Cuando se diseñan circuitos electrónicos, a menudo es necesario comparar el nivel de dos voltajes. Para ello, se utiliza un dispositivo como un comparador. El nombre del nodo se remonta al latín comparare, o, más bien, al inglés to compare - to compare.
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¿Qué es un comparador de voltaje?
En el caso general, un comparador es un dispositivo que tiene dos entradas para suministrar los valores comparados (voltajes) y una salida para el resultado de la comparación. El comparador tiene dos entradas para suministrar los parámetros comparados: directa e inversa. La salida se establece en una unidad lógica cuando el voltaje de la entrada directa excede el inverso, y cero, si es viceversa. Si, con una diferencia positiva entre la entrada inversa y directa, se establece uno, y en la situación opuesta: cero, entonces dicho comparador se llama inversor.
El principio de funcionamiento del comparador.
Es conveniente construir un comparador sobre amplificador operacional (UNED).Para ello se utilizan directamente sus propiedades:
- amplificación de la diferencia de señal entre la entrada directa e inversora;
- factor de amplificación infinito (en la práctica, de 10000 y superior).
El funcionamiento del amplificador operacional como comparador se puede considerar con el siguiente esquema de conmutación:
Sea un amplificador operacional con una ganancia de 10000, el voltaje de suministro es bipolar, + 5 V y menos 5 V. divisor en la entrada inversora, el nivel de referencia se establece en exactamente 0 voltios, en la entrada directa, se eliminan menos 5 voltios del control deslizante del potenciómetro. El amplificador operacional debería amplificar la diferencia 10.000 veces, teóricamente debería aparecer un voltaje de menos 50.000 voltios en la salida. Pero el opamp no tiene dónde tomar ese voltaje, y crea el máximo posible: el voltaje de suministro, menos 5 voltios.
Si comienza a aumentar el voltaje en la entrada directa, el amplificador operacional intentará establecer la diferencia de voltaje entre las entradas, multiplicada por 10000. Tendrá éxito cuando el voltaje de entrada se acerque a cero y se vuelva aproximadamente menos 0,0005 V. Con un aumento adicional en el voltaje de entrada en la entrada positiva, la salida aumentará a cero y más, ya un voltaje de +0.0005 voltios se convertirá en +5 V y no aumentará más, no hay ninguna parte. Por lo tanto, cuando el voltaje de entrada pasa el nivel cero (más precisamente, menos 0,0005 voltios - + 0,0005), el voltaje de salida saltará de menos 5 voltios a +5 voltios. En otras palabras, siempre que el voltaje en la entrada directa sea menor que en la entrada inversora, la salida del comparador se establece en cero. Si es más alto, uno.
De interés es la sección de la diferencia de nivel en las entradas de menos 0,0005 voltios a + 0,0005.En teoría, cuando pasa, habrá un aumento suave de voltaje de suministro negativo a positivo. En la práctica, este rango es muy estrecho, y debido a interferencias, interferencias, inestabilidad de la tensión de alimentación, etc. con una igualdad aproximada de voltajes en las entradas, ocurrirá una operación caótica del comparador en ambas direcciones. Cuanto menor sea la ganancia del amplificador operacional, más amplia será esta ventana de inestabilidad. Si el comparador controla el actuador, esto hará que funcione a tiempo (haciendo clic en el relé, golpeando la válvula, etc.), lo que puede provocar una falla mecánica o un sobrecalentamiento.
Para evitar esto, se crea una retroalimentación positiva poco profunda al encender la resistencia indicada por la línea discontinua. Esto crea una ligera histéresis, cambiando los umbrales de conmutación a medida que el voltaje sube y baja en relación con la referencia. Por ejemplo, el comparador cambiará hacia arriba a 0,1 voltios y hacia abajo exactamente a cero (dependiendo de la profundidad de la retroalimentación). Esto eliminará la ventana de inestabilidad. El valor de esta resistencia puede ser de varios cientos de kiloohmios a varios megaohmios. Cuanto menor sea la resistencia, mayor será la diferencia entre los umbrales.
También hay circuitos integrados de comparación especializados. Por ejemplo, LM393. En tales microcircuitos, hay un amplificador operacional de alta velocidad (o varios), se puede instalar un divisor incorporado que crea un voltaje de referencia. Otra diferencia entre estos comparadores y los dispositivos basados en amplificadores operacionales de propósito general es que muchos de ellos requieren una fuente de alimentación unipolar. La mayoría de los amplificadores operacionales requieren voltaje bipolar. La elección del tipo de microcircuito se realiza durante el desarrollo del dispositivo.
Características de los comparadores digitales.
Los comparadores también se utilizan en la tecnología digital, aunque esto suene, a primera vista, paradójico. Después de todo, solo hay dos niveles de voltaje: uno y cero. Y no tiene sentido compararlos. Pero puede comparar dos números binarios, que se pueden convertir a cualquier valor analógico (incluido el voltaje).
Sean dos palabras binarias de la misma longitud en bits:
X=X3X2X1X0 y Y=Y3Y2Y1Y.
Se consideran iguales en valor si todos los bits son iguales a nivel de bits:
1101=1101 => X=Y.
Si al menos un bit es diferente, entonces los números no son iguales. El número mayor se determina mediante una comparación bit a bit, comenzando con el bit más significativo:
- 1101>101 - aquí el primer bit de X es mayor que el primer bit de Y, y X>Y;
- 1101>101 - los primeros bits son iguales, pero el segundo bit de X es mayor y X>Y;
- 111<1110 - Y tiene un tercer bit mayor, y el valor mayor del dígito menos significativo de X no importa, X<Y.
La implementación de dicha comparación se puede construir sobre los circuitos lógicos de los elementos básicos Y-NO, O-NO, pero es más fácil usar productos terminados. Por ejemplo, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 doméstico y otras series de microcircuitos. Son comparadores de 2 a 8 bits con un número correspondiente de datos y entradas de control. En la mayoría de los casos, los comparadores digitales tienen 3 salidas:
- más;
- menos;
- es igual
A diferencia de los dispositivos analógicos, con comparadores binarios, la igualdad en las entradas no es una situación indeseable y no se intenta evitar.
Tal dispositivo también es fácil de construir programáticamente usando funciones de álgebra booleana.Otra opción: muchos microcontroladores tienen comparadores analógicos "a bordo" con salidas externas separadas, que generan un resultado listo para comparar dos valores en forma de 0 o 1 en el circuito interno. Esto ahorra el recurso de los pequeños sistemas informáticos. .
¿Dónde se usa el comparador de voltaje?
El alcance del comparador es amplio. En él, por ejemplo, puede construir un relé de umbral. Para hacer esto, necesita un sensor que convierta cualquier valor en voltaje. Este valor puede ser:
- nivel de iluminación;
- nivel de ruido;
- nivel de líquido en un recipiente o depósito;
- cualquier otro valor.
El potenciómetro se puede utilizar para establecer el nivel de disparo del comparador. La señal de salida a través de la tecla se da al indicador o actuador.
Si aumenta la histéresis, el comparador puede funcionar como un disparador Schmitt. Cuando se aplica un voltaje que cambia lentamente a la entrada, la salida será señal discreta con frentes empinados.
Los dos elementos se pueden conectar para formar un comparador de dos umbrales o un comparador de ventana.
Aquí, el voltaje de umbral se establece por separado para cada comparador: para el superior en la entrada directa, para el inferior en la inversa. Las entradas libres se combinan, se alimentan con el voltaje medido. Las salidas se conectan según el esquema de "montaje OR". Cuando el voltaje supera el límite superior o inferior establecido, uno de los comparadores produce un nivel alto en la salida.
Un comparador multinivel se ensambla a partir de varios elementos, que se pueden usar como un indicador de voltaje lineal o un valor que se convierte en voltaje. Para cuatro niveles, el esquema será el siguiente:
En este circuito, se aplica un voltaje de referencia a la entrada de cada elemento. Las entradas inversoras están conectadas entre sí, reciben la señal medida. Cuando se alcanza el nivel de activación, se enciende el LED correspondiente. Si los elementos radiantes se disponen en línea, se obtendrá una franja luminosa cuya longitud varía según el nivel de la tensión aplicada.
El mismo circuito se puede utilizar como un convertidor de analógico a digital (ADC). Convierte el voltaje de entrada en el código binario correspondiente. Cuantos más elementos se incluyan en el ADC, mayor será la profundidad de bits y más precisa será la conversión. En la práctica, el código de línea es incómodo de usar y se convierte en un código familiar usando un codificador. El codificador se puede construir sobre elementos lógicos, usar un microcircuito listo para usar o usar una ROM con el firmware apropiado.
El alcance de los comparadores en circuitos profesionales y aficionados es diverso. El uso adecuado de estos elementos permite resolver una amplia gama de problemas.
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