Circuitos comparadores que utilizan IC 741, IC 311, IC 339

Circuitos comparadores que utilizan IC 741, IC 311, IC 339

La función básica de un circuito comparador es comparar dos niveles de voltaje en sus pines de entrada y producir una salida para mostrar qué voltaje de entrada tiene mayor potencial que el otro.

En este artículo, aprenderemos detalladamente cómo diseñar correctamente circuitos comparadores utilizando circuitos integrados populares como IC 741, IC 311 e IC LM339.

Diferencia entre un comparador y un amplificador operacional

El IC 741 es un ejemplo ideal de un solo amplificador operacional, y el IC LM311 puede considerarse un buen ejemplo de un solo comparador dedicado.



Encontrará que ambas unidades tienen un símbolo de dispositivo en forma de 'triángulo' idéntico internamente, que normalmente reconocemos y usamos para dibujar circuitos comparadores. Sin embargo, la respuesta de salida de estas dos formas de comparadores puede tener algunas diferencias importantes.

Aunque un amplificador operacional y un comparador pueden configurarse para comparar señales diferenciales en sus pines de entrada, las principales diferencias entre las dos contrapartes son:

  • En condiciones de alimentación, la salida de un amplificador operacional será positiva o negativa, dependiendo de los niveles de voltaje de la clavija de entrada, pero nunca podrá abrirse. Por el contrario, la salida de un comparador puede ser abierta o conectada a tierra (negativa) o flotante.
  • La salida de un amplificador operacional puede funcionar sin resistencias de subida o bajada, pero un comparador siempre requerirá una resistencia de subida o bajada externa para permitir que la etapa de salida funcione normalmente.
  • Se puede usar un amplificador operacional para construir circuitos amplificadores de alta ganancia, no se puede usar un comparador para tales aplicaciones.
  • La respuesta de conmutación de salida de un amplificador operacional suele ser más lenta en comparación con un IC comparador.

Un diseño clásico de circuito comparador se puede ver en la siguiente figura:

Aquí, la salida responde con una señal digital 'alta', siempre que el voltaje en la entrada no inversora (+) sea mayor que la entrada inversora (-). Por el contrario, la salida en una se convierte en una señal digital baja, siempre que el voltaje de entrada no inversora sea menor que el voltaje de entrada inversora.


Refiriéndonos a la figura anterior, podemos ver una conexión estándar de un circuito comparador que tiene una entrada (la entrada inversora en este ejemplo) configurada con un voltaje de referencia, y el otro pin de entrada que es la entrada no inversora conectada a un voltaje de señal de entrada .

Durante el tiempo que Vin se mantiene a un voltaje más bajo que el voltaje de referencia de +2 V, la salida permanece baja en alrededor de -10 V.Si Vin se aumenta justo por encima de +2 V, la salida cambia instantáneamente de estado y se vuelve alta a alrededor de + 10 V.Este cambio de estado en la salida de -10 V a +10 V indica que Vin se ha vuelto más alto que la referencia +2 V.

El componente principal dentro de cualquier comparador es un circuito de amplificador operacional, que se establece en una ganancia de voltaje muy alta. Para estudiar el funcionamiento de un comparador con precisión podemos tomar el ejemplo del IC 741, como se muestra a continuación:

Forma de onda del comparador de salida IC 741

Aquí podemos ver que el pin de entrada inversora 2 (-) está referenciado a tierra, o un nivel de 0 V. Se aplica una señal sinusoidal en el pin 3, que es la entrada no inversora del amplificador operacional. Esta señal sinusoidal que varía alternativamente hace que la salida cambie entre los estados de salida alto y bajo, como se indica en el lado derecho de la imagen.

Cuando la entrada Vin se mueve incluso un milivoltio sobre la referencia de 0 V, la diferencia es amplificada por el amplificador operacional de alta ganancia interno del IC, lo que hace que la salida sea alta en el nivel de saturación positivo de salida. Esta condición se mantiene mientras la señal de Vin permanezca por encima de la referencia de 0 V.

Ahora, tan pronto como el nivel de la señal cae un poco por debajo de la referencia de 0 V, la salida se lleva a su nivel más bajo de saturación. Nuevamente, esta condición se mantiene siempre que la señal de entrada Vin permanezca por debajo del nivel de referencia de 0 V.

La explicación anterior y la forma de onda presentada en la imagen indican claramente la respuesta digital de la salida para una señal de entrada que varía linealmente.

Para aplicaciones normales, el nivel de referencia no tiene que estar en 0 V, sino que puede ser cualquier nivel positivo según el requisito. Y, en caso de que sea necesario, la referencia también se puede conectar a las líneas de alimentación positivas o negativas, mientras que la señal de entrada se aplica en el otro pin de entrada.

Usando IC 741 como comparador

En el siguiente ejemplo, aprenderemos cómo realizar usa un amplificador operacional como comparador

Comparador IC 741 para operar un LED

En la figura podemos ver un circuito de amplificador operacional trabajando con una referencia positiva establecida en su pin de entrada inversora (-). La salida se adjunta con un LED.

Usando la fórmula de la red del divisor de voltaje, podemos calcular el valor del voltaje de referencia en el pin de entrada (-) del IC.

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

Dado que esta referencia está asociada con el pin (-) del IC, si el voltaje Vin en la entrada (+) va más alto que esta referencia o se vuelve más positivo que la referencia, obligará a la salida Vo a cambiar a su nivel de saturación positivo.

Esto hará que el LED se ilumine, lo que indica que Vin se ha vuelto más positivo que el nivel de referencia de +6 V.

Por el contrario, si la entrada no inversora (+) está configurada como el pin de referencia y Vin se aplica al pin de entrada inversora (-), la salida bajará tan pronto como la entrada Vin descienda por debajo del valor de referencia, y viceversa.

Esto hará que el LED se apague instantáneamente.

Por lo tanto, se puede hacer que el LED se encienda o apague para una señal de entrada dada, conectando apropiadamente el pin de entrada con el nivel de referencia y la señal de entrada.

Uso de unidades IC comparadoras especializadas

Normalmente, los amplificadores operacionales funcionan muy bien como circuitos comparadores, pero el uso de un IC comparador dedicado funciona incluso mejor que un amplificador operacional para una aplicación de comparación.

Los circuitos integrados de comparación están diseñados específicamente para la función de comparación y muestran una respuesta mejorada, como un cambio más rápido en la salida entre los niveles positivo y negativo.

Estos circuitos integrados poseen una mayor inmunidad al ruido y, en muchas ocasiones, las salidas se pueden utilizar directamente para impulsar una carga.

Aprendamos en detalle sobre un par de circuitos integrados de comparación populares, a partir de la siguiente discusión.

Circuito comparador con IC 311

Esquema simplificado de LM311 Detalles de la distribución de pines del comparador IC 311

La figura anterior muestra el diseño interno y los detalles de la distribución de pines del comparador IC 311. El IC está diseñado para funcionar también con una fuente de alimentación dual, en el rango de +15 V y -15 V, que es un nivel estándar compatible para todos. CI digitales modernos.

La etapa de salida dentro del IC tiene un transistor bipolar, con terminales de colector y emisor flotantes. Esto significa que la salida de este transistor se puede configurar se puede configurar de dos formas diferentes:

  1. Añadiendo una resistencia pull-up con el pin 7 del colector y conectando a tierra el pin 1 del emisor, y posteriormente usando el colector como salida.
  2. Uniendo el colector con la línea positiva y usando el emisor como salida.

La salida de transistor también se puede utilizar para activar un relé o una carga pequeña, como una lámpara, directamente sin ninguna etapa de amortiguación externa.

El IC también cuenta con una entrada de balance y una luz estroboscópica que se puede cerrar con la salida.

Discutiremos algunas aplicaciones útiles de este IC en las siguientes secciones:

Diseño interno del LM311 con salida conectada con resistencia pull up

La figura de arriba muestra cómo el IC 311 se puede configurar como un detector de cruce por cero comparador para detectar el voltaje de entrada, siempre que cruce la línea cero.

La entrada inversora (-) del 311 se puede ver unida al suelo. Durante el período en que la señal de entrada está en el nivel positivo, el transistor de salida permanece encendido, lo que crea un nivel bajo (-10 en este ejemplo) en la salida (colector de transistor).

Tan pronto como la señal de entrada se vuelve negativa o por debajo de 0 V, el transistor se apaga. Esto crea un + 10V positivo en la salida del colector del IC. Esto nos permite saber cuándo la señal de entrada está por encima del nivel cero y cuándo ha caído por debajo del nivel cero.

La siguiente figura a continuación muestra cómo se puede utilizar el comparador IC 311 para hacer un circuito estroboscópico.

En este ejemplo de circuito comparador, el pin 7 de salida se pondrá alto cuando el nivel de voltaje del pin3 suba por encima de la referencia del pin2. Pero esto puede suceder solo mientras el pin de entrada estroboscópica pin6 está bajo o en 0 V.

LM311 como circuito comparador estroboscópico

Cuando se aplica una luz estroboscópica TTL alta en la base del transistor, el pin 6 se vuelve bajo, lo que hace que el transistor de salida IC se apague y, por lo tanto, permite que el pin 7 suba.

La salida sigue siendo alta siempre que la entrada TTL se mantenga alta, independientemente de la condición de la señal de entrada en el pin3.

Sin embargo, si la señal TTL se aplica en forma estroboscópica, la salida responde a la señal de entrada en el pin3. En pocas palabras, la salida permanece bloqueada en alto, a menos que el pin 6 esté estropeado.

Cómo conectar un relé con un comparador

La siguiente figura muestra cómo el comparador 311 se puede utilizar directamente para operar un relé .

LM311 como comparador de control de relés

Aquí, cuando el nivel de voltaje en el pin2 de entrada cae por debajo de 0 V, el pin3 se vuelve más positivo que el pin2. Esto hace que el colector del transistor interno se apague, lo que enciende el relé. los contactos del relé podría conectarse con una carga más pesada para ejecutar una acción de conmutación deseada.

Mientras la entrada (+) en el pin2 permanezca por debajo de 0 V, el relé permanece encendido. Por el contrario, cuando hay una señal positiva disponible en el pin 2, el relé permanecerá apagado.

Circuito comparador con IC 339

El IC 339, también escrito popularmente como LM339, es un IC comparador cuádruple. Es decir, incluye 4 comparadores de voltaje separados cuyas entradas y salidas están terminadas apropiadamente a través de los respectivos pines externos del paquete IC, como se muestra a continuación.

Dibujo de pinout LM339

Al igual que cualquier otro comparador, cada bloque comparador tiene un par de entradas y una salida. Cuando el IC se alimenta aplicando voltaje a través del Vcc y los pines de suministro de tierra, alimenta a todos los comparadores juntos. Entonces, incluso si se usa un solo comparador, los otros 3 consumirían algo de energía.

Todos los comparadores tienen características exactamente idénticas, por lo que podemos analizar cualquiera de estos para aprender la función básica del comparador.

Configuración del pin del comparador LM339

Cuando se aplica una entrada diferencial positiva a través de los terminales de entrada, es decir, cuando la diferencia entre las señales aplicadas es positiva, apaga el transistor de salida. Esto hace que la salida muestre un circuito abierto o un abierto flotante.

Cuando la entrada diferencial es negativa, es decir, cuando la diferencia entre las señales aplicadas en los pines de entrada es negativa, enciende el transistor de salida del comparador, lo que hace que el pin de salida del comparador se vuelva negativo o en potencial V.

Refiriéndonos a la figura anterior, podemos entender que cuando la entrada no inversora (+) del IC se usa como pin de referencia, un voltaje menor que esta referencia en el pin de entrada inversora (-) dará como resultado la salida del comparador para que se abra. Por otro lado, si se usa (-) como pin de referencia, un nivel de voltaje en la entrada (+) más alto que la referencia hará que la salida se vuelva negativa o en V-

Para aprender cómo funciona el IC 339 como un comparador, el siguiente ejemplo muestra el IC como un detector de cruce por cero.

Forma de onda de conmutación del comparador LM339

En el momento en que la señal de entrada se eleva por encima de 0 V, la salida se eleva al nivel V +. La salida se apaga en V- solo mientras la entrada se mantiene por debajo de 0 V.

Como se explicó anteriormente, el nivel de referencia no necesita ser 0 V, se puede cambiar a cualquier otro nivel deseado. Además, también puede usar el otro pin de entrada (+) como pin de referencia y el pin de entrada (-) como el pin de entrada de señal para aceptar la señal de entrada variable.

Ventaja de tener una salida flotante en los circuitos integrados de comparación

Como se discutió en las explicaciones anteriores, la salida de los comparadores se conmuta a través de BJT que tienen un colector abierto como salida. Esto da la ventaja de conectar las salidas de dos comparadores del IC 339 directamente como un Puerta OR .

Un buen ejemplo de un circuito comparador de ventana se puede ver a continuación. Aquí, dos bloques comparadores IC 339 se configuran con una única señal de entrada común, y las salidas se unen como una puerta OR.

LM339 como comparador de ventana

La salida de los respectivos comparadores baja siempre que la señal de entrada cruza el umbral establecido inferior o el umbral establecido superior, lo que permite al usuario saber cuándo la señal está fuera del nivel de ventana establecido.

Un comparador de ventana se puede utilizar para aplicaciones útiles como protector de alta y baja tensión circuito, y seguidor solar circuito, etc.

Conclusión

De las explicaciones anteriores, aprendimos que:

Los comparadores son básicamente unidades que tienen dos entradas complementarias y una salida sensible. La salida se vuelve alta o baja cuando el nivel de voltaje en una de las entradas es más alto o más bajo que el de la otra entrada, dependiendo de qué entrada se use como referencia o en un nivel de voltaje fijo.

Aunque un amplificador operacional también se puede utilizar como comparador, los circuitos integrados de comparador especializados están mejor diseñados para funcionar como comparadores.

Los circuitos integrados de comparación dedicados como LM311, LM339 están especialmente diseñados para aplicaciones de comparación, con una respuesta más rápida y una capacidad de salida de alta corriente flexible.

Si tiene alguna pregunta relacionada, no dude en hacerla a través del cuadro de comentarios a continuación.




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