Circuitos comparadores usando IC 741, IC 311, IC 339

A função básica de um circuito comparador é comparar dois níveis de tensão em seus pinos de entrada e produzir uma saída para mostrar qual tensão de entrada tem potencial mais alto do que a outra.

Neste artigo, aprenderemos detalhadamente como projetar corretamente circuitos comparadores usando ICs 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 amplificador operacional único e o IC LM311 pode ser considerado um bom exemplo de um comparador único dedicado.

Você descobrirá que ambas as unidades têm internamente um símbolo de dispositivo em forma de 'triângulo' idêntico, 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 as duas contrapartes são:

• Na condição de alimentação, a saída de um amplificador operacional será positiva ou negativa, dependendo dos níveis de tensão do pino de entrada, mas nunca pode ser aberta. Em contraste, uma saída do comparador pode ser aberta ou aterrada (negativa) ou flutuante.
• Uma saída de amplificador operacional pode funcionar sem qualquer pull up ou pull down resistores, mas um comparador sempre exigirá um pull-up ou pull down resistor externo para permitir que o estágio de saída funcione normalmente.
• Um amplificador operacional pode ser usado para construir circuitos amplificadores 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 comparador.

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

Aqui, a saída responde com um sinal digital 'alto', sempre que a tensão na entrada não inversora (+) for maior do que na entrada inversora (-). Ao contrário, a saída torna-se um sinal digital baixo, sempre que a tensão de entrada não inversora for menor do que a tensão de entrada inversora.

Com referência à figura acima acima, podemos ver uma conexão padrão de um circuito comparador com 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 de sinal de entrada .

Durante o tempo que Vin é mantido em tensão mais baixa do que a tensão de referência de +2 V, a saída permanece baixa em torno de -10 V. Se Vin é aumentada um pouco acima de +2 V, a saída muda instantaneamente de estado e fica alta para cerca de + 10 V. Esta mudança de estado na saída de -10 V para +10 V indica que o Vin se tornou mais alto que a referência +2 V.

O principal componente dentro de qualquer comparador é um circuito amplificador operacional, que é definido com um ganho de voltagem muito alto. Para estudar o funcionamento de um comparador com precisão, podemos tomar o exemplo do IC 741, conforme mostrado abaixo:

Aqui podemos ver que a entrada inversora pino 2 (-) é referenciada ao terra, ou um nível de 0 V. Um sinal senoidal é aplicado no pino 3, que é a entrada não inversora do amplificador operacional. Este sinal sinusoidal 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 se move mesmo um milivolt acima da referência de 0 V, a diferença é amplificada pelo amplificador operacional de alto ganho interno do IC, fazendo com que a saída fique alta no nível de saturação positiva da saída. Esta condição é mantida enquanto o sinal Vin permanecer acima da referência de 0 V.

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

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

Para aplicações normais, o nível de referência não precisa estar em 0 V, mas pode ser qualquer nível positivo de acordo com o requisito. E, caso seja necessário, a referência também pode ser conectada às linhas de alimentação positiva ou negativa, enquanto o sinal de entrada é aplicado no outro pino de entrada.

Usando IC 741 como um comparador

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

Na figura podemos ver um circuito amplificador operacional funcionando com uma referência positiva definida em seu pino de entrada inversora (-). A saída está conectada com um LED.

Usando a fórmula da rede do divisor 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

Visto que esta referência está associada ao pino (-) do IC, se a tensão Vin na entrada (+) for mais alta que esta referência ou se tornar mais positiva que a referência, forçará a saída Vo a mudar para seu nível de saturação positivo.

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

Ao contrário, se a entrada não inversora (+) for configurada como o pino de referência e Vin aplicado ao pino de entrada inversora (-), a saída será baixa assim que a entrada Vin ficar abaixo do valor de referência e vice-versa.

Isso fará com que o LED desligue instantaneamente.

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

Usando unidades comparadoras IC especializadas

Normalmente os amplificadores operacionais funcionam bem como circuitos comparadores, mas usar um IC comparador dedicado funciona ainda melhor do que um amplificador operacional para uma aplicação comparadora.

Os CIs de comparação são projetados especificamente de maneira ideal para a função de comparador e mostram uma resposta aprimorada, como comutação mais rápida na saída entre os níveis positivo e negativo.

Esses ICs possuem maior imunidade a ruídos e, em muitas ocasiões, as saídas podem ser usadas diretamente para acionar uma carga.

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

Circuito Comparador usando IC 311

A figura acima mostra o layout interno e os detalhes de pinagem do comparador IC 311. O IC é projetado para operar com uma fonte de alimentação dupla também, na faixa de +15 V e -15 V, que é um nível compatível padrão para todos CIs digitais modernos.

O estágio de saída dentro do IC possui um transistor bipolar, com coletor flutuante e terminais emissores. Isso significa que a saída deste transistor pode ser configurada e pode ser configurada de duas maneiras diferentes:

1. Adicionando um resistor pull-up com o coletor pin7 e aterrando o emissor pin1 e, subsequentemente, usando o coletor como saída.
2. Unindo 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 pequena carga, como uma lâmpada, diretamente sem qualquer estágio de buffer externo.

O IC também possui uma balança e uma entrada estroboscópica que pode ser acionada com a saída.

Discutiremos algumas aplicações úteis deste IC nas seguintes seções:

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

A entrada inversora (-) do 311 pode ser vista unida ao solo. Durante o período em que o sinal de entrada está em nível positivo, o transistor de saída permanece ligado, o que cria um baixo (-10 neste exemplo) na saída (coletor do transistor).

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

A próxima figura abaixo mostra como o comparador IC 311 pode ser usado para fazer um circuito estroboscópico.

Neste exemplo de circuito comparador, a saída do pino 7 ficará alta quando o nível de tensão do pino 3 subir acima da referência do pino 2. Mas isso pode acontecer apenas enquanto o pino de entrada do estroboscópio do pino 6 estiver baixo ou em 0 V.

Quando um estroboscópio de TTL alto é aplicado na base do transistor, o pino 6 torna-se baixo, fazendo com que o transistor de saída do IC seja desligado e, assim, permitindo que o pino 7 fique alto.

A saída continua alta enquanto a entrada TTL for mantida alta, independentemente da condição do sinal de entrada no pino 3.

No entanto, se o sinal TTL for aplicado na forma estroboscópica, a saída responde ao sinal de entrada no pino 3. Simplificando, a saída permanece travada em alta, a menos que o pino 6 seja estroboscópico.

Como conectar um relé a um comparador

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

Aqui, quando o nível de tensão no pino 2 de entrada cai abaixo de 0 V, o pino 3 fica mais positivo do que o pino 2. Isso faz com que o coletor do transistor interno seja DESLIGADO, o que LIGA o relé. O contatos do relé poderia ser conectado com uma carga mais pesada para executar uma ação de comutação desejada.

Enquanto a entrada (+) no pino 2 permanecer abaixo de 0 V, o relé permanecerá LIGADO. Por outro lado, quando um sinal positivo está disponível no pino 2, o relé permanecerá DESLIGADO.

Circuito Comparador usando IC 339

O IC 339, também popularmente escrito como LM339, é um IC comparador quádruplo. Ou seja, inclui 4 comparadores de tensão separados, cujas entradas e saídas são devidamente terminadas por meio dos respectivos pinos externos do pacote IC, conforme mostrado abaixo.

Assim como qualquer outro comparador, cada bloco comparador tem algumas entradas e uma saída. Quando o IC é alimentado pela aplicação de tensão no Vcc e nos pinos de alimentação do terra, ele alimenta todos os comparadores juntos. Portanto, mesmo se um único comparador for usado, todos os outros 3 estariam consumindo alguma energia.

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

Quando uma entrada diferencial positiva é aplicada nos terminais de entrada, ou seja, quando a diferença entre os sinais aplicados é positiva, ela 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 nos pinos de entrada é negativa, ele LIGA o transistor de saída do comparador, o que faz com que o pino de saída do comparador fique negativo, ou no potencial V-.

Referindo-nos à figura acima, podemos entender que quando a entrada não inversora (+) do IC é usada como o pino de referência, uma tensão inferior a esta referência no pino de entrada inversora (-) resultará na saída do comparador para se tornar aberto. Por outro lado, se o (-) for usado como o pino de referência, um nível de tensão na entrada (+) superior à referência fará com que a saída fique negativa ou em V-

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

No momento em que o sinal de entrada sobe acima de 0 V, a saída é elevada no nível V +. A saída é desligada em V- apenas enquanto a entrada é mantida abaixo de 0 V.

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

Vantagem de ter uma saída flutuante em CIs comparadores

Conforme discutido nas explicações anteriores, a saída dos comparadores é comutada através do BJT, que possui um coletor aberto como saída. Isso dá a vantagem de conectar as saídas de dois comparadores do IC 339 diretamente como um OU portão .

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

A saída dos respectivos comparadores é baixa sempre que o sinal de entrada cruza o limite inferior definido ou o limite superior definido, permitindo assim ao usuário saber quando o sinal está fora do nível de janela definido.

Um comparador de janela pode ser usado para aplicativos úteis, como protetor de alta baixa tensão circuito, e rastreador solar circuito etc.

Conclusão

Com as explicações acima, aprendemos que:

Os comparadores são basicamente unidades com duas entradas complementares e uma saída responsiva. A saída fica alta ou baixa quando o nível de tensão em uma das entradas fica mais alto ou mais baixo do 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 mais bem projetados para funcionar como comparadores.

CIs comparadores dedicados como LM311, LM339 são especialmente projetados para aplicação de comparador, com resposta mais rápida e capacidade flexível de saída de alta corrente.

Se você tiver alguma dúvida relacionada, sinta-se à vontade para perguntar por meio da caixa de comentários abaixo.