Com Par Adores Cap 4
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CAPITULO IV CAPITULO IV CIRCUITOS COMPARADORES DE TENSION Click here to buy A B B Y Y P D F T r a n s f o r m e r 2 . 0 w w w . A B B Y Y . c o m Click here to buy A B B Y Y P D F T r a n s f o r m e r 2 . 0 w w w . A B B Y Y . c o m
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CAPITULO IVCAPITULO IV
CIRCUITOS COMPARADORES
DE TENSION
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Objetivos:n Explicar el funcionamiento de los diferentes tipos de
comparadores.n Calcular los componentes de un comparador detector de cero y
un comparador con histéresis.n Identificar en las características de entrada – salida, los
voltajes de umbral superior e inferior.n Calcular el voltaje de histéresis con base en los voltajes de
umbral.
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n Un comparador de tensión convierte señales de formaanalógica en señales de forma binaria o cuadrada.
n Este circuito compara una señal de entrada analógicaVi, con una tensión de referencia normalmente fijaVR, el nivel de la tensión de referencia puede ser cero,como puede tener un valor positivo o negativo.
n Las principales desventajas son:La salida cambia entre los límites fijados por los
voltajes de saturación.
4.1 INTRODUCCIONClic
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n Los tipos básicos de comparadores son lossiguientes:
1.- Detector de nivel cero, con y sin inversión ysin histéresis
2.- Detector de nivel de cero, con y sin inversióny con histéresis
3.- Detector de nivel, con y sin inversión, sinhistéresis
4.- Detector de nivel, con y sin inversión, conhistéresis
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n Considerando que la salida es función de laentrada y obedece a la siguiente expresión
Si U + > U - , la diferencia es positiva, luego estadiferencia es multiplicada por la ganancia en lazoabierto (que es muy elevada), como consecuencia, lasalida es muy elevada. Por otro lado, se ve limitadapor la tensión de alimentación +Ucc. Si U + < U - ,entonces el voltaje aplicado es negativo, luego lasalida es -Ucc.
)( -+ -= UUAUo d
UccUoUdUUSi +=ÞñÞñ® -+ 0UccUoUdUUSi -=ÞáÞá® -+ 0
4.2 CIRCUITOS COMPARADORESClic
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a) Con inversión.-
Figura 4.1
4.2.1 CIRCUITO DETECTOR DE CRUCE POR CEROClic
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( ) , con 0;d d d iUo A U A U U U y U U+ - + -= = - = =
idUAUo -= Si 0Ui Uo Ucc® á Þ = +
Si 0Ui Uo Ucc® ñ Þ = -
Del circuito tenemos:
Entonces:
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• Si la salida toma el valor Uo=+Ucc, entonces se encuentraen saturación positiva, la funcion de transferencia:
Ui
Uo=+Ucc
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b) Sin inversión
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( ) , , 0d dUo A U U con U Ui y U Uo A Ui+ - + -= - = = ® =
UccUoUi +=Þñ0UccUoUi -=Þá0
Ui
Uo=-Ucc
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n En un circuito ideal el paso de un estado a otroes instantáneo, pero en un circuito real estecambio requiere de un pequeño tiempo, el cualpuede ser de algunos microsegundos. Siutilizamos un AO 741, este se demoraaproximadamente 40 ms en pasar de un estadoa otro. La exactitud de un comparador prácticoes la diferencia de tensión necesaria entre laentrada y la referencia para hacer que la salidacambie de un estado a otro.
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a) Con inversión
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® ñ Þ ñ Þ =+
® á Þ á Þ =-
De la estructura tenemos:
, y UR iU U U+ -= =
( )R iUo AdUd Ad U U= = -
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R d
R d
Si U Ui U Uo UccSi U Ui U Uo Ucc® ñ Þ ñ Þ =+
® á Þ á Þ =-
Ui<UR
UR
+Ucc
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b) Sin inversion
)()( RUUiAdUUAdUo -=-= -+
UccUoUdUUiSi R +=Þñ®ñÞ 0
UccUoUdUUiSi R -=Þá®áÞ 0
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UccUoUdUUiSi R +=Þñ®ñÞ 0
UccUoUdUUiSi R -=Þá®áÞ 0
Ui
UR
+UccClic
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• Modificando la configuración anterior se puede variar laconfiguración para hacer variable la referencia.
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a) Con inversión4.4. COMPARADOR CON HISTERESIS
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UccRR
RUUccUoPara RS21
1.+
=Þ=
Y para Uo=-Ucc®URI® UccRR
RU RI21
1
+-=
Donde:URS= Voltaje de referencia superiorURI= Voltaje de referencia inferior
UccUoUdSi +=Þñ® 0
UccUoUiUSi R -=Þá-® 0)(
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1
1 2
2HIS RS RI
RU U U UccR R
D = - =+
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 conmutación y esto ocurre cuandoU+ =U- =0, por lo tanto se reemplaza dicho valor y sedespeja Ui en la ecuación de corrientes en el terminalno inversor.
La estructura es la siguienteb) Sin inversion
U-
U+
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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+
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2
1
RRUccUi -=
1
2
RU i U ccR
=
Si Ui>0(sigue creciendo)→Uo sigue en +Ucc, sireducimos Ui se puede encontrar el punto deconmutacion,que ocurre cuando U+=U-=0
iIULa tension de salida Uo pasa de +Ucc a –Ucc,Si la tension siguedecreciendo Uo=-Ucc. Ahora si la tension de entrada varia desdeel 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 UiRUR R R R
+ = ++ +
UiL UiS
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n Cuya curva de trasferencias se puede observar en la figura y latensión de salida para una señal de ingreso analógica.
iSUiIU Ui
U IS
Uo=-Ucc
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a) Con inversión
UccUoUdSi +=Þñ® 0
UccUoUdSi -=Þá® 0
Uo=Ad(UR-Ui)
4.5. COMPARADOR CON HISTERESIS CON ELBARICENTRO NO EN ORIGEN
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QR URR
RUoRR
RU21
2
21
1
++
+=
QRS URR
RUccRR
RU21
2
21
1
++
+=
QRI URR
RUccRR
RU21
2
21
1
++
+-=
UccUoUiUSi R +=Þñ-® 0)(
UccUoUiUSi R -=Þá-® 0)(
Y el Voltaje de referencia superior
Para el voltaje de referencia inferior
Para el voltaje de referencia debido a ambas fuentes es tadada por:
URS
URI
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n De la comparación con el voltaje de ingresoobtenemos las siguientes curvas:
UccUoUiUSi R +=Þñ-® 0)(
UccUoUiUSi R -=Þá-® 0)(
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21
2
RRRU
U QB +=
HIS RS RIU U UD = -
1
1 2
2 .H IS
U c c RUR R
D =+
Voltaje del baricentro
Intervalo de histeresis
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b)Sin inversion
21
1
21
2 ..RRRUo
RRRUiU
++
+=+
U-=UR
Para U+, por superposicion:
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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
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2
1
2
21 .)(R
RUccR
RRUU Ri +
+=
2) Si U+<U-→Ud<0 entonces Uo=-Ucc, U+<UR
iSU UiS
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n De la curva característica:
1
2
2 .HIS
Ucc RVR
D =
2
21 )(R
RRUU RB
+=
Intervalo de histeresis
Voltaje del baricentro
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n La siguiente configuración se conoce como comparador deventana y permite discriminar si determinado voltaje (v i) seencuentra entre dos niveles, uno superior (V refSup ) y otroinferior (V reinf ).
4.6. COMPARADOR VENTANAClic
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n Para analizar el circuito comparadorn de ventana, podemos examinar losn tres casos posibles:
n Caso 1: vi <VrefI<VrefS
n De acuerdo a esto D 2 conduce y D 1n no conduce, luego cuando la entradan se encuentra bajo la referencia inferiorn , la salida vo =+V cc.
n Caso 2: VrefI <vi <VrefS
( )( ) VccVVrefvAV
VccVvVrefAV
Sid
iId
-=Þ-=+=Þ-=
11
22
( )( ) VccVVrefvAV
VccVvVrefAV
Sid
iId
-=Þ-=-=Þ-=
11
22
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n En este caso D1 y D2 no conducen pues v1=v2=-Vcc,entonces vo =0.
n Finalmente caso 3, sucede que D2 no conduce y D1si, entonces vo =+V cc .
n Si la señal se encuentra entre los rangos indicados, lasalida de dicho comparador, se encontrará en unestado "bajo" (cero volts). Si la señal se encuentrafuera de la ventana, la salida tomará el valor +V cc .
n Si se quiere limitar la salida del comparador desaturación, puede considerarse la siguientemodificación
Caso 3
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En la práctica es posible implementar un comparadorcon cualquier AO, esto va a depender de lasexigencias de la aplicación, 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 undispositivo 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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n Entre estos integrados especializados paracomparación se puede citar el LM311 de la National.
4.7. Comparador LM311.-n La serie LM 311 de Nacional Semiconductor es una
de las familias más populares en comparadoresintegrados. Puede operar con tensiones de +-15 o contensión simple de +5V y la salida es en colectorabierto con tensiones de alimentación independientespara seleccionar los niveles de tensión de salida. En lafigura se muestra la forma física y la disposición determinales.
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Figura 16 Forma y Terminales
n Posee además un circuito de protección quelimita la intensidad máxima de salida a 50mA.Las correcciones de offset pueden realizarsemediante un potenciómetro variable conectadoa las entradas 5 y 6 similar a la técnicautilizada en amplificadores operacionales.
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Salida por colector Salida por emisor
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Vo=+Vcc
Vo=VCESAT=0
Salida por colector
Si Vp > Vn entonces (Transistor en corte).
nSi Vp < Vn entonces (Transistor en saturación).
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n La configuración salida por emisor resulta muyútil cuando se precisa de enterfaces a masa talcomo sucede en los SCRs. Los niveles detensión de salida son:
n Si Vp < Vn entoncesn (Transistor en saturación)
n Si Vp > Vn entoncesn (Transistor en corte).
Vo=+Vcc
Vo=0
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Características del Comparador LM 311Clic
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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
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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
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