Ao conceber circuitos electrónicos, é muitas vezes necessário comparar o nível de duas tensões. Para o fazer, é utilizado um dispositivo como um comparador. O nome da unidade vem do latim comparare, ou melhor, para comparar.
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O que é um comparador de voltagem
Um elemento de comparação é geralmente um dispositivo com duas entradas para os valores (tensões) a serem comparados e uma saída para o resultado da comparação. O comparador tem dois inputs para alimentar os valores comparados, um directo e um inverso. A saída é definida como lógica se a tensão de entrada directa exceder a tensão inversa e zero se vice-versa. Um comparador é chamado comparador invertido se a diferença entre as entradas directas e inversas for positiva e zero na situação oposta.
Princípio de trabalho do comparador
É conveniente construir um elemento de comparação usando amplificador operacional (OP-AMP). Para este fim, utiliza directamente as suas propriedades:
- A amplificação da diferença do sinal entre as entradas directas e inversas;
- ganho infinito (na prática, a partir de 10.000).
O funcionamento do DT como elemento de comparação pode ser considerado com os seguintes circuitos:
Suponha que existe um op-amp com um ganho de 10000, a tensão de alimentação é bipolar, + 5 V e menos 5 V. A divisória é definido para um nível de referência de exactamente 0 volts na entrada inversa, a entrada directa é tirada a menos 5 volts do potenciómetro deslizante. O op-amp deve amplificar a diferença em 10.000 vezes, teoricamente uma voltagem de menos 50.000 volts deve aparecer na saída. Mas não há lugar para o op-amp obter uma tal tensão, por isso cria a tensão de alimentação máxima possível, menos 5 volts.
Se começar a aumentar a tensão na entrada directa, o Op-Amp tentará definir a diferença de tensão entre as entradas, multiplicada por 10000. Terá sucesso quando a voltagem de entrada se aproximar de zero e se tornar cerca de 0,0005V negativos. À medida que a tensão de entrada aumenta ainda mais na entrada positiva, a tensão de saída subirá para zero ou mais, e a +0,0005 volts tornar-se-á +5 volts e não subirá mais - não há para onde ir. Assim, quando a tensão de entrada passar o nível zero (menos 0,0005 volts para +0,0005 volts para ser exacto) haverá um salto na tensão de saída de menos 5 volts para +5 volts. Por outras palavras, desde que a tensão na entrada directa seja inferior à da entrada inversa, o zero é fixado na saída do comparador. Se mais alto, um é definido.
De interesse é a secção de diferença de nível nas entradas de menos 0,0005 volts a +0,0005 volts. Em teoria, a sua passagem resultará num aumento suave da tensão de alimentação negativa para positiva. Na prática, esta gama é muito estreita e devido a interferência, ruído, instabilidade da tensão de alimentação, etc. Se as tensões nas entradas forem aproximadamente iguais, haverá disparo aleatório do comparador em ambas as direcções. Quanto mais baixo for o ganho do op-amp, mais larga será esta janela de instabilidade. Se o comparador controlar um actuador, isto fará com que ele tropece no batimento (clique de relé, bater com a válvula, etc.) o que pode causar a sua ruptura mecânica ou sobreaquecimento.
Para evitar isto, é criado um feedback positivo pouco profundo incorporando a resistência indicada pela linha tracejada. Isto cria uma ligeira histerese ao deslocar os limiares de comutação quando a tensão sobe e desce em relação à referência. Por exemplo, o comparador irá mudar para cima a 0,1 volts e para baixo exactamente a zero (dependendo da profundidade do feedback). Isto irá eliminar a janela de instabilidade. A classificação desta resistência pode ser de algumas centenas de kilohms a alguns megaohms. Quanto menor for a resistência, maior será a diferença entre os limiares.
Estão também disponíveis chips comparadores especializados. A LM393, por exemplo. Estes têm um amplificador operacional rápido (ou mais) e podem ter um divisor incorporado que fornece uma tensão de referência. Outra diferença entre estes comparadores e dispositivos baseados em Op-Amps é que muitos deles requerem uma alimentação eléctrica com uma única extremidade. A maioria dos op-amps precisa de uma voltagem bi-polar. A escolha do tipo de chip é determinada pela concepção do dispositivo.
Características dos comparadores digitais
Os comparadores são também utilizados na tecnologia digital, embora isto possa parecer paradoxal à primeira vista. Afinal, existem apenas dois níveis de tensão - um e zero. A sua comparação não faz sentido. Mas é possível comparar dois números binários nos quais qualquer valor analógico (incluindo a voltagem) também pode ser convertido.
Suponha que existem duas palavras binárias de igual comprimento em bits:
X=X3X2X1X0 e Y=Y3Y2Y1Y.
São considerados iguais em valor se todos os bits forem bitwise iguais:
1101=1101 => X=Y.
Se pelo menos um bit é diferente, então os números são desiguais. O número mais alto é determinado por uma comparação bit a bit, partindo do bit mais alto:
- 1101>101 - aqui o primeiro bit de X é maior do que o primeiro bit de Y, e X>Y;
- 1101>101 - os primeiros bits são iguais, mas o segundo bit de X é maior e X>Y;
- 111<1110 - Y tem o terceiro bit a mais e o valor do bit inferior de X é irrelevante, X
A implementação desta comparação pode ser construída sobre circuitos lógicos de elementos base I-NE, OR-NE, mas é mais fácil de utilizar produtos de prateleira. Por exemplo, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 domésticos e outras séries de microcircuitos. São comparadores de 2 a 8 dígitos com um número correspondente de entradas de dados e entradas de controlo. Os resultados dos comparadores digitais são na maioria dos casos 3:
- mais;
- menos do que;
- igual.
Ao contrário dos dispositivos analógicos, com comparadores binários a igualdade nos inputs não é uma situação indesejável e não é evitada.
Tal dispositivo pode ser facilmente programado usando funções de álgebra booleana. Em alternativa, muitos microcontroladores têm comparadores analógicos a bordo, com pinos externos separados, que dão ao circuito interno um resultado pronto a comparar dois valores como 0 ou 1, o que poupa recursos de pequenos sistemas informáticos.
Onde é utilizado um comparador de voltagem
O comparador é utilizado numa vasta gama de aplicações. Por exemplo, sobre ele pode ser construído um relé de limiar. Seria necessário um sensor que converta qualquer quantidade em tensão. Tal valor pode ser:
- nível de luz;
- nível de ruído;
- nível de líquido no recipiente ou tanque;
- qualquer outro valor.
O potenciómetro pode ser utilizado para definir o nível do comparador. O sinal de saída é dado através de uma chave para um indicador ou actuador.
Se a histerese for aumentada, o comparador pode actuar como um gatilho Schmitt. Quando uma tensão lentamente variável é aplicada à entrada, a saída é sinal binário com arestas íngremes.
Dois elementos podem ser ligados para formar um comparador de duplo limiar, ou um comparador de janela.
Aqui, a tensão limite é definida separadamente para cada comparador - o comparador superior na entrada directa e o comparador inferior na entrada inversa. As entradas livres são combinadas e a tensão a ser medida é-lhes aplicada. As saídas estão ligadas à OR. Quando a tensão excede o limite superior ou inferior estabelecido, um dos comparadores produz um nível elevado.
É montado um comparador multinível a partir de vários elementos, que pode ser utilizado como indicador de tensão linear, ou um valor que é convertido em tensão. Para quatro níveis, o circuito seria o seguinte:
Neste circuito, é aplicada uma tensão de referência diferente à entrada de cada elemento. As entradas invertidas são ligadas entre si e o sinal a ser medido é-lhes aplicado. Quando o nível de desencadeamento é atingido, o LED correspondente acende-se. Se os elementos emissores estiverem dispostos numa linha, obtém-se uma barra de luz, cujo comprimento varia de acordo com o nível da tensão aplicada.
O mesmo circuito também pode ser utilizado como um conversor analógico para digital (ADC). Converte a tensão de entrada num código binário apropriado. Quanto mais elementos incluídos no ADC, maior é a resolução, mais precisa é a conversão. Na prática, o código de linha é inconveniente de utilizar, e é convertido num código familiar através de um codificador. O codificador pode ser construído usando elementos lógicos, microcircuitos de prateleira, ou ROMs com o firmware apropriado.
A esfera de aplicação de comparadores em circuitos profissionais e amadores é ampla. A aplicação competente destes elementos permite a resolução de uma vasta gama de tarefas.
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