).
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La configuracin salida por emisor resulta muy
til cuando se precisa de enterfaces a masa talcomo sucede en los SCRs. Los niveles de
tensin de salida son:
Si Vp < Vn entonces
(Transistor en saturacin)
Si Vp > Vn entonces
(Transistor en corte).
Vo=+Vcc
Vo=0
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Caractersticas del Comparador LM 311
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Simulacion
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
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Formas de onda
Ti me
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
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