Ao projetar circuitos eletrônicos, muitas vezes é necessário comparar o nível de duas tensões. Para isso, é usado um dispositivo como um comparador. O nome do nó remonta ao latim comparare, ou melhor, ao inglês para comparar - comparar.
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O que é um comparador de tensão
No caso geral, um comparador é um dispositivo que possui duas entradas para fornecer os valores comparados (tensões) e uma saída para o resultado da comparação. O comparador possui duas entradas para fornecer os parâmetros comparados - direto e inverso. A saída é definida para uma unidade lógica quando a tensão da entrada direta excede a inversa e zero - se vice-versa. Se, com uma diferença positiva entre a entrada inversa e direta, um for definido e na situação oposta - zero, esse comparador será chamado de inversão.
O princípio de funcionamento do comparador
É conveniente construir um comparador amplificador operacional (OU).Para isso, suas propriedades são usadas diretamente:
- amplificação da diferença de sinal entre a entrada direta e inversora;
- infinito (na prática - de 10.000 e acima) fator de amplificação.
A operação do amplificador operacional como comparador pode ser considerada com o seguinte esquema de comutação:
Seja um amplificador operacional com ganho de 10.000, a tensão de alimentação é bipolar, + 5 V e menos 5 V. divisor na entrada inversora, o nível de referência é ajustado para exatamente 0 volts, na entrada direta, menos 5 volts são removidos do controle deslizante do potenciômetro. O amplificador operacional deve amplificar a diferença em 10.000 vezes, teoricamente, uma tensão de menos 50.000 volts deve aparecer na saída. Mas o opamp não tem para onde levar essa tensão e cria o máximo possível - a tensão de alimentação, menos 5 volts.
Se você começar a aumentar a tensão na entrada direta, o amplificador operacional tentará definir a diferença de tensão entre as entradas, multiplicada por 10.000. Ele terá sucesso quando a tensão de entrada se aproximar de zero e se tornar aproximadamente menos 0,0005 V. Com um aumento adicional de a tensão de entrada na entrada positiva, a saída subirá para zero e acima, e a uma tensão de +0,0005 volts se tornará +5 V e não aumentará mais - não há lugar nenhum. Assim, quando a tensão de entrada passa do nível zero (mais precisamente, menos 0,0005 volts - + 0,0005), a tensão de saída saltará de menos 5 volts para +5 volts. Em outras palavras, desde que a tensão na entrada direta seja menor do que na entrada inversora, a saída do comparador é zerada. Se maior - um.
De interesse é a seção da diferença de nível nas entradas de menos 0,0005 volts a + 0,0005.Em teoria, quando passar, haverá um aumento suave da tensão de alimentação negativa para positiva. Na prática, esta faixa é muito estreita e devido a interferências, interferências, instabilidade da tensão de alimentação, etc. com uma igualdade aproximada de tensões nas entradas, ocorrerá uma operação caótica do comparador em ambas as direções. Quanto menor o ganho do op-amp, maior essa janela de instabilidade. Se o comparador controlar o atuador, isso fará com que ele funcione a tempo (clicar no relé, bater a válvula etc.), o que pode levar a falha mecânica ou superaquecimento.
Para evitar isso, um feedback positivo superficial é criado ligando o resistor indicado pela linha tracejada. Isso cria uma ligeira histerese, alterando os limites de comutação à medida que a tensão sobe e desce em relação à referência. Por exemplo, o comparador ligará em 0,1 volts e diminuirá exatamente em zero (dependendo da profundidade do feedback). Isso eliminará a janela de instabilidade. O valor deste resistor pode ser de várias centenas de kilo-ohms a vários mega-ohms. Quanto menor a resistência, maior a diferença entre os limiares.
Existem também CIs comparadores especializados. Por exemplo, LM393. Em tais microcircuitos, existe um amplificador operacional de alta velocidade (ou vários), um divisor embutido pode ser instalado que cria uma tensão de referência. Outra diferença entre esses comparadores e dispositivos construídos em amplificadores operacionais de uso geral é que muitos deles requerem uma fonte de alimentação unipolar. A maioria dos amplificadores operacionais requer voltagem bipolar. A escolha do tipo de microcircuito é feita durante o desenvolvimento do dispositivo.
Características dos comparadores digitais
Comparadores também são usados em tecnologia digital, embora isso pareça, à primeira vista, paradoxal. Afinal, existem apenas dois níveis de tensão - um e zero. E é inútil compará-los. Mas você pode comparar dois números binários, que podem ser convertidos em qualquer valor analógico (incluindo tensão).
Sejam duas palavras binárias de mesmo comprimento em bits:
X=X3X2X1X0 e Y=Y3S2S1S.
Eles são considerados iguais em valor se todos os bits forem iguais em bits:
1101=1101 => X=Y.
Se pelo menos um bit for diferente, os números não serão iguais. O número maior é determinado por uma comparação bit a bit, começando com o bit mais significativo:
- 1101>101 - aqui o primeiro bit de X é maior 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 um terceiro bit maior, e o maior valor do dígito menos significativo de X não importa, X<Y.
A implementação de tal comparação pode ser construída nos circuitos lógicos dos elementos básicos AND-NOT, OR-NOT, mas é mais fácil usar produtos acabados. Por exemplo, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 doméstico e outras séries de microcircuitos. São comparadores de 2 a 8 bits com um número correspondente de dados e entradas de controle. Na maioria dos casos, os comparadores digitais possuem 3 saídas:
- mais;
- menos;
- é igual a.
Ao contrário dos dispositivos analógicos, com comparadores binários, a igualdade nas entradas não é uma situação indesejável e não se tenta evitar.
Esse dispositivo também é fácil de construir programaticamente usando funções de álgebra booleana.Outra opção - muitos microcontroladores têm comparadores analógicos "on board" com saídas externas separadas, que produzem um resultado pronto da comparação de dois valores na forma de 0 ou 1 com o circuito interno. Isso economiza o recurso de pequenos sistemas de computação .
Onde o comparador de tensão é usado?
O escopo do comparador é amplo. Nele, por exemplo, você pode construir um relé de limite. Para fazer isso, você precisa de um sensor que converta qualquer valor em tensão. Este valor pode ser:
- nível de iluminação;
- nível de ruído;
- nível de líquido em um recipiente ou reservatório;
- quaisquer outros valores.
O potenciômetro pode ser usado para definir o nível de disparo do comparador. O sinal de saída através da chave é dado ao indicador ou atuador.
Se você aumentar a histerese, o comparador poderá funcionar como um gatilho Schmitt. Quando uma tensão de mudança lenta é aplicada à entrada, a saída será sinal discreto com frentes íngremes.
Os dois elementos podem ser conectados para formar um comparador de dois limiares ou um comparador de janela.
Aqui, a tensão limite é definida separadamente para cada comparador - para o superior na entrada direta, para o inferior na inversa. As entradas livres são combinadas, são fornecidas com a tensão medida. As saídas são conectadas de acordo com o esquema "mounting OR". Quando a tensão ultrapassa o limite superior ou inferior definido, um dos comparadores produz um nível alto na saída.
Um comparador multinível é montado a partir de vários elementos, que podem ser usados como um indicador linear de tensão ou um valor que é convertido em tensão. Para quatro níveis, o esquema será o seguinte:
Neste circuito, uma tensão de referência é aplicada à entrada de cada elemento. As entradas inversoras são conectadas juntas, elas recebem o sinal medido. Quando o nível de disparo é atingido, o LED correspondente acende. Se os elementos radiantes estiverem dispostos em linha, obter-se-á uma faixa de luz, cujo comprimento varia de acordo com o nível da tensão aplicada.
O mesmo circuito pode ser usado como um conversor analógico-digital (ADC). Ele converte a tensão de entrada no código binário correspondente. Quanto mais elementos forem incluídos no ADC, quanto maior a profundidade de bits, mais precisa será a conversão. Na prática, o código de linha é inconveniente de usar e é convertido em um código familiar usando um codificador. O codificador pode ser construído em elementos lógicos, usar um microcircuito pronto ou usar uma ROM com o firmware apropriado.
O escopo dos comparadores em circuitos profissionais e amadores é diversificado. O uso adequado desses elementos permite resolver uma ampla gama de problemas.
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