Circuitos de comparação com IC 741, IC 311, IC 339

A função básica de um circuito comparador para comparar dois níveis de tensão em seus pinos de entrada e produzir uma saída para mostrar qual tensão de entrada tem um potencial maior que o outro.

Neste artigo, aprenderemos como projetar corretamente circuitos comparadores usando circuitos integrados populares como IC 741, IC 311 e IC LM339.

Diferença entre um comparador e um amplificador operacional

O IC 741 é um exemplo ideal de um único amplificador operacional e o IC LM311 pode ser considerado um bom exemplo de um comparador único dedicado.

Você verá que ambas as unidades possuem um símbolo de dispositivo em forma de “triângulo” idêntico internamente, que normalmente reconhecemos e usamos para desenhar circuitos comparadores. No entanto, a resposta de saída dessas duas formas de comparadores pode ter algumas diferenças importantes.

Embora um amplificador operacional e um comparador possam ser configurados para comparar sinais diferenciais em seus pinos de entrada, as principais diferenças entre os dois equivalentes são:

  • Sob condições de energia, a saída de um amplificador operacional será positiva ou negativa, dependendo dos níveis de tensão do pino de entrada, mas nunca poderá ser aberta. Por outro lado, a saída de um comparador pode ser aberta ou aterrada (negativa) ou flutuante.
  • Uma saída de amplificador operacional pode operar sem resistências de pull-up ou pull-down, mas um comparador sempre exige um resistor de pull-up ou pull-down externo para permitir que o estágio de saída funcione normalmente.
  • Um amplificador operacional pode ser usado para construir circuitos de alto ganho, um comparador não pode ser usado para tais aplicações.
  • A resposta de comutação de saída de um amplificador operacional é geralmente mais lenta em comparação com um IC de comparação.

Um projeto clássico de circuito comparador pode ser visto na figura a seguir:

circuitos de comparacao com ic 741 ic 311 ic 339

Aqui, a saída responde com um sinal digital “alto”, desde que a tensão na entrada não inversora (+) seja maior que a entrada inversora (-). Em vez disso, a saída é convertida em um sinal digital baixo, desde que a tensão de entrada não inversora seja menor que a tensão de entrada inversora.

1590339748 620 circuitos de comparacao com ic 741 ic 311 ic 339

Referindo-se à figura anterior, podemos ver uma conexão padrão de um circuito comparador que possui uma entrada (a entrada inversora neste exemplo) configurada com uma tensão de referência e o outro pino de entrada que é a entrada não inversora conectada a uma tensão do sinal de entrada.

Durante o tempo em que Vin é mantido em uma tensão menor que a tensão de referência de +2 V, a saída permanece baixa em torno de -10 V. Se o Vin aumenta um pouco acima de +2 V, a saída muda instantaneamente status e sobe para cerca de 10 V. Essa mudança de status na saída de -10 V a +10 V indica que o Vin se tornou mais alto que a referência de +2 V.

O principal componente de qualquer comparador é um circuito de amplificador operacional, que define um ganho de tensão muito alto. Para estudar com precisão a operação de um comparador, podemos usar o exemplo do IC 741, como mostrado abaixo:

Forma de onda do comparador de saída IC 741

Aqui podemos ver que a entrada reversa pin2 (-) é referenciada ao terra, ou um nível de 0 V. Um sinal senoidal é aplicado ao pin3, que é a entrada não inversora do amplificador operacional. Esse sinal senoidal de variação alternada faz com que a saída alterne entre os estados de saída alto e baixo, conforme indicado no lado direito da imagem.

Quando a entrada Vin move até um milivolt acima da referência de 0 V, a diferença é amplificada pelo amplificador operacional interno de alto ganho do IC, fazendo com que a saída suba para o nível de saturação positivo da saída. Essa condição é mantida enquanto o sinal Vin permanecer acima da referência 0V.

Agora, assim que o nível do sinal cai um tom abaixo da referência 0V, a saída passa para o nível mais baixo de saturação. Novamente, essa condição é mantida enquanto o sinal de entrada Vin permanecer abaixo do nível de referência 0V.

A explicação acima e a forma de onda apresentada na imagem indicam claramente a resposta digital da saída para um sinal de entrada de variação linear.

Para aplicações normais, o nível de referência não precisa estar em 0 V, mas pode ser qualquer nível positivo, conforme necessário. E, se necessário, a referência também pode ser conectada às linhas de alimentação positiva ou negativa, enquanto o sinal de entrada é aplicado ao outro pino de entrada.

Usando o IC 741 como um comparador

No exemplo a seguir, aprenderemos como usar efetivamente um amplificador operacional como um comparador

Comparador IC 741 para operar um LED

Na figura, podemos ver um circuito op amp que funciona com um conjunto de referência positivo em seu pino de entrada inversor (-). A saída está conectada com um LED.

Usando a fórmula da rede divisora ​​de tensão, podemos calcular o valor da tensão de referência no pino de entrada (-) do IC.

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

Como essa referência está associada ao pino IC (-), se a tensão Vin na entrada (+) for maior que essa referência ou se tornar mais positiva que a referência, ela forçará a saída do Vo a mudar para sua saturação positiva.

Isso fará com que o LED acenda, indicando que Vin se tornou mais positivo que o nível de referência de +6 V.

Por outro lado, se a entrada não inversora (+) estiver configurada como pino de referência e Vin for aplicado ao pino de entrada inversora (-), a saída será reduzida assim que a entrada Vin cair abaixo do valor de referência, e vice-versa.

Isso fará com que o LED apague instantaneamente.

Portanto, o LED pode ser ligado ou desligado para um determinado sinal de entrada, conectando corretamente o pino de entrada ao nível de referência e ao sinal de entrada.

Usando unidades especializadas de comparação de IC

Normalmente, os amplificadores operacionais funcionam muito bem como circuitos de comparação, mas o uso de um IC de comparação dedicado funciona ainda melhor do que um amplificador operacional para um aplicativo de comparação.

Os CIs de comparação são projetados especificamente para a função de comparação e mostram resposta aprimorada, como mudanças mais rápidas na saída entre níveis positivos e negativos.

Esses circuitos integrados têm maior imunidade ao ruído e, em muitos casos, as saídas podem ser usadas diretamente para conduzir uma carga.

Vamos aprender sobre alguns CIs comparadores populares em detalhes, a partir da discussão a seguir.

Circuito comparador com IC 311

Diagrama simplificado LM311

A figura acima mostra o design interno e os detalhes dos pinos do comparador IC 311. O IC foi projetado para funcionar também com uma fonte de alimentação dupla, na faixa de +15 V e -15 V, que é um nível padrão compatível para todos os circuitos integrados digitais modernos.

O estágio de saída dentro do IC possui um transistor bipolar, que possui terminais flutuantes de coletor e emissor. Isso significa que a saída desse transistor pode ser configurada de duas maneiras diferentes:

  1. Adicionando um resistor de pull-up ao pino 7 do coletor e ao pino de aterramento 1 do emissor, usando o coletor como saída.
  2. Conectando o coletor com a linha positiva e usando o emissor como saída.

A saída do transistor também pode ser usada para acionar um relé ou uma carga pequena, como uma lâmpada, diretamente, sem qualquer estágio de amortecimento externo.

O IC também possui uma entrada de balanço e estroboscópio que pode ser ativada com a saída.

Discutiremos algumas aplicações úteis deste IC nas seguintes seções:

Projeto interno LM311 com saída conectada com resistor de pull-up

A figura acima mostra como o IC 311 pode ser configurado como um detector de comparação de cruzamento zero para detectar a tensão de entrada, sempre que cruzar a linha zero.

A entrada inversora (-) do 311 pode ser vista anexada ao solo. Durante o período em que o sinal de entrada está no nível positivo, o transistor de saída permanece ligado, criando um nível baixo (-10 neste exemplo) na saída (coletor do transistor).

Assim que o sinal de entrada se tornar negativo ou menor que 0 V, o transistor será desligado. Isso cria um + 10V positivo na saída do coletor de IC. Isso nos permite saber quando o sinal de entrada está acima do nível zero e quando caiu abaixo do nível zero.

A figura a seguir mostra como o comparador IC 311 pode ser usado para criar um circuito estroboscópico.

Neste exemplo de circuito comparador, o pino de saída 7 aumentará quando o nível de tensão do pino3 exceder a referência do pino2. Mas isso só pode acontecer enquanto o pino de entrada do estroboscópio pin6 estiver baixo ou em 0V.

LM311 como circuito comparador estroboscópico

Quando uma luz estroboscópica TTL alta é aplicada à base do transistor, o pino 6 fica baixo, fazendo com que o IC do transistor de saída seja desligado, permitindo que o pino 7 suba.

A saída permanece alta enquanto a entrada TTL permanecer alta, independentemente da condição do sinal de entrada no pino3.

No entanto, se o sinal TTL for estroboscópico, a saída responderá ao sinal de entrada no pino3. Em poucas palavras, a saída permanece travada alta, a menos que o pino 6 esteja quebrado.

Como conectar um relé a um comparador

A figura a seguir mostra como o comparador 311 pode ser usado diretamente para operar um relé.

LM311 como comparador de controle de relé

Aqui, quando o nível de tensão no pino de entrada 2 cai abaixo de 0V, o pino3 se torna mais positivo que o pino2. Isso faz com que o coletor do transistor interno seja desligado, o que liga o relé. Os contatos do relé podem ser conectados com uma carga mais pesada para executar a ação de comutação desejada.

Enquanto a entrada (+) no pino2 permanecer abaixo de 0 V, o relé permanecerá ligado. Por outro lado, quando um sinal positivo estiver disponível no pino2, o relé permanecerá desligado.

Circuito comparador com IC 339

O IC 339, também popularmente escrito como LM339, é um IC de comparação quad. Ou seja, inclui 4 comparadores de tensão separados cujas entradas e saídas são adequadamente terminadas através dos respectivos pinos externos do pacote IC, como mostrado abaixo.

Desenho de pinagem LM339

Como qualquer outro comparador, cada bloco comparador possui um par de entradas e uma saída. Quando o IC é alimentado aplicando tensão através de Vcc e os pinos de energia no terra, ele liga todos os comparadores. Portanto, mesmo que um único comparador seja usado, os outros 3 consumiriam alguma energia.

Todos os comparadores têm características exatamente idênticas; portanto, podemos analisar qualquer um deles para aprender a função básica do comparador.

Configuração dos pinos do comparador LM339

Quando uma entrada diferencial positiva é aplicada nos terminais de entrada, o que significa que a diferença entre os sinais aplicados é positiva, ele desliga o transistor de saída. Isso faz com que a saída mostre um circuito aberto ou uma abertura flutuante.

Quando a entrada diferencial é negativa, ou seja, quando a diferença entre os sinais aplicados aos pinos de entrada é negativa, o transistor de saída do comparador é ativado, fazendo com que o pino de saída do comparador fique negativo ou ligado o potencial V.

Referindo-se à figura acima, podemos entender que, quando a entrada não inversora de IC (+) é usada como pino de referência, uma tensão menor que essa referência no pino de entrada inversora (-) resultará na abertura da saída do comparador . Por outro lado, se (-) for usado como pino de referência, um nível de tensão na entrada (+) maior que a referência fará com que a saída fique negativa ou V-

Para aprender como o IC 339 funciona como um comparador, o exemplo a seguir mostra o IC como um detector de cruzamento zero.

Forma de onda de comutação do comparador LM339

No momento em que o sinal de entrada ultrapassa 0 V, a saída se torna alta no nível V +. A saída é desativada em V- somente enquanto a entrada é mantida abaixo de 0 V.

Como explicado acima, o nível de referência não precisa ser 0 V, pode ser alterado para qualquer outro nível desejado. Além disso, você também pode usar o outro pino de entrada (+) como pino de referência e o pino de entrada (-) como pino de entrada do sinal para aceitar o sinal de entrada variável.

Vantagem de ter uma saída flutuante nos CIs de comparação

Conforme discutido nas explicações anteriores, a saída dos comparadores é alternada via BJT, que possui um coletor aberto como saída. Isso oferece a vantagem de conectar as saídas de dois comparadores do IC 339 diretamente como uma porta OR.

Um bom exemplo de um circuito comparador de janelas pode ser visto abaixo. Aqui, dois blocos comparadores IC 339 são configurados com um único sinal de entrada comum e as saídas são vinculadas como a porta OR.

LM339 como comparador de janelas

A saída dos respectivos comparadores diminui quando o sinal de entrada ultrapassa o limite inferior definido ou o limite superior definido, permitindo que o usuário saiba quando o sinal está fora do nível da janela do conjunto.

Um comparador de janelas pode ser usado para aplicações úteis como circuito de proteção de alta tensão e circuito de rastreamento solar etc.

conclusão

Das explicações acima, aprendemos que:

Comparadores são basicamente unidades que possuem duas entradas complementares e uma saída responsiva. A saída se torna alta ou baixa quando o nível de tensão em uma das entradas é maior ou menor que a outra entrada, dependendo de qual entrada é usada como referência ou em um nível de tensão fixo.

Embora um amplificador operacional também possa ser usado como um comparador, os CIs comparadores especializados são melhor projetados para funcionar como comparadores.

Os circuitos integrados de comparação dedicados, como o LM311, o LM339, são especialmente projetados para aplicações de comparação, com resposta mais rápida e capacidade flexível de saída de alta corrente.

Se você tiver alguma dúvida relacionada, não hesite em perguntar através da caixa de comentários abaixo.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

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