Os comparadores de janela ou window comparators consistem em circuitos de enorme utilidade. Estas configurações, baseadas em amplificadores operacionais de alto ganho, podem ser encontradas em aplicações industriais de controle e sensoriamento, em instrumentação eletrônica, robótica, mecatrônica, eletrônica e 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 da eletrônica deve saber. Assim, neste artigo, analisaremos o princípio de funcionamento desta útil configuração e algumas das suas aplicações práticas mais importantes.
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 esta finalidade.
No entanto, existem aplicações que vão além, como por exemplo a que exige o disparo de um circuito somente numa determinada faixa de tensões de entrada, conforme mostra a figura 1.
Figura 1
Uma configuração como esta pode ser usada num sistema de alarme em que precisamos ativar um sistema tanto quando a temperatura cai abaixo de um valor como ultrapassa.Para esta 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, que a maioria dos leitores já conhece, mas que nunca é demais lembramos seu princípio básico de funcionamento: o amplificador operacional.
O amplificador operacional
Os amplificadores operacionais foram criados originalmente para realizar operações matemáticas em computadores analógicos. Eles podiam somar, subtrair, muliplicar 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.
No entanto, verificou-se que os amplificadores operacionais tinham uma utilidade muito maior do que a "simples" realização de operações matemáticas, e hoje nenhum profissional da 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.
Assim, para entender como funciona um comparador, vamor partir de um amplificador operacional típico que é mostado na figura 2.
Figura 2
O amplificador operacional desta figura tem uma entrada não inversora (+), uma entrada inversora (-) e uma saída (S). O tipo de sinal que aparece na saída depende tanto do ganho do amplficador como 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 amplutude tantas vezes maior quanto for o seu ganho, conforme mostra a figura 3 (a).
Se o sinal, for aplicado na entrada inversora, ele aparece na saída com a fase invertida e com uma amplitude tantas vezes maior quanto for o ganho do amplificador, conforme mostra a figura 3(b).
Figura 3
Os amplificadores operacionais comuns possuem ganhos de tensão extremamente elevados, podendo chegar a 100 000 vezes. Podemos alterar este ganho agregando um resistor de realimentação negativa, conforme mostra a figura 4, o que nos leva a diversas curvas de resposta para este circuito.
Figura 4
Assim, na figura 5 em (a) temos o caso em que o ganho é muito baixo (igual 1) e que a saída tem a mesma amplitude da entrada. Este circuito é chamado, seguidor de tensão. Em 5 (b) temos uma configuração com ganho maior e em 5 (c) a configuração com ganho máximo.
Figura 5
As duas primeiras configurações são normalmente usadas quando queremos amplificar um sinal e trabalhamos na região linear destas características. A terceira configuração, praticamente não possui esta 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. Conforme o nome sugere, este 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 se a tensão de entrada for maior que a tensão de referência e será 0 V se a tensão de entrada for menor que a tensão de referência. Isso é mostrado na figura 6, onde temos um comparador positivo de tensão.
Figura 6
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 menor que a de entrada.
Veja que na transição, quando as tensões se igualam, como temos um ganho muito grande para o circuito, temos 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 usar este 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 vimos, os comparadores fornecem saídas que oscilam entre dois estados em função da tensão de entrada. Esta, entretanto, é uma aplicação simples que envolve apenas uma transição de tensão de saída.
Podemos combinar dois destes 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.
Figura 7
Se interligarmos estes comparadores de modo que o sinal seja aplicado simultaneamente às suas entradas e unirmos suas saídas, teremos um circuito conforme o mostrado na figura 8.
Figura 8
O comportamento deste 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 será a tensão positiva da alimentação ou nível alto. O gráfico representando este comportamento mostrado na figura 9, revela a existência de uma "janela" entre V1 e V2.
Figura 9
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 este circuito é chamado "comparador de janela": ele pode reconhecer uma "janela" de valores de tensão de entrada entre as quais são saída vai ao nível baixo.
O Comparador de Janela na Prática
Conforme dissémos, podemos usar amplificadores operacionais comuns de alto ganho para elaborar comparadores de janela com facilidade.
No entanto, os amplificadores operacionais comuns tem um problema de configuração que pode se tornar importante quando os usamos nesta aplicação. Conforme mostra a figura 10, a etapa de saída dos amplificadores operacionais em sua maioria usa transistores complementares.
Figura 10
Isso significa que, quando a saída está no nível baixo, um dos transistores conduz (Q1), e quando a saída está no nível alto é o outro transistor que conduz (Q2). Se ligarmos as saídas de dois amplificadores operacionais num ponto comum, como no caso do comparador, teremos uma situação conflitante quando um dos operacionais estiver na saída no nível alto e o outro no nível baixo. Teremos uma condição praticamente de curto-circuito na saída que pode danificar estes componentes, conforme mostra a figura 11.
Figura 11
Assim, quando usamos amplificadores operacionais nos comparadores deste tipo, precisamos agregar diodos, conforme mostra a figura 12, para evitar que a corrente flua pelo transistor Q2 de um amplificador quando Q1 do outro estiver em conduição. Isso é feito conforme mostra a figura 12.
Figura 12
Veja que, na condição em que a saída do comparador #1 está no nível alto, a corrente não pode circular pela sua saída pois o diodo D1 estará polarizado no sentido inverso. No entanto, para facilitar os projetos usando comparadores, os fabricantes criaram circuitos integrados próprios em que a saída usa uma configuração diferente.
É o caso do LM139/LM239/LM339 um quadruplo comparador de janela da National Semiconductor, cuja pinagem é mostrada na figura 13.
Figura 13
Este circuito integrado é dos mais versáteis e populares desta categoria com a vantagem de que as saídas dos comparadores são formadas por transistores com coletor aberto, conforme mostra a figura 14.
Figura 14
Isso significa que, usando este circuito integrado num comparador de janela, não precisamos nos preocupar com diodos, mas tão somente com um resistor "pull-up" ou de carga ligado conforme mostra a figura 15.
Figura 15
No nível alto de saída, o resistor fixa a corrente disponível numa carga e no nível baixo cada comparador pode drenar até 100 mA. Podemos perfeitamente ligar um LED indicador ou mesmo um relé de baixa corrente que acenderá/disparará quando a saída for ao nível baixo, ou seja, na janela de tensões de referência, conforme mostra a figura 16.
Figura 16
É claro que, se a carga a ser disparada exigir uma corrente maior podemos usar configurações com transistores PNP de média potência como os BD136, TIP32 , por exemplo, que podem excitar diretamente circuitos de aviso, motores, solenoides, relé, lâmpadasm, etc.
Fixando as Tensões de Referência
Como os comparadores possuem um ganho muito alto, com entradas de elevada impedância, a tensão de referência pode ser obtida facilmente com circuitos simples basicamente formado por divisores de tensão. Na figura 17 temos 3 formas possíveis de obtermos as tensões de referência para um comparador de janela.
Figura 17
Em (a) temos o uso de diodos zener independentes, cada qual fixando a tensão de uma das entradas e portanto, os valores que delimitam a janela de ação do circuito. Em (b) usamos divisores resistivos simples para a fixação das tensões. Finalmente, em ( C ) temos a possibilidade de usar um divisor único com três resistores.
Nas aplicações comuns com comparadores como os do LM339, estes resistores têm valores típicos que somados devem ficar na faixa de 20 a 50 k ohms. Para calculá-los é simples.
Sejam V1 e V2 as tensões de referência e V a tensão de alimentação do circuito. Queremos calcular os valores dos resistores R1, R2 e R3 para o circuito da figura 18.
Figura 18
As fórmulas são as seguintes:
Como temos duas equações e três incógnitas, podemos fixar uma terceira equação pela soma das resistências em aproximadamente 50 k ohms, conforme a fórmula C.
c)R1 + R2 + R3 = 50 000 ohms
Veja o leitor que nada impede que os resistores deste circuito sejam variáveis ou ajustáveis. Assim, na figura 19 temos uma interessante aplicação que pode ser agregada a um robô como um circuito inteligente de reconhecimento de luz.
Figura 19
Neste circuito, o LDR está colocado de tal forma no circuito que ele determina a largura da janela que provoca seu disparo. Assim, a "acuidade" visual do robô, ou outro sensor que seja ligado à outra entrada, que tenha um sensor deste tipo vai variar com o grau de iliminação ambiente.
Três LDRs ligados conforme mostra a figura 20 podem agregar a um robô um certo grau de inteligência, pois o circuito passa a ter uma janela que não só tem uma largura que depende da liminação como pode se deslocar para pontos diferentes de disparo em sua função.
Figura 20
Dependendo do tipo de sinal com que este circuito trabalhar, sua resposta vai depender de condições ambientes de iluminação que dependem das tensões de referência criadas pelos três sensores.
Outras Possibilidades
Os comparadores de janela que vimos têm uma ação em que a tensão cai a zero na janela reconhecida. No entanto, esta não é a única possibilidade. Conforme mostra a figura 21, agregando diodos e um resistor de saída de forma diferente aos dois comparadores, suas saídas são combinadas de modo que, na janela reconhecida, a tensão seja a de alimentação.
Figura 21
Também devemos observar que os diodos são necessários nos casos em que temos operacionais comuns e desnecessários nos comparadores como o LM339, mas exigindo um resistor, que neste caso vai ao terra.
Conclusão
Circuitos como este podem ser encontrados numa infinidade de dispositivos que tem por base sensores. Na figura 22 temos um exemplo prático muito interessante em que se usa um comparador de janela para monitorar um equipamento cuja temperatura deve ser mantida dentro de uma faixa bem definida de valores.
Figura 22
Quando a temperatura cai abaixo do valor determinado pela referência V1 ou sobe para além da temperatura determinada pela referência V2 a tensão no comparador muda e o alarme é disparado. Trata-se, portanto, de um alarme de sub-sobre temperatura. Com as informações dadas neste artigo acreditamos que o leitor pode fazer muito mais sozinho, criando seus projetos que façam uso dos enormes recursos dos comparadores de janela.
