Como calcular o ganho de um circuito comparador de tensão

Um circuito de grande utilidade, disponível na forma integrada, apresentando características que permitem sua utilização numa infinidade de projetos é o comparador de tensão. Neste artigo mostramos como ele funciona e como podemos utilizá-lo nas aplicações práticas.

Um comparador de tensão mais é do que um amplificador operacional que possui um ganho muito alto e que pode operar normalmente com uma fonte de alimentação simples.

Temos basicamente duas formas de utilizar um comparador, as quais determinam o tipo de saída obtida.

Na primeira maneira, mostrada na figura 1, ligamos a entrada inversora do comparador a um par de resistores cujos valores determinarão a tensão de referência naquela entrada.

Figura 1 – Usando resistores como referência

Se usarmos dois resistores de mesmo valor, por exemplo, a tensão de referência será metade da tensão de alimentação ou Vcc/2.

Para outras relações de valores, por exemplo, usando R1 e R2 quaisquer, a tensão de referência será dada por:

Vref = Vcc (R2/R1 + R2)

Outra possibilidade de se fixar a tensão de referência é com o uso de um diodo zener, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Fixando a referência com um zener

Na outra entrada do comparador, aplicamos a tensão a ser comparada, ou seja, a tensão de entrada.

Se esta tensão for menor do que a tensão de referência, a saída do comparador apresentará uma tensão muito próxima de 0 V.

Se esta tensão for maior que a tensão de referência, as saída do comparador irá ao nível alto, ou seja, apresentará uma tensão muito próxima da tensão de alimentação.

Este comportamento pode ser ilustrado através de um gráfico conforme o da figura 3.

Figura 3 – Característica do comparador

Veja que a região em que as tensões de entrada são muito próximas, temos um comportamento indefinido de saída, já que ocorre a transição.

O ganho muito alto do circuito faz com que esta faixa indefinida seja muito estreita, com apenas alguns milivolts ou no máximo, algumas dezenas de milivolts.

Na segunda modalidade de operação, a tensão de referência é aplicada à entrada não inversora (+) e a tensão de entrada é aplicada à entrada inversora, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 – Segundo modo de operação

Nestas condições, se a entrada for menor do que a tensão de referência, a tensão de saída será positiva, bem próxima da tensão de alimentação.

Se a tensão de entrada for maior que a tensão de referência, a tensão de saída será bem próxima de zero.

Um gráfico que representa este comportamento é mostrado na figura 5.

Figura 5 – Gráfico para o segundo modo de operação

Na prática as tensões não podem chegar a Vcc e nem a zero, devido as perdas nos componentes do circuito.

No entanto, existem comparadores em que a tensão é muito próxima desses valores, sendo por esse motivo, denominados rail-to-rail, ou seja, a tensão de saída oscila entre as duas linhas de alimentação (rail).

As correntes que podemos obter numa saída de um comparador são normalmente pequenas, da ordem de alguns miliampères ou pouco mais de uma dezena de miliampères, o que é permite que apenas LEDs comuns, no máximo sejam excitados, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Excitando LEDs

O resistor R tem seu valor determinado de acordo com a tensão de alimentação, de modo a limitar a corrente no LED a um valor que esteja dentro dos limites da capacidade do comparador.

Para uma etapa de potência, acionando relés, lâmpadas ou motores, por exemplo, podemos usar os circuitos da figura 7.

Figura 7 – Acionando circuitos de potência

No primeiro circuito temos o acionamento de cargas até 100 mA, quando a saída do comparador estiver no nível alto, ou seja, próxima da tensão de alimentaçã.

No segundo circuito temos o acionamento de uma carga da mesma ordem, quando a tensão de saída for nula.

O terceiro circuito corresponde a uma etapa de maior potência com um transistor Darlington, com capacidade da ordem de 1 A.

Para um Darlington PNP temos o acionamento com uma tensão nula, enquanto que no exemplo indicado, o acionamento ocorre quando a saída do comparador estiver positiva.

Alimentação o comparador com uma tensão de 5 V ele pode excitar cargas TTL, e com outras tensões temos a compatibilidade com cargas CMOS, exigindo-se apenas a conexão de um resistor de pull-up externo tipicamente de 10k a 100 k, conforme mostra a a figura 8.

Figura 8 – O resistor de pull-up

Este resistor é necessário pois a saída do comparador normalmente consiste num transistor que está com o coletor desligado (aberto).

Sem um resistor externo, o transistor não é polarizado.

Aplicações

Damos a seguir algumas aplicações importantes, cujos valores básicos dos componentes podem ser deixados em aberto, pois dependem do comportamento desejado para o circuito.

1. Alarme de Luz

Na figura 9 temos o circuito básico para o disparo de um sistema de alarme com o corte ou com a incidência de luz, tendo por base um comparador.

Figura 9 – Alarme de luz ou sombra

As cargas podem ser um dos circuitos indicados na figura 7, e a sensibilidade ou ponto de disparo é ajustado variando-se a tensão de referência através de um potenciômetro.

Este circuito tem como principal característica a velocidade de resposta já que, com uma mínima variação de luz a partir do ponto de ajuste, ele dispara.

Os sensores podem ser LDRs ou mesmo foto-transistor com aumento dos calores dos resistores.

2. Alarme de Temperatura

Com a utilização de termistores (NTC ou PTCs) como sensores, podemos controlar uma carga com pequenas variações da temperatura, utilizando a configuração em termostatos sensíveis.

Na figura 10 mostramos como fazer isso.

Figura 10 – Usando NTCs e PTCs como sensores

O ponto de disparo do circuito é ajustado no potenciômetro.

3. Comparador de Janela

Dois comparadores de tensão ligados conforme mostra a figura 11 formam uma configuração denominada”comparador de janela” ou “window comparator”.

Esta configuração se deve ao fato de que no gráfico que representa o comportamento deste circuito, mostrado na figura 12, temos uma “janela” em que a saída vai ao nível alto ou ao nível baixo (Vcc ou 0V), determinada pela relação entre os valores dos resistores de referência ou pelas tensões de referência.

Figura 11 – O comparador de janela

Figura 12 – Característica do comparador de janela

Assim, para o circuito indicado, a carga será acionada somente quando a tensão de entrada estiver na faixa de V1 a V2. Abaixo de V1 e acima de V2 a carga estará desativada.

Se ligarmos na entrada deste circuito um LDR, conforme mostra a figura 13, e ajustarmos os potenciômetros P1 e P2 para que a saída permaneça desativada com a iluminação normal, qualquer perturbação da iluminação ambiente, aumentando ou diminuindo de intensidade, causará o disparo do sistema.

Figura 13 – Alarme de perturbação luminosa

Em lugar do LDR, poderemos usar neste circuito outros tipos de sensores como NTCs PTCs, sensores de pressão, posição, etc.

4. Comparador Escalonado

Diversos comparadores ligados a uma rede de resistores em série capaz de fornecer tensões de referências escalonadas, conforme mostra a figura 14, permitem a elaboração de um comparador escalonado.

Figura 14 – O comparador escalonado

Podemos usar este circuito num VU-meter, acrescentando a entrada de áudio mostrada na figura 15.

Figura 15 – Entrada para VU-meter

Para termos um termômetro escalonado, podemos ligar na entrada o circuito mostrado na figura 16.

Figura 16 – Termômetro bargraph

5. Oscilador

Um comparador de tensão também pode ser usado de modo a oscilador e com isso gerar sinais numa faixa de até algumas centenas de quilohertz.

A configuração para esta finalidade é mostrada na figura 17.

Figura 17- Oscilador com comparador

O capacitor C1 e o resistor R1 determinam a frequência de operação do oscilador (veja na seção de Matemática Para Eletrônica como calcular a frequência).

Outras configurações podem ser obtidas para se gerar formas de onda diferente.

Também existe a possibilidade de usarmos o comparador como amplificador, mas isso não será abordado neste artigo.

Veremos agora alguns tipos de comparadores com que pode realizar projetos atualmente.

O Comparador na Prática

Em princípio, qualquer amplificador operacional pode ser usado como comparador.

Assim, se precisarmos apenas de um comparador num projeto, podemos utilizar o amplificador operacional 741, sem problemas.

Na figura 18 temos o invólucro e a pinagem do amplificador operacional 741.

Figura 18 – O 741

As principais características deste operacional são:

Tensão máxima: 18 + 18 V

Resistência de entrada: 2 M Ω

Ganho típico: 300 000

Resistência de saída: 75 Ω

Corrente máxima de saída: 25 mA (tip.)

Uma série de comparadores comum é a formada pelos LM293, 393 e LM2903 cuja pinagem é mostrada na figura 19.

Figura 19 – Amplificadores LM193, 293 e 393 mais LM2903

As características destes amplificadores são as seguintes:

Faixa de tensões de alimentação: 2 a 36 V (18+18 V)

Ganho: 200 V/mV (tip.)

Outra família popular é a formada pelos LM139, 239, 339 e LM2901, mostrados na figura 20.

Figura 20 – Os LM139/239/339 e LM2901

Num mesmo invólucro temos quatro comparadores que podem operar com tensões de 1 até 18 V e têm ganhos de 100 000 a 200 000 conforme o tipo.

A corrente máxima de saída é de 16 mA e ele exige um resistor de pull-up de 2k2 tipicamente.

Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br