Amplificador comparador, análisis y funcionamiento

Amplificador comparador, análisis y funcionamiento
Juan Carlos G2020-06-16

Es un gusto tenerte aquí, hoy continuamos con el tema de amplificadores operacionales (Amp Op), específicamente hablaré de la configuración Amplificador Comparador, la cual no suele ser tan difícil de analizar e iremos paso a paso para despejar cualquier duda que tengas.

 

Como es costumbre tratare de abarcar:

  • Definición.
  • Características.
  • Principio de funcionamiento.
  • Diagrama general de conexión.
  • Cálculos y formulas.
  • Ejemplo práctico.
  • Aplicaciones y usos.

 

 

¿Qué es el amplificador comparador?

Comencemos diciendo que el amplificador operacional (A.O) comparador puede ser utilizado y configurado para determinar entre dos señales de entrada, cual es mayor.

Por lo tanto, podemos definir que este sistema es capaz de comprar dos señales de entrada o voltajes:

  • Un voltaje usualmente se encuentra fijo, el cual es llamado “voltaje de referencia”
  • Y otro que puede variar a razón de un sistema externo.

Dependiendo de cuál sea mayor, variará la salida, obteniendo una alimentación positiva, o una alimentación negativa.

 

Características principales del Amp Op Comparador

  • Esta configuración es la única aplicación en lazo abierto del amplificador operacional, es decir, trabaja con ganancia máxima.
  • La ganancia real con la que trabaja el amplificador comparador es de más de 200,000. Esto tiene mucha relevancia a la hora de hacer el análisis general.
  • Realiza una comparación entre señales de entrada. Dependiendo de la salida y su magnitud, la señal de salida se pone en bajo o en alto.
  • Puede trabajar en configuración de inversor y no inversor.
  • Son sistemas sensibles al ruido si no se ajusta un comparador regenerativo o Schmitt Trigger.
  • Es una de las configuraciones más simples, ya que solo consiste del amplificador operacional.
  • En la práctica real, puedes utilizar los comparadores de voltaje LM111, LM211, LM311, los cuales tienen distintas aplicaciones funcionales.

 

¿Cómo funciona el amplificador comparador?

El funcionamiento del amplificador comparador en su modo más simple es sencillo de describir:

  • Cuando el voltaje en la entrada inversora (Vd, -) formador por el divisor de tensión es mayor que el voltaje introducido en la entrada no inversora (Vi, +), la salida de voltaje (Vo) es –Vcc (alimentación negativa).
  • Sin embargo, si el voltaje introducido por la entrada no inversora (Vi) es mayor que el voltaje introducido por la entrada inversora (Vd), la salida Vo es Vcc (alimentación positiva).
  • Otra cosa que hay que dejar en claro, es que la salida ya no serán voltajes de polarización, sino de saturación.

Generalmente me guardaría las expresiones matemáticas para el análisis general; no obstante, me interesa que entiendas por completo el funcionamiento, y que mejor forma de terminar de entenderlo mostrándote la expresión matemática que describe este funcionamiento.

 

Si Vi > Vd ➜ Vo = Vcc

Si Vi < Vd ➜ Vo = - Vcc

 

Una característica que tiene los A.O comparadores en su voltaje de salida, es que:

  • Este voltaje no puede superar la tensión de alimentación positiva.
  • Ni bajar por debajo de la alimentación negativa.

El diseño siempre mantendrá un balance en el voltaje de salida. ¡Todo está controlado! (Hasta este punto).

 

Ejemplo gráfico del A.O comparador

Supongamos que tenemos:

  • Un voltaje 2 (V2) conectado en la entrada no inversora del operacional (Vd).
  • Y un voltaje 1 (V1) conectado en la entrada inversora del operacional (Vi).
  • El valor de V2 es mayor que el de V1 (V2 ˃ V1), hasta que en determinado tiempo (T1) el valor de V2 cambia y ahora es menor a V1 (V1 ˃ V2); esto también se ve afectado en su saturación, ya que al estar conectado V2 al pin no inversor (positivo), pasa de tener una saturación positiva a una saturación negativa.

El anterior ejemplo aplica cuando en alguna entrada se le ajusta alguna señal sinusoidal o se utilice un sistema externo que varié su voltaje, como un sensor.

Señales entrada y salida del amplificador comparador

Método general de análisis del amplificador comparador

Ahora que ya tienes los conceptos básicos pasemos a realizar el análisis general de esta configuración.

 

Diagrama general de conexión del comparador

Diagrama general de conexión del amplificador comparador

Este es el diagrama de conexión del amplificador comparador de forma simple. Pueden existir variaciones dentro de la conexión general; sin embargo, esto ya depende del como estemos trabajando nuestro comparador.

El voltaje de salida se expresa de la siguiente forma:

Vout = AOL(V1 - V2)

AOL representa la ganancia del amplificador operacional en lazo abierto, el cual es de 200,000 o más.

V1 – V2 es la diferencia de las tensiones que se están comparando.

 

Tipos de amplificadores comparadores

Hasta aquí no hay ningún problema ¿Cierto? Muy bien. La expresión es realmente sencilla; sin embargo, los amplificadores comparadores se pueden dividir en:

  • Inversores
  • Y no inversores

Dependiendo en donde se sitúe su voltaje de referencia (Vref): si en el pin positivo o negativo. Veámoslo juntos.

 

Comparador inversor

En este tipo de comparador, la tensión de referencia se encuentra en la entrada no inversora (V1, +) y la señal a detectar se encuentra en la entrada inversora (V2, -). Algo que se debe aclarar, es que el valor de la tensión de referencia puede ser tanto positiva como negativa.

Si V2 > Vref ➜ Vout = -Vcc(-Vsat)

Si V2 < Vref ➜ Vout = +Vcc(+Vsat)

 

  • Si la señal a detectar (V2) es superior a la señal de referencia, la señal de salida será negativa; es decir, tendrá una saturación de tensión negativa (-Vsat).
  • Si la señal de referencia (Vref) es mayor a la señal a detectar, la señal de salida será positiva; es decir, tendrá una saturación de tensión positiva (+Vsat).

 

Diagrama conexión comparador inversor

Diagrama de conexión y señales del comparador inversor

Comparador no inversor

En el comparador no inversor, el voltaje de referencia esta aplicado a la entrada inversora (V2, -) y la señal a detectar se encuentra aplicada en la entrada no inversora (V1, +). Al igual que en el comparador inversor, el voltaje de referencia puede ser tanto positivo o negativo.

Si V2 > Vref ➜ Vout = +Vcc(+Vsat)

Si V2 < Vref ➜ Vout = -Vcc(-Vsat)

 

  • Si la señal a detectar (V2) es superior a la señal de referencia, la señal de salida será positiva; es decir, tendrá una saturación de tensión positiva (+Vsat).
  • Si la señal de referencia es mayor (Vref) a la señal a detectar, la señal de salida será negativa; es decir, la salida tendrá una saturación de tensión negativa (-Vsat).

 

Diagrama de conexiones y señales del comparador no inversor

 

Efectos del ruido en el amplificador comparador

Todo muy bien por aquí ¿no? Pero espera, que tenemos un enemigo al acecho para esta configuración, el ruido.

Esta configuración tiene un gran problema con sistemas en los que el voltaje de entrada varíe lentamente, ya que en los intervalos de tiempo donde se realizan los cambios de un estado a otro, se pueden producir muchos falsos cambios de estado gracias al ruido, esto puede repercutir mucho en la aplicación en la que se esté utilizando, ya que puede repercutir severamente en la vida útil de nuestros sistemas ¡Cuidado!

Sin embargo, tal vez te preguntaras ¿Cómo evitamos los efectos del ruido? Pues, la manera comprobada y sencilla que puedes realizar, es utilizar comparadores regenerativos o interruptores Schmitt (Schmitt Trigger).

Ambos sistemas lo que hacen es introducir una histéresis al cambio de estado, para que no se vea influido por el ruido, y así evitar falsos cambios de estado.

El efecto de histéresis se puede obtener de un circuito con realimentación positiva, controlando los márgenes de histéresis con dos resistencias.

 

Diagrama de conexión para minimizar el efecto del ruido en el amplificador comparador

  • La tensión ingresa en la entrada inversora del amplificador operacional es la señal Vi.
  • La tensión que ingresa en la entrada no inversora es la tensión en el punto P (en la resistencia 2).
  • Esta tensión es resultado de la retroalimentación de la tensión de salida Vout a la entrada del amplificador, la cual es atenuada por el divisor de voltaje formado por R1 y R2.

Este voltaje p se calcula de la siguiente manera:

Calculo del voltaje p Vp den amplificador comparador

Vsat = Tensión de salida del amplificador

En algunas fuentes, puedes encontrar esta expresión de esta forma.

Voltaje P Vp segunda forma de calcularlo

Los puntos de conmutación del voltaje 1 y 2 se determinan de la siguiente manera:

Voltaje en punto 1 y 2 del amplificador operacional

Y la diferencia entre los puntos de conmutación se expresa de la siguiente manera:

VH = 2 * β * Vsat 

De este modo, podemos concluir que el factor que ocasiona la histéresis es la realimentación positiva; sin la realimentación, β = 0, lo que ocasionaría que la histéresis desapareciera.

Finalmente, para evitar que la tensión de ruido ocasione falsos disparos, se debe cumplir lo siguiente:

Vruido = VH 

 

Ejemplo de uso (Ejercicio)

Haremos 2 ejemplos en lo que por fin vas a observar cómo trabaja esta configuración; son ejemplos muy sencillos que requieren muy poca cosa. ¡Atento!
¡Ah! Y recuerden lo siguiente:

Si Vi > Vd ➜ Vo = Vcc

Si Vi < Vd ➜ Vo = -Vcc

  • 1.- Se tiene un amplificador operacional comparador que se le suministra un voltaje de 15v y en la entrada no inversora (Vi) se introduce una señal de 5v, mientras que en la inversora una de 3.3 volts.

¿Qué valor tendrá el voltaje de salida?

Diagrama ejercicio amplificador comparador

  • Sustituimos y concluimos.

Vemos que la señal de la entrada no inversora es mayor que la señal de la inversora, entonces…

Si Vi > Vd ➜ Vo = Vcc

Si 5v > 3.3v ➜ Vo = 15v

 

  • 2.- Se tiene un amplificador operacional comparador que se le suministra un voltaje de 20v y en la entrada no inversora (Vi) se introduce una señal de 11.99v, mientras que en la inversora una de 12 volts.

¿Qué valor tendrá el voltaje de salida?

Diagrama ejercicio numero 2, amp op comparador

  • Sustituimos y concluimos

Vemos que la señal de la entrada inversora es mayor que la señal de la no inversora. Aunque sea una muy mínima diferencia, es aceptable, gracias a la ganancia tan inmensa (te había mencionado más arriba que va por ahí de los 200,000).

Si Vi < Vd ➜ Vo = -Vcc

Si 11.99v < 12v ➜ Vo = -20v

 

Aplicaciones y usos

El amplificador comparador tiene bastantes aplicaciones y se utiliza comúnmente como:

  • Temporizador
  • Como un ON-OFF
  • En sensores de temperatura (son parte de aquellos sistemas de control de estos y más sensores).
  • En aplicación donde se necesite una PWM variable.
  • Junto con los transistores
  • Tienen una aplicación en diferentes interfaces de cargas
  • Llegando incluso a usarse dentro de los sistemas digitales.

Si gustas darle rienda suelta a la práctica, te recomiendo el amplificador operacional LM741 o el LM339; este último es demasiado recomendable ya que tiene una taza de cambio demasiado alta.

 


Juan Carlos G

Desarrollador de sistemas de rastreo satelital

Hola, sean bienvenidos todos a Amplificadores.info, he creado este blog donde intentare enseñar todo lo que se sobre la amplificación de señales, lo hare tal y como lo aprendí mientras estudiaba Ingeniería eléctrica electrónica en la UNAM. Espero les guste, ya que, mi objetivo es aportar mi granito de arena en las nuevas generaciones.

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