Publicado : 17/02/2022 Comparadores de voltaje ¿Manualmente o con circuito integrado? - Categorías : Otras novedades , Teoría Existen muchas posibilidades y muchos requerimientos para comparar dos tensiones, pero no siempre es tan simple como coger un polímetro. Te explicamos todo en este artículo. ¿Cómo comparar dos tensiones? Entre dos puntos de un circuito o batería hay siempre una diferencia de potencial, también llamada tensión, que en ocasiones puede ser la misma. Pero si quieres comparar dos voltajes, ¿cómo lo haces? Pues a veces es sencillo, con un voltímetro. Si tenemos dos pilas AA con un voltaje nominal de 1,5V, una cargada y otra no, y queremos saber cuál de ellas está descargada. Pues lo más simple en probarlas sobre algún aparato como un despertador o luz. Pero para saberlo con certeza, medimos con un voltímetro sus terminales, y la que menos voltaje de será la más descargada. En electrónica es algo muy habitual necesitar comprar rápidamente dos tensiones, sin embargo, ya no es tan simple, porque se quiere realizar a mayores velocidades. En esta comparación hemos requerido medir dos veces, una para cada pila. Sin embargo, esta operación se puede simplificar a una sola medición. Sólo tienes que conectar los polos negativos de ambas pilas, y luego conectar el medidor en modo de medición de tensión a sus polos positivos. Esta medición nos dará inmediatamente la diferencia de los resultados anteriores, por lo tanto, el voltímetro mostrará la llamada tensión diferencial. De este modo podemos saber según el signo del display, cuanta más o menos tensión hay en la sonda positiva y, por tanto, en la pila de ese extremo. La tensión es la diferencia de potencial entre dos puntos, por lo que esta conexión del medidor también es correcta: conectar la sonda negra del medidor al positivo de la batería es seguro. Con esto podemos explicar el concepto de la a tensión diferencial, un concepto importante en electrónica, y su idea es sencilla: si tienes dos fuentes de tensión con un punto de referencia común, también puedes determinar la tensión entre sus terminales no conectados. En este experimento, el punto común era, por supuesto, los polos negativos de ambas baterías, y medimos la tensión entre los polos positivos. Teníamos que decidir qué batería tenía el mayor voltaje. No importaba si el medidor mostraba -1 V o -0,1 V: el resultado sería el mismo. Esto significaría que la batería de la derecha tiene un voltaje más alto. Si, con las mismas conexiones, el resultado fuera positivo, habríamos elegido la batería izquierda. De ello se desprende una conclusión muy importante: para comparar dos tensiones basta con conocer el signo de la tensión diferencial, no es necesario conocer su valor en absoluto. ¿Qué es un comparador de voltaje? Como hemos llegado a la conclusión, tan solo necesitamos saber el símbolo. Para ello hay también pequeños circuitos integrados que realizan esta función llamados comparadores. Estos circuitos tienen dos entradas: entrada inversora (-) y entrada no inversora (+). El comparador verifica la diferencia de voltaje entre las entradas y sobre esta base establece su salida: Si la tensión en la entrada no inversora es más alta que en la entrada inversora, la tensión de salida será cercana a la del polo positivo de la fuente de alimentación (por ejemplo, 5 V). Si el voltaje en la entrada no inversora es menor que en la entrada inversora, entonces el voltaje de salida será cercano a la del polo negativo de la fuente de alimentación (por ejemplo, a tierra, 0 V). Si continuamos con el ejemplo de las pilas, y usáramos un comparador alimentado con 6VDC, podríamos saber cuál de las dos pilas está mas cargada de la siguiente manera. A la izquierda podemos observar como por la entrada inversora hay más voltaje, por lo que la diferencia es negativa, y lo que sale por la salida es también “invertida”, o sea la que está en V- que son 0V. Por otro lado, si intercambiamos las pilas, el comparador saca una diferencia positiva, y por la salida se obtiene V+. Por lo tanto, los comparadores son un "puente" extremadamente importante entre circuitos analógicos y digitales. Comparadores digitales: sistemas combinacionales Hasta ahora, la tensión comparada en estos ejemplos era analógica, pero ¿qué pasaría si queremos comparaciones digitales? Pues en realidad se pueden entender con la misma idea, los sistemas combinacionales indican si dos datos de N bits son iguales y en el caso que esto no ocurra cuál de ellos es mayor. Por la salida por tanto saldrá los N bits de mayor nivel. En la siguiente imagen podemos observar un circuito integrado que compara 3 entradas digitales con otras 3 y el resultado de la comparación se muestra por las salidas. Si entramos en más profundidad, podemos entender su funcionamiento gracias a su tabla de la verdad mostrada a continuación. Posee dos tipos de entradas: las de comparación (A0...A3 y B0...B3) y las de expansión (<,=, y >) para la conexión en cascada. Se puede observar que las entradas de expansión sólo afectan a las salidas cuando los datos en las entradas A y B son iguales. Los típicos comparadores de tensión No obstante, los circuitos comparadores más usados son los analógicos. Algunos de estos circuitos integrados (como el IC-339, IC-311 etc.) se han diseñado específicamente como comparadores. Sin embargo, otros como el IC-741 aunque son en realidad amplificadores operacionales pueden ser usados como comparadores. Estos chips que generalmente vienen con 8 patas tienen una entrada para Vref, otra para Vin, una de salida Vout, una para el voltaje de alimentación (Vcc) y otra de Tierra. LM358P DIP 8 Amplificador Operacional Doble Circuito Integrado - Referencia T0060 Otro de los circuitos integrados más comunes es el LM311, que se lleva produciendo años por sus características principales, que son las siguientes: tensión de alimentación: 3,5–30 V, corriente máxima consumida por las entradas: 100 nA, compensación de tensión máxima: 3 mV, compensación de corriente máxima: 10 nA, corriente de salida máxima: 50 mA. Antes de explicar el funcionamiento interno de este comparador, vamos a recordar la numeración de los pines en los circuitos integrados. Para numerar los pines en un CI nos debemos fijar en la musca de la carcasa y la marca circular o punto que pueda tener. A partir de ella, los pines empiezan a numerarse desde el 1 en sentido antihorario. El pin 1 siempre está en la esquina superior izquierda del diseño; solo necesitamos determinar cómo rotar el diseño (según la sangría o el punto mencionado). Funciones y funcionamiento del LM311 Lo primero que debemos hacer, es certificarnos del funcionamiento mediante la hoja de características (datasheet) del propio fabricante. Esto es importante, porque a pesar de que no suela cambiar el funcionamiento, e posible que ciertos aspectos difieran entre los fabricantes. Sin embargo, los pines y la configuración interna de este circuito integrado comparador muy en resumen la siguiente: Emisor de transistor de salida (generalmente conectado a la tierra del circuito), Entrada no inversora (+), Inversión de entrada (-), Polo negativo de la fuente de alimentación (tierra del sistema), Equilibrio, Equilibrio/bloqueo, Colector de transistores de salida, Polo positivo de la fuente de alimentación. Como se puede observar, el circuito integra también un transistor. La salida del LM311 es del tipo OC (colector abierto), lo que significa que hay un transistor en el circuito que, dependiendo del resultado de la operación del circuito, se obstruirá o saturará. El colector de este transistor está conectado al pin 7, y por lo tanto es la salida de nuestro comparador. Por otro lado, una correcta conexión adecuada de los pies 5 y 6 permite ajustar manualmente la llamada compensación de voltaje y reducirlo a casi cero. Es un tema complejo, por lo que no necesitas preocuparte por él. Además, el pie 6 permite también apagar el sistema. A pesar del esquema con el transistor y el comparador en el interior, el sistema es más complejo y lleva más electrónica, por lo tanto, como hemos dicho, para conocerlo más en detalle se debe observar el datasheet. Sobre la práctica, para hacer pruebas con estos circuitos integrados, debemos recordar la manera de colocarlos sobre una Protoboard es la mostrada a continuación. De este modo, no habrá cortocircuito entre sus pines, ya que recordamos que internamente, los agujeros en las columnas de 5 en una placa de pruebas están conectados. Ejemplo de circuito aplicación para un comparador de voltaje analógico En la práctica, un comparador sirve para muchas aplicaciones distintas, desde encender un ventilador al comprar una temperatura con otra de referencia. A continuación, vamos a ver un sencillo ejemplo que compara dos tensiones y nos muestra el resultado mediante el encendido de un LED verde o un LED rojo. Utilizando dos divisores de voltaje mediante resistencias y un potenciómetro, podemos preparar el circuito. Este quedaría físicamente más o menos de la siguiente manera. Como se puede observar, la conexión de las pilas en serie lleva una tierra en la mitad y en sus extremos van los voltajes positivo y negativo del amplificador operacional. Hay una malla resistiva de 2 resistencias de 10k en serie y una resistencia de 10k con potenciómetro. La primera es una malla que simplemente es un divisor de voltaje fijo y la segunda un divisor de voltaje variable. En el punto donde están conectadas dos resistencias fijas de 10k sale un voltaje fijo de 5V. Por otro lado, cuando el potenciómetro está en su valor máximo, el voltaje no superará los 5V y por ende el led rojo no encenderá e inicialmente estará encendido el led verde. Si movemos el potenciómetro, y lo bajamos hasta su valor mínimo y el voltaje por la entrada inversora superará el voltaje de la entrada no inversora ( 5V) y por ende encenderá el led de color rojo. Este circuito es bastante simple, pero aún así para alguien que no tenga mucho conocimiento todavía de los divisores de tensión y de electrónica puede parecer más complejo. Si has podido entender el funcionamiento del circuito ya estás preparado para entender ejemplos y realizar proyectos más profesionales con estos circuitos comparadores. Podrás conectar, por ejemplo, una fotocelda, un sensor de temperatura LM35, un sensor de humedad con electrodos, o incluso podrías medir el nivel de una batería y que mande una alerta luminosa. Principio de funcionamiento del comparador Ahora que ya sabes como funciona y como hacer un ejemplo, puede que te estés preguntando que hay realmente detrás de ese “triangulo” en los esquemas. ¿Cómo sería el esquema del símbolo del comparador de voltaje? Para los más curiosos, que no se conforman con entender el funcionamiento si no que queréis conocerlo, vamos a ver como está formado internamente un comparador de voltaje. En el siguiente esquema podemos ver a lo que equivale en resumen el triángulo, a una serie de transistores PNP (T1 y T2) y NPN (T3) junto a una resistencia (R1). La entrada inversora va a la base del T1 y la no inversora a la del T2, mientras que la salida del circuito integrado (Wy) es el colector T3. Los transistores T1 y T2 forman el llamado circuito diferencial, que se ubica en la entrada del comparador. Su ventaja es que le permite estudiar el voltaje diferencial, porque aquí solo es importante la diferencia de voltaje entre sus bases. Si el voltaje en T1 es menor que en T2, el primer transistor se abre y el segundo se obstruye. Esto se debe a las propiedades del transistor PNP: se necesita un potencial base menor que el del emisor para abrirlo. La base T1 "tirará" del potencial del emisor por debajo de la base T2, causando que T2 se obstruya. Toda la corriente de la resistencia fluirá a través del colector T1. Los transistores T1 y T2 compiten constantemente entre sí por la corriente de la resistencia R1. El que gana (es decir, comienza a conducir la corriente desde el emisor al colector) establece su voltaje emisor-base en aproximadamente 0,7 V. Si su "oponente" no está conduciendo, su voltaje emisor-base es menor. Si, en la situación que se muestra a continuación, condujera un transistor T2 con un potencial base de 2.5 V, entonces su potencial de emisor sería 3.2 V, o 0.7 V más. Sin embargo, entonces el voltaje de la base del emisor del transistor T1, debido a que sus emisores están conectados, sería tanto como 3.2 V - 2 V = 1.2 V, por lo que conduciría una corriente mucho, mucho mayor. Con el sistema de voltajes que acabamos de ver, T1 debe conducir. El potencial del emisor será de 2,7 V. Entonces, el voltaje de la base del emisor en el transistor T2 será de solo 2,7 V - 2,5 V = 0,2 V. Por lo tanto, T2 permanecerá obstruido. Toda la corriente de R1 fluirá a tierra a través del colector T1. No fluirá corriente hacia la base de T3 y este transistor también estará obstruido. Ahora intercambiemos los cables que suministran voltaje a las entradas del comparador. El voltaje diferencial sigue siendo de 0,5V, pero su signo ha cambiado. Ahora el potencial de la base T2 es 2 V, y T1 - 2.5 V. De acuerdo con el razonamiento anterior, se puede concluir que T2 tendrá que abrirse. Su voltaje emisor-base será de 0,7 voltios, mientras que T1 será de 0,2 voltios, por lo que permanecerá obstruido. Toda la corriente de la resistencia R1 fluirá a través del emisor T2 a la base T3. Este transistor, hasta ahora obstruido, podrá abrirse y, a través de su colector, podrá fluir corriente, por ejemplo, desde una resistencia adicional (más información sobre este tema en un momento), hacia la tierra del sistema. Si la corriente del colector es lo suficientemente baja, el transistor puede saturarse. Por tanto, este circuito simple actúa como un verdadero comparador. Cuando el potencial de la entrada marcada con "+" es mayor que "-", el estado de salida es alto (transistor de salida obstruido). Si el potencial de entrada "-" es mayor que "+", entonces la salida estará en corto a tierra (transistor de salida abierto). ¿Qué es una salida de colector abierto? El transistor que se conecta como el T3, que se deriva del colector, se llama salida de colector abierto (OC). La mayoría de los comparadores tienen esta salida. En general, se conecta una resistencia entre esta salida y el polo positivo de la fuente de alimentación, lo que permite obtener la tensión adecuada en la salida. El colector abierto es un tipo de salida común en sistemas con solo dos estados, también llamados biestables. Uno de los estados, bajo, se indica poniendo en cortocircuito esta salida a la tierra del sistema, que se realiza mediante el transistor de salida incorporado. El segundo estado, llamado alto, es la obstrucción de este transistor. Se define como alto porque el colector de este transistor generalmente está conectado a una carga conectada en el otro lado a la línea de alimentación positiva. Cuando no fluye corriente a través de él, no hay caída de voltaje a través de él, por lo que el potencial de colector del transistor es igual al voltaje de suministro. La ventaja de este tipo de salida es que la carga puede ser alimentada desde una tensión diferente a la del resto del sistema. Puede ser, por ejemplo, un relé con una bobina para un voltaje de 12 V, mientras que el resto de la electrónica recibe 5V. La conmutación de este relé se realizará en el estado bajo, después de la saturación del transistor de salida. A su vez, para apagarlo, basta con interrumpir el flujo de corriente (obstruyendo el transistor). Resumen Los circuitos comparadores de voltaje pueden resultarte muy útiles, sobre todo con sensores analógicos que funcionan traduciendo el valor de tensión en el valor de la magnitud correspondiente. Hemos visto los tipos de comparadores, sus características y su funcionamiento. Así como también como funcionan internamente y de que están compuestos, para entenderlos en profundidad. Esperemos que os hayan quedado claros y si tenéis alguna duda nos la hagáis saber. Fuentes https://sensoricx.com/electronica-de-control/comparador-de-voltaje-guia-completa/ https://unicrom.com/fuente-de-voltaje-variable-con-lm350k/ http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/comparador.html https://forbot.pl/blog/kurs-elektroniki-ii-komparatory-napiecia-id9357