COMPARADORES (COMUTADORES)

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1 EXPERIÊNCIA N 07 COMPARADORES (COMUTADORES) Fudação Uiversidade Federal de Rodôia Núcleo de Tecologia Departameto de Egeharia Elétrica - DEE Disciplia de Eletrôica II I. OBJETIVOS Observar a prática o fucioameto do diversos tipos de comparadores. Realizar as comparações ecessárias com a teoria para costatação. II. INTRODUÇÃO A excursão máxima da tesão de saída é limitada pelos valores de saturação do ampop (portato, pela tesão de alimetação do mesmo ±V CC ). Assim sedo, podemos dizer que um comparador de tesão coverte siais de forma aalógica em siais de forma biária ou quadrada, o que pode ser feito, como o ome idica, comparado um sial de etrada aalógico com uma tesão de referêcia ormalmete fixa. O 741 utilizado com gaho total (100000), somete tem aplicação como comparador de tesão. Neste caso, uma pequea difereça de tesão etre as etradas (+) e (-) é amplificada vezes, levado a tesão de saída a um valor próximo da tesão de alimetação positiva ou egativa, depededo do sial da difereça e da cofiguração do circuito como iversor ou ão-iversor. Os tipos básicos de comparadores são: Detector de ível zero, com e sem iversão e sem histerese; Detector de ível zero, com e sem iversão e com histerese; Detector de ível, com e sem iversão e sem histerese; Detector de ível, com e sem iversão e com histerese. III. MATERIAIS UTILIZADOS Gerador de Tesão DC Istrutherm FA ; Gerador de fuções ICEL GV ; Osciloscópio Miipa MO ; Protoboard; Resistores de 470Ω(1), 1kΩ(1), 2kΩ(1), 10kΩ(4), 20kΩ(1), 100kΩ(4), 200kΩ(1) e 1M Ω(2); Poteciômetros ou trimpots de 4k7Ω(1) e 10kΩ(1); Capcitor de 100F (1); Diodos 1N 4148(2) e zeer 1N 758A(1); Ampop 741. IV. PARTE EXPERIMENTAL A fução do comparador é idicar se um sial (V i ) é maior ou meor que outro tomado como referêcia (V ref ). Neste tipo de circuito o ampop trabalha em malha aberta (sem realimetação) ou com realimetação 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 ampop estará sempre saturada, o objetivo da aálise estes circuitos é determiar qual o valor (ou valores) de V i que provocam a mudaça de estado o comparador. Este valor (ou valores) é deomiado Poto de Trip (TP - Trip Poit). A. Comparador simples O comparador mais simples utiliza as duas etradas do ampop. Numa das etradas é aplicado o sial a ser comparado, V i, e a outra etrada, o sial de referêcia, V ref. Neste circuito, o poto de trip é: V it rip = V ref O sial de etrada V i (variável etre V ) será obtido através de um poteciômetro de 4, 7kΩ ou através de um gerador de fuções. A tesão de referêcia, V ref = 5V ou +5V, será obtida através de um divisor resistivo. Na saída do ampop istalaremos uma carga sializadora, um resistor em série com dois diodos emissores de luz (LED) ligados em atiparalelo de forma que idiquem: Vermelho = Positivo. Verde = Negativo. Para testar o sializador: 1) Alimete a carga com +15V ; o LED vermelho deverá aceder, se ão aceder, mude a polaridade do LED vermelho; o LED verde deverá estar apagado. 2) Mude a alimetação para 15V ; o LED verde deverá aceder e o LED vermelho apagar. Não desmote estes divisores e a carga sializadora porque eles serão utilizados em várias experiêcias. PRIMEIRO PASSO - Motar o circuito da figura 1. V 2 = V i, V 1 = V R = +5V.

2 B. Comparador com etrada tipo somador (Iversor) Este comparador utiliza apeas uma das etradas do ampop. Os dois siais são aplicados através de um divisor resistivo. V it rip = R i V ref ef V it rip = V ref p/ R i = ef Uma vez que o sial de etrada é aplicada a etrada iversora, o circuito terá característica iversora. V i < V REF V O = V + = +9V V i > V REF V O = V = 0, 7V V i e V REF devem ser fotes de tesão firmes (saída de ampop por exemplo). Se isto ão for possível, os resistores R i e R f devem apresetar resistêcia elevada. PRIMEIRO PASSO - Motar o circuito da figura 2, sem o diodo zeer de 10V (1N758A). Figura 1. Esquema: Comparador simples. Variar V i de 10 a +10V e voltar para 10V. Medir o valor de V REF e V i que provoca o trip. V REF (Medido) = V V it RIP = V Observe que o ampop muda de estado quado o sial de etrada V i for exatamete igual ao valor de referêcia e tem característica ão-iversora. V i > V T RIP V O = V SAT + V ERMELHO V i < V T RIP V O = V SAT V ERDE SEGUNDO PASSO - Comparador iversor: V 1 = V i e V 2 = V REF. Se ivertermos V i com V REF, obteremos o mesmo valor V it rip = V REF, porém, com característica iversora: V i > V T RIP V O = V SAT V ERDE V i < V T RIP V O = V SAT + V ERMELHO TERCEIRO PASSO - Substituir V i por um gerador de fuções. Oda triagular com 9V de pico e 100Hz. Observe V O (t) e V i (t). Em seguida observe V O = f(v i ) através do osciloscópio o modo X-Y. Os dois caais CH1 e CH2 em 5V/DIV-DC. Repita a experiêcia dimiuido a frequêcia para meos de 1Hz. Não desmote os divisores (V i e V ref ) e em a carga sializadora. Figura 2. Esquema: Compador somador. Medir V ref. Variar V i e medir esta tesão quado ocorrer o trip. V REF = V V it rip = V Resultado: Se V REF = +5V, obteremos V it rip = 5V (polaridade oposta). Se V REF = 5V, obteremos V it RIP = +5V. Medir o potecial da etrada iversora e exatamete o istate que ocorrer o trip. Esta tesão deverá ser 0V, exatamete o potecial da etrada ão-iversora. OBS: Faremos esta medição somete em caráter didático, desobedecedo a recomedação de uca tocar os termiais de etrada do ampop. trip e = Não desmote este circuito. Istale o diodo Zeer. V

3 SEGUNDO PASSO - Comparador com limitador da tesão de saída. No caso particular de termos a etrada ão-iversora aterrada, podemos utilizar Zeer o elo de realimetação egativa para limitar a tesão de saída e cosequetemete garatir terra virtual. Proceder como o item aterior. Observe que o poto de trip ão alterou, porém, a tesão de saída está limitada em 0, 7V/ + 9V (medir com multímetro). Observe aida que o potecial e permaece igual a zero em toda faixa de V i, ou seja, a etrada iversora do ampop fucioa como terra virtual. V REF = V V it rip = V e = V TERCEIRO PASSO - Substituir V i pelo gerador de fuções (TRIANGULAR, 9V p, 250Hz). Observe V i (t) e V O (t) através do osciloscópio. CH1=V i (t) e CH2=V O (t). CH2=5V/DIV, DC, POS CENTRAL BASE DE TEMPO= 1mS/DIV TRIGGER=CH1, SLOPE+, AUTO Mude o comado do osciloscópio para o MODO X-Y. Posicioe o poto 0 0 o cetro da tela. Com a chave AC-GND-DC do CH1 a posição GND, atuar a HORIZ. POS. Com CH2 a posição GND atuar a VERT. POS. de CH2. Em seguida volte a chave para posição DC para os dois caais. Repita a experiêcia com um sial de baixíssima frequêcia (meor que 1Hz). Figura 3. Esquema: Comparador com histerese covecioal. C. Comparador com histerese Através da realimetação positiva provocamos duas alterações o comportameto do comparador: A trasição de uma saturação para outra é muito mais rápida e abrupta. Não existe idecisão ao mudar de estado. Existirão dois potos de trip: o trip superior UTP e o trip iferior LTP formado um ciclo de HISTERESE. O comparador com histerese covecioal, apresetado a figura 3, pode ser utilizado como comparador iversor e ãoiversor mas o valor da histerese ão é o mesmo para os dois circuitos. Para cotorar este problema a etrada deste circuito é modificada para trabalhar o modo diferecial (semelhate ao amplificador diferecial). Desta forma o comparador pode trabalhar como comparador iversor, ão-iversor e diferecial, apresetado a mesma histerese as três cofigurações. Além desta modificação utilizaremos o método padrão de ajuste para ajustar a histerese. Um divisor de tesão istalado a saída do ampop como mostra a figura 4. Este divisor proporcioará uma faixa de ajuste a histerese de aproximadamete [(R p /R O ) + 1] : 1 = 11 : 1. Figura 4. Esquema: Comparador com histerese de etrada diferecial e histerese ajustável. FORMULÁRIO: e = e + = 1 + V 1 = UTP= Trip superior. LTP= Trip iferior. Histerese. 1 + V V 2 + α 1 + V O 1 + V 2 + α 1 + V O V 1 = V 2 + α { UT P = V V2 + α O V sat+ LT P = V 2 + α V sat V 2 = V 1 α { UT P = V V1 α O V sat LT P = V 1 α V sat+ H = α (V sat+ V sat )

4 D. Não-iversor Motar o circuito da figura 4. Preste muita ateção a istalação do poteciômetro; a histerese deve aumetar ao girarmos o poteciômetro o setido horário (posição 10 ). V 2 = V i =Gerador de Fuções(GF ) (2) V 1 = V REF = 0V Ajustes iiciais do osciloscópio: CH2=5V/DIV, DC, POS CENTRAL BASE DE TEMPO= 1mS/DIV TRIGGER=CH1, SLOPE+, AUTO X = V i ; Y = V O. Gerador de fuções: TRIANGULO; 9V p ; 100Hz. Observe que o sial de saída tem característica ãoiversora e muda de estado quado o sial de etrada cruza o valor UT P = +5V o setido ascedete e quado cruza o valor LT P = 5V o setido descedete. Estes dois valores de trip ão são precisos pois depedem da saturação do ampop, e como sabemos, a tesão de saturação varia de exemplar para exemplar e com a carga. Retire a carga sializadora mometaeamete e observe que o poto de trip altera. Mude o comado do osciloscópio para o modo X-Y. Estamos observado a curva de trasferêcia deste circuito ode podemos verificar claramete o ciclo de histerese. A histerese deve ser aproximadamete 9V. Ajustado o poteciômetro para a posição 0, a histerese deve dimiuir para aproximadamete 1V. Para medir esta histerese com maior precisão ajuste o caal X para 0,5V/DIV. O trip deve ocorrer em +0, 5V e em 0, 5V. (Ateção: verificar STEP BALANCE; ajuste a posição 0 horizotal se ecessário. H MAX = V H MIN = V SEGUNDO PASSO - V REF = +5V. Mude V REF = +5V. Ajuste o caal X para 5V/DIV-DC e posicioe corretamete o 0 horizotal. Ajuste a histerese para 5V. UT P = 7, 5V e LT P = 2, 5V. Observe que o valor de referêcia permaece aproximadamete o meio da histerese; ão fica exatamete o meio devido à difereça etre V SAT + e V SAT. TERCEIRO PASSO - V REF = 5V. Mude V REF para 5V. Observe que a histerese se deslocou para a esquerda e matém o valor de 5V. UT P = 2, 5V e LT P = 7, 5V. Iverta as etradas do comparador: V 1 = V i = GF ev 2 = V REF = 5V. A histerese deve cotiuar com 5V, igual ao da última etapa, porém terá característica iversora. Mude V REF para 0V e em seguida para -5V. E. Comparador Iversor com Histerese Ajustável e Trip Preciso - Etrada tipo somador Trip preciso, que ão depeda da saturação do ampop, é muito importate os sistemas de proteção (relê estático por exemplo). O circuito apresetado a figura 5 proporcioa boa precisão em um dos trips apeas, o trip superior, que é determiado por V REF. Figura 5. Esquema: Comparador com histerese ajustável e trip preciso. Se ivertermos a polaridade do diodo o trip iferior será preciso. Em ambos os casos, o comparador terá característica iversora e o trip preciso terá o valor de V REF trocado). Formulário: V it rip = { { ( Ri e = + R i V i + ) ( Ri V r R i V r + R i e + = α 1 + V O ) α (1 + ) V O V O = V sat+ V O = 0 V O = V sat V O = V sat + V f UT P = Ri V r T rip preciso LT P = Ri + ( Ri + 1 α (1+) (V sat V f ) ( ) Ri α H = + 1 (1 + ) (V sat V f ) Para R i =, teremos: { UT P = Vr T rip preciso LT P = V r + 2.α (1+) (V sat + V F ) H = 2.α (1 + ) (V sat V F ) (com sial

5 PRIMEIRO PASSO - Motar o circuito coforme o diagrama esquemático da figura 5 com V REF = 5V. Um dos trips ocorrerá quado o sial de etrada passar por exatamete +5V. Ajustar o poteciômetro de 10kΩ a posição 10 (H máximo). SEGUNDO PASSO - Ajustes iiciais. Osciloscópio o modo X-Y. V i =GF=triagulo, 100Hz e 9V p. TERCEIRO PASSO - V REF = 5V. Variar o poteciômetro de ajuste da histerese. Observe que o trip superior (UTP) ão muda e é determiado por V REF. Segudo a teoria UT P = +5V para V REF = 5V. Aida segudo a teoria a histerese pode ser ajustada etre a 6, 65V cosiderado V SAT = 14V e V F = 0, 7V. Mas como V SAT depede da carga e do ampop, o valor da histerese ão é preciso. H MAX = V H MIN = V QUARTO PASSO - V REF = +5V e 0V. Mude V REF para +5V e depois para 0V. Observe que o UTP tem exatamete o mesmo valor de V REF porém com sial oposto. Atue o poteciometro de ajuste da histerese. Você perceberá que o trip preciso ão se desloca. QUINTO PASSO - LTP preciso. Iverta a polaridade do diodo e varie o poteciômetro de batete a batete. Observe que o trip iferior ão muda (é determiado por V REF ) e ão depede de V SAT. F. Comparador Jaela Comparadores jaela implemetado com apeas um ampop ão são muito precisos porque o poto de trip depede da queda de tesão do diodo retificador (que varia com a temperatura e com o valor da correte). Para obter trips precisos são ecessários dois ampops ou dois comparadores (como LM 311). Nos circuitos com diodos istalados a saída do ampop, a carga R L deve ser ligada ao terra para evitar flutuações quado os dois diodos estiverem bloqueados. G. Ampop sem compesação itera Em malha aberta ou com realimetação positiva os ampops sem compesação de fase itera como o 748 ou o LM301 podem ser utilizados sem o risco de provocar oscilações. Estes Figura 7. Figura 6. : Comparador jaela. Esquema: Comparador jaela com trip preciso. ampops apresetam slew rate de 40V/μs cotra os 0, 5V/ do 741C. Estes dois amp op s são compatíveis pio-a-pio com o 741 (a meos do ajuste de offset). REFERÊNCIAS [1] Luis J. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS (2) - COMPARA- DORES. Março de comparadores [2] Amplificadores Operacioais.