Entrar

Login para a sua conta

Senha

Os comparadores de janela ou window comparators consistem em circuitos de enorme utilidade. Essas configurações, baseadas em amplificadores operacionais de alto ganho, podem ser encontradas em aplicações industriais de controle e sensoriamento, em instrumentação eletrônica, robótica, mecatrônica, eletrônica embarcada, além de muitas outras que não temos espaço para citar aqui. Como funcionam os comparadores de janela e como usá-los, é algo que todo profissional de Eletrônica deve saber.

Ativar um circuito qualquer quando uma tensão em sua entrada atinge um determinado valor é algo bastante simples, e a maioria dos nossos leitores pode desenhar “de cabeça” um circuito para essa finalidade. No entanto, existem aplicações que vão além disso como, por exemplo, a que exige o disparo de um circuito somente numa determinada faixa de tensões de entrada, conforme mostra a figura 1.

 


 

Uma configuração como essa pode ser usada em um sistema de alarme, onde precisamos ativar um sistema tanto quando a temperatura cai abaixo de um valor como quando o ultrapassa.

 

Para essa configuração, um simples circuito amplificador de sinais não se aplica. Precisamos de algo mais, e esse algo mais chama-se justamente “comparador de janela”.

 

Para entender como funciona um comparador de janela devemos começar pelo seu elemento básico, o amplificador operacional, que a maioria dos leitores já conhece, mas nunca é demais lembrar do seu princípio básico de funcionamento.

 

O Amplificador Operacional

Os amplificadores operacionais foram criados originalmente para realizar operações matemáticas em computadores analógicos. Eles podiam somar, subtrair, multiplicar e fazer muitas outras operações usando tensões em lugar de números. Associando diversos deles, operações complexas com as tensões eram feitas e, no final, o valor da tensão obtido era associado ao resultado.

 

Entretanto, verificou-se que os amplificadores operacionais tinham uma utilidade muito maior do que a “simples” realização de operações matemáticas, e hoje nenhum profissional de Eletrônica pode viver sem eles. Uma de suas aplicações é justamente a de funcionar como comparador de tensão, que é a base do comparador de janela que estamos focalizando neste artigo.

 

Então, para entender como funciona um comparador, vamor partir de um amplificador operacional típico que é ilustrado na figura 2.

 

 

O amplificador operacional dessa figura tem uma entrada não inversora (+), uma entrada inversora (-) e uma saída (S). O tipo de sinal que aparece na saída depende do ganho do amplificador e da entrada em que ele é aplicado.

 

Assim, se aplicamos o sinal na entrada não inversora, ele aparece na saída com a mesma fase que o da entrada e com uma amplitude tantas vezes maior quanto for o seu ganho, de acordo com a figura 3 (a).

 

Se o sinal for aplicado na entrada inversora, ele aparecerá na saída com a fase invertida e com uma amplitude tantas vezes maior quanto for o ganho do amplificador, conforme exibe a figura 3 (b).

 

 

Os amplificadores operacionais comuns possuem ganhos de tensão extremamente elevados, podendo chegar a 100 000 vezes. Podemos alterar esse ganho agregando um resistor de realimentação negativa, veja a figura 4, o que nos leva a diversas curvas de resposta para esse circuito.

 


 

Dessa forma, na figura 5, em (a) temos o caso em que o ganho é muito baixo (igual a 1) e que a saída tem a mesma amplitude da entrada. Esse circuito é chamado de seguidor de tensão. Em (b) representa uma configuração com ganho maior e em (c) a configuração com ganho máximo.

 

 

As duas primeiras configurações são normalmente usadas quando queremos amplificar um sinal e trabalhamos na região linear dessas características. A terceira configuração, praticamente, não possui essa região linear e não é usada como amplificador, mas ela pode ser empregada de outra forma: como comparador de tensão. Vejamos como isso é feito.

 

O Comparador de Tensão

Pelo que vimos, um comparador de tensão nada mais é do que um amplificador operacional com um ganho muito alto. E conforme o nome sugere, esse circuito pode ser usado para comparar duas tensões.

 

Assim, se aplicarmos na entrada inversora (-) uma tensão de referência, a saída será a tensão positiva de alimentação caso a tensão de entrada seja maior que a tensão de referência, e será 0 V se a tensão de entrada for menor que a tensão de referência. Isso é indicado na figura 6, onde temos um comparador positivo de tensão.

 

 

Por outro lado, se a tensão de referência for aplicada na entrada não inversora (+), o comportamento do circuito muda: teremos uma saída positiva se a tensão de entrada for menor que a de referência, e 0 V se a tensão de entrada for maior que a de referência.

 

Veja que, na transição, quando as tensões se igualam, como temos um ganho muito grande para o circuito, há praticamente um estado instável, com uma saída não definida. Em outras palavras, a probabilidade de que as tensões de entrada sejam exatamente iguais é muito pequena, e sempre teremos uma transição rápida do circuito que (ou tem sua saída indo ao nível alto ou caindo para zero).

 

Podemos empregar esse tipo de circuito em alarmes ou para detectar níveis de sinal com excelente desempenho, bastando simplesmente fixar numa das entradas a tensão que desejamos para a transição do circuito, ou seja, para o disparo.

 

O Comparador de Janela

Conforme observamos, os comparadores fornecem saídas que oscilam entre dois estados em função da tensão de entrada. Essa, entretanto, é uma aplicação simples que envolve apenas uma transição da tensão de saída.

 


Podemos combinar dois desses circuitos para ter uma função um pouco mais complexa e de grande utilidade para a eletrônica. Vamos supor que tenhamos dois comparadores que possuam tensões de transição de V1 e V2, sendo um deles positivo e o outro negativo, conforme mostra a figura 7.

 

 

Se interligarmos esses comparadores de modo que o sinal seja aplicado simultaneamente às suas entradas e unirmos suas saídas, teremos um circuito semelhante ao da figura 8.

 

 

O comportamento desse circuito será bastante interessante:

 

• Quando a tensão de entrada for inferior a V1 a saída do circuito estará no nível alto (+Vcc).

 

• Na faixa entre V1 e V2 a tensão de saída será zero (0 V), e quando a tensão de entrada estiver acima de V2 a saída voltará a ter a tensão positiva da alimentação ou nível alto.

 

• O gráfico representando este comportamento, desenhado na figura 9, revela a existência de uma “janela” entre V1 e V2.

 

 

• Quando as tensões de entrada assumem valores entre V1 e V2, ou seja, dentro da janela, a saída do comparador se mantém no nível baixo.

 

Não é preciso dizer, então, porque esse circuito é chamado “comparador de janela”: ele poderá reconhecer uma “janela” de valores de tensão de entrada entre os quais sua saída irá ao nível baixo.