Al diseñar circuitos electrónicos, a menudo es necesario comparar el nivel de dos tensiones. Para ello, se utiliza un dispositivo como un comparador. El nombre de la unidad proviene del latín comparare, es decir, comparar.
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Qué es un comparador de tensión
Un comparador es generalmente un dispositivo con dos entradas para los valores (tensiones) que se comparan y una salida para el resultado de la comparación. El comparador tiene dos entradas para alimentar los valores comparados, una directa y otra inversa. La salida se pone en uno lógico si la tensión de entrada directa supera la tensión inversa y en cero si es al revés. Un comparador se llama inversor si la diferencia entre las entradas directa e inversa es positiva y cero en la situación contraria.
Principio de funcionamiento del comparador
Es conveniente construir un comparador utilizando amplificador operacional (OP-AMP). Para ello, utiliza directamente sus propiedades:
- La amplificación de la diferencia de señal entre las entradas directa e inversa;
- ganancia infinita (en la práctica, a partir de 10.000).
El funcionamiento del DT como comparador puede considerarse con el siguiente circuito:
Supongamos que hay un op-amp con una ganancia de 10000, la tensión de alimentación es bipolar, + 5 V y menos 5 V. El divisor se ajusta a un nivel de referencia de exactamente 0 voltios en la entrada inversora, la entrada directa se toma a menos 5 voltios del deslizador del potenciómetro. El amplificador óptico debería amplificar la diferencia 10.000 veces, teóricamente debería aparecer en la salida una tensión de menos 50.000 voltios. Pero el amplificador óptico no tiene dónde obtener esa tensión, así que crea la máxima tensión de alimentación posible, menos 5 voltios.
Si se empieza a aumentar la tensión en la entrada directa, el Op-Amp intentará establecer la diferencia de tensión entre las entradas, multiplicada por 10000. Tendrá éxito cuando la tensión de entrada se acerque a cero y se convierta en aproximadamente menos 0,0005V. A medida que la tensión de entrada aumenta más en la entrada positiva, la tensión de salida aumentará hasta cero o más, y a los +0,0005 voltios se convertirá en +5 voltios y no será posible aumentar más. Así, cuando la tensión de entrada pasa el nivel cero (menos 0,0005 voltios a +0,0005 voltios para ser exactos) habrá un salto en la tensión de salida de menos 5 voltios a +5 voltios. En otras palabras, mientras la tensión en la entrada directa sea menor que la de la entrada inversora, el cero se establece en la salida del comparador. Si es mayor, se fija uno.
Es interesante la sección de diferencia de nivel en las entradas de menos 0,0005 voltios a +0,0005 voltios. En teoría, al pasar esto se producirá un aumento suave de la tensión de alimentación de negativo a positivo. En la práctica, este rango es muy estrecho y se debe a las interferencias, el ruido, la inestabilidad de la tensión de alimentación, etc. Si las tensiones en las entradas son aproximadamente iguales, habrá un disparo aleatorio del comparador en ambas direcciones. Cuanto menor sea la ganancia del op-amp, más amplia será esta ventana de inestabilidad. Si el comparador controla un actuador, esto hará que se dispare al ritmo (chasquido del relé, golpe de la válvula, etc.), lo que puede provocar su rotura mecánica o su sobrecalentamiento.
Para evitarlo, se crea una retroalimentación positiva poco profunda incorporando la resistencia indicada por la línea discontinua. Esto crea una ligera histéresis al desplazar los umbrales de conmutación cuando la tensión sube y baja en relación con la referencia. Por ejemplo, arriba el comparador conmutará a 0,1 voltios y abajo exactamente a cero (dependiendo de la profundidad de la retroalimentación). Esto eliminará la ventana de inestabilidad. La capacidad de esta resistencia puede ser de unos cientos de kilohmios a unos pocos megaohmios. Cuanto menor sea la resistencia, mayor será la diferencia entre los umbrales.
También hay disponibles chips comparadores especializados. El LM393, por ejemplo. Estos tienen un amplificador operacional rápido (o más) y pueden tener un divisor incorporado que proporciona una tensión de referencia. Otra diferencia entre estos comparadores y los dispositivos basados en Op-Amps es que muchos de ellos requieren una fuente de alimentación de un solo extremo. La mayoría de los op-amps necesitan una tensión bipolar. La elección del tipo de chip viene determinada por el diseño del dispositivo.
Características de los comparadores digitales
Los comparadores también se utilizan en la tecnología digital, aunque esto pueda parecer paradójico a primera vista. Al fin y al cabo, sólo hay dos niveles de tensión: uno y cero. Compararlos no tiene sentido. Pero es posible comparar dos números binarios en los que también se puede convertir cualquier valor analógico (incluida la tensión).
Supongamos que hay dos palabras binarias de igual longitud en bits:
X=X3X2X1X0 e Y=Y3Y2Y1Y.
Se consideran de igual valor si todos los bits son iguales a nivel de bits:
1101=1101 => X=Y.
Si al menos un bit es diferente, los números no son iguales. El número más alto se determina mediante una comparación bit a bit, empezando por el bit más alto:
- 1101>101 - aquí el primer bit de X es mayor que el primer bit de Y, y X>Y;
- 1101>101 - los primeros bits son iguales, pero el segundo bit de X es mayor y X>Y;
- 111<1110 - Y tiene el tercer bit más y el valor del bit inferior de X es irrelevante, X
La implementación de esta comparación puede construirse sobre circuitos lógicos de elementos de base I-NE, OR-NE, pero es más fácil utilizar productos disponibles en el mercado. Por ejemplo, el 4063 (CMOS), el 7485 (TTL), el K564IP2 doméstico y otras series de microcircuitos. Son comparadores de 2 a 8 dígitos con un número correspondiente de entradas de datos y de control. Las salidas de los comparadores digitales son, en la mayoría de los casos, 3:
- más;
- menos que;
- igual.
A diferencia de los dispositivos analógicos, con los comparadores binarios la igualdad en las entradas no es una situación indeseable y no se evita.
Un dispositivo de este tipo puede construirse fácilmente utilizando funciones de álgebra booleana. Como alternativa, muchos microcontroladores tienen comparadores analógicos a bordo, con pines externos separados, que dan al circuito interno un resultado listo para comparar dos valores como 0 o 1. Esto ahorra recursos de los sistemas informáticos pequeños.
Cuando se utiliza un comparador de tensión
El comparador se utiliza en una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, se puede construir un relé de umbral en él. Se necesitaría un sensor que convierta cualquier cantidad en tensión. Dicho valor puede ser:
- nivel de luz;
- nivel de ruido;
- nivel de líquido en el recipiente o tanque;
- cualquier otro valor.
Con el potenciómetro se puede ajustar el nivel del comparador. La señal de salida se da a través de una llave a un indicador o actuador.
Si se aumenta la histéresis, el comparador puede actuar como un disparador Schmitt. Cuando se aplica una tensión que varía lentamente a la entrada, la salida es señal binaria con bordes empinados.
Se pueden conectar dos elementos para formar un comparador de doble umbral, o comparador de ventana.
Aquí, la tensión de umbral se ajusta por separado para cada comparador: el comparador superior en la entrada directa y el comparador inferior en la entrada inversa. Las entradas libres se combinan y se les aplica la tensión a medir. Las salidas están conectadas en OR. Cuando la tensión supera el límite superior o inferior establecido, uno de los comparadores emite un nivel alto.
Un comparador multinivel está formado por varios elementos, que pueden utilizarse como indicador de tensión lineal, o como valor que se convierte en tensión. Para cuatro niveles, el circuito sería el siguiente:
En este circuito, se aplica una tensión de referencia diferente a la entrada de cada elemento. Las entradas inversoras se conectan entre sí y se les aplica la señal a medir. Cuando se alcanza el nivel de activación, el LED correspondiente se enciende. Si los elementos emisores están dispuestos en línea, se obtiene una barra luminosa cuya longitud varía en función del nivel de la tensión aplicada.
El mismo circuito puede utilizarse también como convertidor analógico-digital (ADC). Convierte la tensión de entrada en un código binario apropiado. Cuantos más elementos incluya el ADC, mayor será la resolución y más precisa será la conversión. En la práctica, el código de línea es incómodo de utilizar, y se convierte en un código familiar mediante un codificador. El codificador puede construirse con elementos lógicos, microcircuitos estándar o ROMs con el firmware adecuado.
El ámbito de aplicación de los comparadores en los circuitos profesionales y de aficionados es muy amplio. La aplicación competente de estos elementos permite resolver una amplia gama de tareas.
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