FichaTrabalho1 Mod8 Teo Ampops 2 Comparadores - PDF

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					Escola Secundária Alfredo da Silva Curso de Electrónica Automação e Comando – Electricidade e Electrónica Módulo 8 (12º Ano) - AMPLIFICADORES OPERACIONAIS (2): COMPARADORES

OS CIRCUITOS COMPARADORES DE TENSÃO

Introdução A excursão máxima da tensão de saída é limitada pelos valores de saturação do Ampop (portanto, pela tensão de alimentação do mesmo Definição: Assim sendo, podemos dizer que um comparador de tensão converte sinais de forma analógica em sinais de forma binária ou quadrada, o que pode ser feito, como o nome indica, comparando um sinal de entrada analógico, UA, com uma tensão de referência, normalmente fixa, UR. ± VCC).

Os tipos básicos de comparadores são: 1. Detector de nível zero, com e sem inversão e sem histerese 2. Detector de nível zero, com e sem inversão e com histerese 3. Detector de nível, com e sem inversão e sem histerese 4. Detector de nível, com e sem inversão e com histerese

DETECTOR DE NÍVEL ZERO SEM HISTERESE Uma aplicação deste circuito é a de oferecer uma referência de tempo. Por exemplo, pode-se com ele obter a informação exacta do instante em que um sinal sinusoidal passar pelo nível zero, no sentido positivo ou negativo. Essa informação pode ser de fundamental importância para outra parte do sistema, do qual o detector faz parte.

1. Detector de Nível Zero, Com Inversão Mostramos de seguida o esquema desta montagem, a respectiva função de transferência e um exemplo de funcionamento.

Luis Jerónimo – Nov./2008

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Devido a sabermos que o ganho de tensão em malha aberta (como é o caso) do ampop é muito elevado, e que por isso o ampop satura à mínima diferença de tensão entre a sua entrada inversora e não-inversora, a análise do funcionamento do circuito é muito fácil. De notar que os zener que aparecem na saída, podem ser montados quando queremos que a tensão de saturação da saída não seja igual à tensão de alimentação dos ampops, mas menor, aplicando-se então um zener com tensão de zener igual ao valor pretendido. Isto pode ser necessário quando o circuito que se encontra ligado à saída deste assim o exigir. Os díodos D1 e D2 poem ser ligados para evitar que a tensão de entrada exceda valores seguros para a entrada, isto é, como protecção. Para que a corrente nos díodos não seja muito elevada montamos também a resistência R1.

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2. Detector de Nível de Zero, sem Inversão Por se tratar de um circuito cuja análise não oferece qualquer dificuldade depois de analisado o anterior, limitamo-nos a mostrar o seu esquema e a sua função transferência:

DETECTOR DE NÍVEL ZERO, COM HISTERESE 1. Detector de Nível Zero, com Histerese e com Inversão Os detectores que vimos antes são em malha aberta, o que apresenta dois inconvenientes: 1. Susceptibilidade a sinais de ruído interferentes, o que pode provocar na saída intermitência. Isto porque se UA passar/estiver em zero, o ruído eléctrico existente em todos os circuitos, embora de valor pequeno, pode provocar que a saída sature uma vez que o ganho em malha aberta é muito elevado. como o ruído é aleatório (positivo ou negativo), a saída pode saturar positiva ou negativamente. 2. As comutações na saída são relativamente lentas devido a limitações dos próprios Ampos.

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Para ultrapassar estes problemas basta utilizar realimentação positiva, o que iremos fazer nos circuitos seguintes: De notar que a intermitência é eliminada pelo surgimento de uma zona morta ou de histerese (ver característica de transferência) na entrada, dentro da qual o comparador é insensível a quaisquer variações de sinal. A extensão desta histerese não precisa de ser mais do que alguns mV pois o ruído também não ultrapassa, em geral, esses valores.

Função de Transferência do Detector de nível zero inversor, com histerese, sem os díodos Zener Z1 e Z2

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Função de Transferência do Detector de nível zero inversor, com histerese, com os díodos Zener Z1 e Z2

Com o uso da histerese aparecem novos pontos de comutação, denominados Ponto de Comutação Inferior (PCI) e Ponto de Comutação Superior (PCS), os quais limitam a largura da histerese. Os seus valores são calculados, após fácil análise do circuito, por: 1. Rp UPCS = -------------- . (+ Usmáx) Rp + Rf

sendo + Usmáx = Tensão de Saturação do Ampop ou + UZ1, conforme o circuito não utilize ou utilize os Zeners.

Esta tensão realimentada mantém a entrada não-inversora, neste caso a de referência, num nível positivo.

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2. Rp UPCI = -------------- . (- Usmáx) Rp + Rf

sendo -Usmáx = Tensão de Saturação do Ampop ou - UZ2, conforme o circuito não utilize ou utilize os Zeners.

Funcionamento do Circuito Supondo uma tensão de entrada, UA, crescendo de valores negativos até positivos, a tensão de saída manter-se-à no nível alto (+ US(sat)), enquanto UA < UPCS. No instante em que ocorrer UA ≥ UPCS, o terminal inversor assumirá uma polaridade mais positiva que o não-inversor, e a tensão de saída mudará do nível alto para o nível baixo. Isto é, a mudança ocorrerá de + Usmáx para - Usmáx. Prosseguindo, quando o ampop satura a sua saída negativamente, pelo mesmo divisor de tensão, há uma comutação quase instantânea na entrada, isto é, a entrada nãoinversora recebe, agora, um potencial negativo, que será mantido enquanto perdurar a saturação negativa na saída. Essa nova tensão na entrada é UPCI. Fazendo agora a tensão analógica de entrada descer até valores negativos, uma nova comutação acontecerá quando UA ≤ UPCI, altura em que a saída passará novamente para + Usmáx e a tensão na entrada não-inversora para UPCS, o que corresponde à situação inicial.

O efeito de intermitência não acontecerá enquanto o valor de pico da tensão de ruído interferente for menor que a histerese. Portanto, esse efeito não aparece enquanto: Δur(máx) < Uhis / 2 com Δur(máx) = o valor de pico da tensão de ruído interferente.

Nota: Verificamos que as comutações ocorrem no sentido horário.

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2. Detector de Nível Zero, com Histerese, Sem Inversão Por a análise ser semelhante ao caso anterior, deixamos aqui apenas as figuras correspondentes:

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Detector de Nível sem Histerese A diferença entre os circuitos que a seguir se apresentam e os circuitos anteriores, é que a tensão de referência (UR), agora, é diferente de zero. 1. Detector de Nível, com Inversão, com Histerese

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Detector de nível com inversão; Forma de onda de entrada; Forma de onda de saída, com tensão de referência positiva; Forma de onda de saída com tensão de referência negativa; Função de Transferência.

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2. Detector de Nível, Sem Inversão

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Detector de nível, sem inversão; Forma de onda de entrada; Forma de onda de saída, com tensão de referência positiva; Forma de onda de saída, com tensão de referência negativa; Função de Transferência

LINKS: http://hebergement.ac-poitiers.fr/l-cc-angouleme/coulomb-exosphy/applets/comp_2i/comp2i.htm comparador de inversor, com histerese. excelente! http://hebergement.ac-poitiers.fr/l-cc-angouleme/coulomb-exosphy/applets/comp2ni/comp2ni.htm idem não-inversor. http://hebergement.ac-poitiers.fr/l-cc-angouleme/coulomb-exosphy/applets/comp_1/comp1.htm idem sem histerese inversor

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Exemplos: 1 - Considerando no circuito seguinte, um ampop sem perdas na saturação, determinar a tensão de saída e desenhar a sua forma no gráfico.

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Solução: Como o circuito é um detector de zero não-inversor, em malha aberta, sempre que UA ≥ 0, a saída assumirá um nível positivo de 10 V, e sempre que UA ≤ 0, a saída apresentará um nível negativo de - 10 V. 2. No circuito abaixo, considerando o ampop ideal, as tensões de alimentação de ± 15 V, UZ1 = 6 V, enquanto UZ2 = 8 V, pede-se: a) Dizer qual é o tipo de circuito comparador b) Determinar o valor de R1 c) Determinar UPCS e UPCI (considerando a tensão directa dos Zeners) d) Desenhar a função de transferência e) Determinar qual o valor de pico máximo da tensão de ruído permitido na entrada.

Solução: a) trata-se de um detector de zero inversor, com histerese. Rp . Rf b) R1 = ------------ ≅ 5 KΩ Rp + Rf Rp 5 6,7

c) UPCS = -------------- . (UZ1 + UD2) = -------- . (6 + 0,7) ≅ ------- = 67 mV Rp + Rf Rp 505 100

1

8,7

UPCI = -------------- . (UZ2 + UD1) = -------- . (-8 - 0,7) ≅ ------- = 87 mV Rp + Rf
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100

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d)

e) Será 154 mV

3. Com o circuito comparador de tensão inversor como a seguir mostramos, pretende-se obter uma onda rectangular de saída com um ciclo de trabalho de 60%. Determine o valor de UR, considerando a tensão de alimentação de ± 15 V, a frequência de operação de 100 Hz e ÛA = 5 V.

Solução: 2t + T/2 D.C. (%) = -------------- . 100 T com: t - tempo que a tensão sinusoidal leva a chegar ao nível de referência a partir do zero T - período da forma de onda de saída

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Logo, 1 1

T = ---- = ------- = 10 ms f Assim, 2t+5 D.C. = 0,6 = --------------10 UR = ÛA sen ωt (V) UR = 5 sen 2π . 100 . 0,5 . 10-3 = 5 sen 0,1 π (V) UR ≅ 5 . 0,31 = 1,55 V 6-5 t = ----------- = 0,5 . 10-3 s 2 100

Tem-se que portanto

Detector de Nível Com Histerese (fora do âmbito)

Questões: 1. O que entende por comparador de tensão?

2. Quais os tipos básicos de comparadores que conhece?

3. Quais os motivos para a utilização de Detectores com Histerese?

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4. Qual a diferença entre um comparador de nível zero inversor com histerese e um comparador de nível inversor com histerese?

5. Qual o valor máximo a que a saída de um ampop pode chegar? a) 15 V b) - 15 V c) 0 V d) + VCC 6. Num Detector de Nível Zero, com Inversão, com o respectivo ampop (ideal) alimentado a ± 18V, quando a tensão de entrada é negativa, a tensão de saída é de: a) 0 V b) + 18 V c) - 18 V d) - VCC 7. No mesmo circuito anterior mas com díodos zener na saída com VZ = 5V, quando a entrada é uma tensão positiva, a saída está com: a) 0 V b) + 18 V c) - 18 V d) - 5 V 8. A função dos díodos na entrada dos comparadores é de: a) Protecção b) Limitação da tensão de entrada c) Acender um led d) Todas as anteriores

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9. A função da R1 na entrada dos circuitos comparadores é de: a) Limitação da tensão de entrada b) Acender um led c) Limitação da corrente nos Díodos d) Todas as anteriores 10. Num Detector de Nível Zero, sem Inversão, com o respectivo ampop (ideal) alimentado a ± 18V, quando a tensão de entrada é negativa, a tensão de saída é de: a) 0 V b) + 18 V c) - 18 V d) - 15 V 11. No mesmo circuito anterior mas com díodos zener na saída com VZ = 5V, quando a entrada é uma tensão positiva, a saída está com: a) - 18 V b) + 18 V c) - 5 V d) + 5 V 12. Num Detector de Nível Zero, com Inversão e com Histerese, se a tensão de entrada vier a decrescer de um valor elevado positivo para um valor baixo negativo, a saída comuta em: a) VPCI b) 0 V c) VPCS d) Nunca 13. Num Detector de Nível Zero, sem Inversão e com Histerese, se a tensão de entrada vier a decrescer de um valor elevado positivo para um valor baixo negativo, a saída comuta em: a) VPCI b) 0 V c) VPCS

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d) Nunca 14. Se o ruído eléctrico num comparador não ultrapassar os 30 mV em módulo, qual o valor mínimo que deve usar para a largura da histerese? a) 30 mV b) 60 mV c) 15 mV d) 120 mV Problemas: 1. Um circuito detector de zero apresenta uma função de transferência como a seguir mostramos:

O ampop utilizado é considerado ideal, sendo alimentado com ± 15 V e tendo a tensão de saída limitada em ± 8 V por dois díodos zener do mesmo tipo. a) Identifique o tipo do detector utilizado

b) Com resistência de ralimentação positiva de 10 MΩ, calcule o valor da resistência em série com o sinal de entrada e o valor da resistência à massa de compensação da corrente de offset.

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c) Com o valor da resistência em série com a saída do ampop de 1 KΩ, determine qual deverá ser a corrente Zener dos díodos utilizados.

2. O detector de zero dado é alimentado com VCC = ± 15 V, existindo uma perda de saturação interna de ± 2 V. Deve-se evitar que sinais de ruído com um valor de pico de até 20 mV possam provocar intermitência no funcionamento do circuito. A mínima margem de segurança deve ser de 50% sobre o valor de pico de ruído. Calcule os valores de R1 e de R2.

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