6 COMPARADORES (COMUTADORES)

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1 6 COMPAADOES (COMUTADOES) A função do comparador é indicar se um sinal (Vi) é maior ou menor que outro tomado como referência (Vref). Neste tipo de circuito o amp op trabalha em malha aberta (sem realimentação) ou com realimentação positiva e estará sempre saturado. V o =V sat e >e ou (e e )>0 V o =V sat e <e ou (e e )<0 Uma vez que a saída do amp op estará sempre saturada, o objetivo da análise nestes circuitos é determinar qual o valor (ou valores) de Vi que provocam a mudança de estado no comparador. Este valor (ou valores) é denominado Ponto de Trip (TP Trip Point) Lista de material Semicondutores C (ou 748 ou LM301) 2...1N758A (diodo zener de 10V) 2...1N4148 ou 1N914 (Diodo retificador de comutação) 1...LED vermelho 1...LED verde esistores: 1 470Ω 4...1kΩ 2...2kΩ kΩ kΩ Trimpot: 1...4,7kΩ kΩ Experiência 1 Comparador simples. O comparador mais simples utiliza as duas entradas do amp op. Numa das entradas é aplicado o sinal a ser comparado, Vi, e na outra entrada, o sinal de referência, Vref. Neste circuito, o ponto de trip é 15V 15V V1 V2 1k 5V 1k 5V 1k =10k =10k Vi trip = Vref 1k 10V...10V 4k7 1k 2 3 Vo 2k VEDE VEMELHO 15V V Figura 1 Comparador Simples O sinal de entrada Vi (variável entre V) será obtido através de um potenciômetro de 4,7kΩ ou através de um gerador de funções. A tensão de referência, Vref = 5V ou 5V, será obtida através de um divisor resistivo. Na saída do amp op instalaremos uma carga sinalizadora, um resistor em série com dois diodos emissores de luz (LED) ligados em antiparalelo de forma que indiquem: VEMELHO = VEDE = 6 POSITIVO NEGATIVO Vo

2 2 Experiências com Amplificadores Operacionais Comparadores Para testar o sinalizador: 1) Alimente a carga com 15V; o LED vermelho deverá acender se não acender, mude a polaridade do LED vermelho; o LED verde deverá estar apagado. 2) Mude a alimentação para 15V; o LED verde deverá acender e o LED vermelho apagar.!não desmonte estes divisores e a carga sinalizadora porque eles serão utilizados em várias experiências. Etapa 1 Montar o circuito da Fig. 1. V2=Vi, V1=V=5V Variar Vi de 10 a 10V e voltar para 10V. Medir o valor de V EF e V i que provoca o TIP. VEF(Medido) = Etapa 3 Substituir Vi por um gerador de funções. Onda triangular com 10 V de pico e 100Hz. Observe Vo(t) e Vi(t). Em seguida observe Vo=f(Vi) através do osciloscópio no modo xy. Os dois canais CH1 e CH2 em 5V/DIVDC. epita a experiência diminuindo a freqüência para menos de 1Hz.!Não desmonte os divisores (Vi e Vref) e nem a carga sinalizadora.. Experiência 2 Comparador com Entrada Tipo Somador (Inversor) Este comparador utiliza apenas uma das entradas do amp op. Os dois sinais são aplicados através de um divisor resistivo. V 2 r =100k Vz=10V ViTIP = Observe que o amp op muda de estado quando o sinal de entrada Vi for exatamente igual ao valor de referência e tem característica não inversora. V 1 i =100k r =ref V o Vi V TIP Vo = V SAT VEMELHO Vi V TIP Vo = V SAT VEDE Etapa 2 Comparador inversor: V 1 =V i e V 2 =V EF Se invertermos Vi com Vref, obteremos o mesmo valor ViTrip = Vref, porém, com característica inversora: Vi V TIP Vo = V SAT VEDE Vi V TIP Vo = V SAT VEMELHO Figura 2 Comparador Tipo Somador (Inversor) i Vi TIP = V ref ref V itip = V ref p / i = ref Uma vez que o sinal de entrada é aplicada na entrada inversora, o circuito terá característica inversora. Vi<VEF Vo=V=10V, Vi>VEF Vo=V=0,7V.

3 Experiências com Amplificadores Operacionais Comparadores 3 V i e V EF devem ser fontes de tensão firmes (saída de amp op por exemplo). Se isto não for possível, os resistores i e f devem apresentar resistência elevada. Etapa 1 Montar o circuito da Figura 2, sem o diodo zener de 10V (1N758A). Medir V ref. Variar Vi e medir esta tensão quando ocorrer o trip. V ref = V itip = esultado: Se V EF =5V, obteremos V itip =5V (polaridade oposta). Se V EF = 5V, obteremos V itip =5V. Medir o potencial da entrada inversora e exatamente no instante que ocorrer o Trip. Esta tensão deverá ser 0V, exatamente o potencial da entrada não inversora. OBS: Faremos esta medição somente em caráter didático, desobedecendo a recomendação de nunca tocar os terminais de entrada do amp op. porém, a tensão de saída está limitada em 0,7V/10V (medir com multímetro). Observe ainda que o potencial e permanece igual a zero em toda faixa de Vi, ou seja, a entrada inversora do amp op funciona como terra virtual Vref = ViTIP = e =. Etapa 3 Substituir Vi pelo gerador de funções (TIANGULA, 10Vp, 250Hz). Observe Vi(t) e Vo(t) através do osciloscópio. CH1=Vi(t) e CH2= Vo(t). CH1=5V/DIV, DC, POS CENTAL CH2=5V/DIV, DC, POS CENTAL BASE DE TEMPO= 1mS/DIV TIGGE=CH1, SLOPE, AUTO 0V 5V Trig 6.0 V CH1 trip e =!Não desmonte este circuito. Instale o diodo Zener. Etapa 2 Comparador com limitador da tensão de saída. No caso particular de termos a entrada não inversora aterrada, podemos utilizar Zener no elo de realimentação negativa para limitar a tensão de saída e consequentemente garantir terra virtual. Proceder como no item anterior. Observe que o ponto de trip não alterou, 5V 5V 1ms Figura 3 Vref=5V Mude o comando do osciloscópio para o MODO XY. Posicione o ponto 00 no centro da tela. Com a chave ACGNDDC de CH1 na posição GND, atuar na HOIZ POS. Com CH2 na posição GND atuar na VET POS de CH2. Em seguida volte a chave para posição DC para os dois canais.

4 4 Experiências com Amplificadores Operacionais Comparadores Além desta modificação utilizaremos o método padrão de ajuste para ajustar a histerese. Um divisor de tensão instalado na saída do amp op como mostra a Figura 5(b). Este divisor proporcionará uma faixa de ajuste na histerese de aproximadamente [(p/o)1]:1=11:1. Figura 4 Função de transferência do comparador V 1 V 2 V =V o sat epita a experiência com um sinal de baixíssima freqüência (menor que 1 Hz) Experiência 3 Comparador com Histerese Através da realimentação positiva provocamos duas alterações no comportamento do comparador: A transição de uma saturação para outra é muito mais rápida e abrupta. Não existe indecisão ao mudar de estado. Existirão dois pontos de trip:. o trip superior UTP e o trip inferior LTP formando um ciclo de HISTEESE. O comparador com histerese convencional, apresentado na Figura 5(a), pode ser utilizado como comparador inversor e não inversor mas o valor da histerese não é o mesmo para os dois circuitos. Para contornar este problema a entrada deste circuito é modificada para trabalhar no modo diferencial (semelhante ao amplificador diferencial). Desta forma o comparador pode trabalhar como comparador inversor, não inversor e diferencial, apresentando a mesma histerese nas três configurações. V 1 V 2 n n n =100k Ω, n=300k Ω p=10k Ω, o=1k Ω V o 10 p 0 o Figura 5 Comparador com histerese a) Convencional, b) Entrada diferencial e histerese ajustável Formulário n e = n V 1 1 n e n V = 2 n V o 1 1 n n V n n V 1 = 2 n V o UTP= Trip superior LTP= Trip inferior Histerese

5 Experiências com Amplificadores Operacionais Comparadores 5 V V UTP = V2 V n V n V = o LTP = V2 n V UTP = V1 VSAT n = V1 Vo n = LTP V1 VSAT n SAT SAT Estes dois valores de Trip não são precisos pois dependem da saturação do amp op, e como sabemos, a tensão de saturação varia de exemplar para exemplar e com a carga. etire a carga sinalizadora momentaneamente e observe que o ponto de trip altera. Trig 2.0 V CH1 H H = V V n ( ) SAT SAT Etapa 1 Não Inversor Montar o circuito da Figura 5(b). Preste muita atenção na instalação do potenciômetro; a histerese deve aumentar ao girarmos o potenciômetro no sentido horário (posição 10 ). 5V 5V 2ms Figura 6 Não Inversor, Vr=0V, H=10V Mude o comando do osciloscópio para o modo XY V 2 =V i =Gerador de Funções (GF) V 1 =V EF =0V Ajustes iniciais GF=TIANGULO; 10Vp; 100Hz CH1=5V/DIV, DC, POS CENTAL CH2=5V/DIV, DC, POS CENTAL BASE DE TEMPO= 1mS/DIV TIGGE=CH1, SLOPE, AUTO X=Vi; Y=Vo Observe que o sinal de saída tem característica não inversora e muda de estado quando o sinal de entrada cruza o valor UTP=5V no sentido ascendente e quando cruza o valor LTP=5V no sentido descendente. Figura 7 Não Inversor, Vr=0V, H=10V H Estamos observando a curva de transferência deste circuito onde podemos verificar claramente o ciclo de histerese. A histerese deve ser aproximadamente 10V. Ajustando o potenciômetro para a posição 0, a histerese deve diminuir para aproximadamente 1V. Para medir esta histerese com maior precisão ajuste o canal X para 0,5V/DIV. O trip deve ocorrer em 0,5V e em 0,5V. (Atenção: veri

6 6 Experiências com Amplificadores Operacionais Comparadores ficar STEP BALANCE; ajuste a posição 0 horizontal se necessário. H MAX =. Etapa 3 V EF =5V Mude VEF para 5V H MIN = Etapa 2 V EF =5V Observe que a histerese se deslocou para a esquerda e mantém o valor de 5V. UTP 2,5V e LTP 7,5V Mude V EF =5V. Ajuste o canal X para 5V/DIVDC e posicione corretamente o 0 horizontal Ajuste a histerese para 5V. Trig 2.5 V CH1 UTP 7,5V LTP 2,5V Trig 2.5 V CH1 5V 5V 2ms 5V 5V 2ms Figura 9 Não Inversor, Vr=5V, H=5V Etapa 4 Inversor Figura 8 Não Inversor, Vr=5V, H=5V Observe que o valor de referência permanece aproximadamente no meio da histerese; não fica exatamente no meio devido à diferença entre V SAT e V SAT. Vref Inverta as entradas do comparador: V 1 =V i =GF e V 2 =V EF =5V A histerese deve continuar com 5V, igual ao da última etapa, porém terá característica inversora. Mude V EF para 0V e em seguida para 5V.

7 Experiências com Amplificadores Operacionais Comparadores 7 Trig 2.5 V CH1 V 2 r V 1 i V o 10 5V 5V 2ms n i=r=100kω, =100kΩ, n=300kω p=10kω, o=1kω p 0 o Figura 11 Comparador com Histerese Ajustável e Trip Preciso Formulário Figura 10 Inversor, Vr=5V, H=5V Experiência 4 Comparador Inversor com Histerese Ajustável e Trip Preciso Entrada tipo somador Trip preciso, que não dependa da saturação do amp op, é muito importante nos sistemas de proteção (relê estático por exemplo). O circuito apresentado na Figura 11 proporciona boa precisão em um dos trip s apenas, o trip superior, que é determinado por V EF. Se invertermos a polaridade do diodo o trip inferior será preciso. Em ambos casos, o comparador terá característica inversora e o trip preciso terá o valor de V EF (com sinal trocado). r e r i V i = i r i V r e = n V * 1 o i V V i itrip ( ) = r n) V r 1 r ( 1 * Vo = VSAT Vo = 0 * Vo = VSAT Vo = VSAT VF i UTP = r Vr i LTP = r Vr Trip preciso i 1 n V SAT V F ( 1 ) ( ) r i H = 1 ( n) V SAT V F) ( 1 r Para i=r, teremos * o

8 8 Experiências com Amplificadores Operacionais Comparadores UTP = Vr Trip preciso 2. LTP = Vr n V SAT V F ( 1 ) ( ) 2. H = n V SAT V F ( 1 ) ( ) Etapa 1 Montar o circuito conforme o diagrama esquemático da Figura 11 com VEF=5V. Um dos trip s ocorrerá quando o sinal de entrada passar por exatamente 5V. Ajustar o potenciômetro de 10k na posição 10 (H máximo). Etapa 2 Ajustes iniciais Osciloscópio no modo XY. CH1=5V/DIV, DC, POS CENTAL CH1=5V/DIV, DC, POS CENTAL considerando V SAT =14V e V F =0,7V. Mas como V SAT depende da carga e do amp op, o valor da histerese não é preciso. Vref (medido) = UTP = H MAX = H MIN = Etapa 4 V EF =5V e 0V. Mude V EF para 5V e depois para 0V. Observe que o UTP tem exatamente o mesmo valor de V EF porém com sinal oposto. Vref (medido) = Vi=GF= triangulo, 100Hz e 10Vp. Etapa 3 V EF =5V Variar o potenciômetro de ajuste da histerese. Observe que o trip superior (UTP) não muda e é determinado por V EF. Segundo a teoria UTP=5V para V EF =5V. UTP = Vref (medido) = UTP = Figura 13 UTP=5 Figura 12 UTP=5V preciso Ainda segundo a teoria a histerese pode ser ajustada entre a 6,65V Atue no potenciometro de ajuste da histerese. Você perceberá que o trip preciso não se desloca.

9 Experiências com Amplificadores Operacionais Comparadores 9 Etapa 5 LTP preciso. Inverta a polaridade do diodo e varie o potenciômetro de batente a batente. Observe que o trip inferior não muda (é determinado por V EF ) e não depende de V SAT.. Comparadores janela implementado com apenas um amp op não são muito precisos porque o ponto de trip depende da queda de tensão do diodo retificador (que varia com a temperatura e com o valor da corrente). Para obter trip s precisos são necessários dois amp op s ou dois comparadores (como LM311). Nos circuitos com diodos instalados na saída do amp op, a carga L deve ser ligada ao terra para evitar flutuações quando os dois diodos estiverem bloqueados 15V 20K 10K Figura 14 LTP =5V (preciso). UL Experiência 5 Comparador Janela V i 1K LL V o 15V 10K 1K 10k*** V i 1K V o 15V 20K *** esistor de carga necessário 10K 15V 10K 1K LL UL LL UL Figura 16 Comparador Janela com Trip preciso. Figura 15 Comparador Janela

10 10 Experiências com Amplificadores Operacionais Comparadores Experiência 5 Amp Op Sem Compensação Interna 15V 5V Em malha aberta ou com realimentação positiva os amp op s sem compensação de fase interna como o 748 ou o LM301 podem ser utilizados sem o risco de provocar oscilações. Estes amp op s apresentam slew rate de 40V/µs contra os 0,5V/µs do 741C. Estes dois amp op s são compatíveis pino a pino com o 741 (a menos do ajuste de off set). V1 V V k Pull Up 2k TTL Experiência 6 LM311 ou Um dos circuitos integrados especializados para esta função é o LM311 projetado para interfaceamento entre os circuito lineares (±15V) com circuitos digitais ( 5V de TTL por exemplo). Diferente do amp op convencional, a saída do LM311 é uma chave transistorizada (pino 7 e pino 1) como mostra a Figura 17. e>e CH aberto e<e CH fechado STOBE (pino 6) fechado com =10kΩ CH sempre aberto Figura 17 Comparador LM311 Itajubá, MG Março de 1996 março de 2002