Os comparadores de tensão encontram uma ampla gama de aplicações em controle, alarmes, sensores e muitos outros circuitos. Tipos comuns como o LM339, LM239 e LM139 são usados em uma grande variedade de equipamentos assim como amplificadores operacionais que podem facilmente ser implementados como comparadores como o LM324 ou LM358. Veja nesse artigo com usar comparadores de tensão além de circuitos práticos de aplicação.
Um comparador de tensão nada mais é do que um amplificador operacional de alto ganho ligado de forma a comparar uma tensão de entrada com uma tensão de referência.
A saída estará no nível alto ou baixo, conforme a tensão de entrada for maior ou menor que a tensão de referência.
Na figura 1 temos a configuração básica de um comparador típico em que além de um amplificador operacional temos uma saída de potência com um transistor em coletor aberto.
Veja que a presença desse transistor exige que em todas as aplicações o componente não fique com a saída flutuante. Se não existir nada ligado a ela, deve ser previsto um resistor “pull up”.
Nessa figura temos a operação do comparador com fonte simples, mas existe também a possibilidade de se alimentar um comparador com uma fonte de alimentação simétrica conforme mostra a figura 2.
Com alimentação simétrica a tensão de entrada para comparação tanto pode ser negativa como positiva.
Funcionamento
Conforme mostra a figura 3, podemos usar a entrada positiva para fixar a tensão de referência através de um divisor formado por R1 e R2.
Partindo então do ponto em que a tensão de entrada é mínima (0 V) a tensão de saída será máxima (+V). Quando a tensão de entrada se igualar a tensão de referência, ocorre a comutação e a tensão de saída passa a zero. Essa tensão vai permanecer até a tensão de entrada atingir o valor máximo.
Quando a tensão de entrada cair, ao passar pelo valor de referência, ocorre nova comutação e a saída vai ao nível máximo (+V), novamente. A figura 4 mostra num gráfico o que ocorre.
Outra forma de se utilizar o amplificador operacional é a mostrada na figura 5, onde aplicamos a tensão de referência na entrada inversora
(-).
Partindo então de uma tensão nula de entrada, aplicada à entrada não inversora, temos uma tensão nula na saída. Quando essa tensão atingir o valor de referência, fixado pelo divisor R1/R2, a tensão de saída comuta e vai ao máximo (+V).
Essa tensão permanece alta até que, depois de alcançar o máximo, a tensão de entrada cai, e novamente atinge o valor de referência. Nesse ponto, o comparador comuta e sua saída vai a zero, conforme mostra a figura 6.
Veja que dado o alto ganho do operacional usado, a comutação do comparador é muito rápida, não existindo praticamente a possibilidade de termos uma saída num estado intermediário entre 0 e +V. Na verdade, conforme mostra a figura 7, existe um certo efeito do offset da tensão de entrada.
No entanto, essa inclinação na curva de comutação não afeta a maioria das aplicações.
Os comparadores de tensão também possuem uma certa histerese, o que significa que a tensão em que ocorre a comutação na “ida” é diferente do ponto em que ocorre a comutação na “volta”, ou seja, quando a tensão de entrada varia num sentido e noutro. A figura 8 mostra o significado dessa histerese.
No entanto, para a maioria dos comparadores a histerese é muito pequena, da ordem de milivolts. Nas aplicações em que se deseja uma histerese maior, pode-se obter isso através de componentes externos.
Na figura 8 mostramos como é possível fazer isso com dois resistores adicionais.
Comparadores de Janela
Uma configuração muito útil que se obtém com o uso de dois comparadores de tensão é a do comparador de jan ela, mostrada na figura 9.
Esse comparador fornece uma saída quando a tensão de entrada se situa entre dois valores de referência, programados por uma rede divisora. Na figura 10 temos um gráfico que mostra o comportamento desse circuito, em que a tensão de saída dos dois comparadores estará no nível alto quando a tensão de entrada estiver entre os valores de referência.
Oscilador
Uma outra aplicação para os comparadores de tensão é como oscilador, fornecendo um sinal retangular de boa estabilidade. Na figura 11 temos um circuito de freqüência muito baixa que excita um LED.
A freqüência desse circuito é de aproximadamente 1 Hz. Sempre que a saída for ao nível baixo o LED acende. O ciclo ativo do sinal gerado é de aproximadamente 50%. Pode-se usar o LM339 alimentado com tensões de 5 a 12 V.
Circuitos Prático
Alguns circuitos práticos usando comparadores podem servir para aplicações interessantes. os valores dos componentes não indicados dependem da aplicação, podendo ser obtidos através de cálculos ou experimentalmente.
Sensor de Luz
O primeiro circuito é de um sensor foto-elétrico usando um LDR como elemento sensível. A sensibilidade desse circuito depende de R1 que pode ter valores entre 10 k e 1 M. A configuração que aciona um LED na saída é mostrada na figura 12 e pode ser alimentada com tensões de 5 a 12 V.
Essa configuração faz com que o LED acenda quando o LDR é iluminado. Para um comportamento inverso, fazendo o LED acender quando a luz no LDR é cortada, podemos usar o circuito da figura 13.
O acionamento de um relé pelos circuitos indicados pode ser obtido com o uso de um transistor PNP como o BC558, conforme circuito mostrado na figura 14.
Flip-Flop de Dupla Tensão
Na figura 15 temos uma outra aplicação para um comparador de tensão que é configurado para apresentar histerese. Trata-se de um relé biestável ou flip-flop que opera com duas tensões.
Com um toque num dos interruptores o relé fecha seus contactos e com um toque no outro interruptor o relé desarma. Com o uso de um transistor de potência pode-se controlar uma carga diretamente.
Comparador Duplo
Na figura 16 mostramos como usar o comparador com duas tensões de alimentação.
Veja que esse tipo de aplicação é possível justamente pelo fato dos transistores de saída terem o coletor aberto. Eles podem ser usados num circuito com tensão de alimentação diferente.
Nesse caso também, dependendo do transistor usado na saída, podemos tanto acionar um relé como diretamente uma carga de maior potência.
Temporizador
Na figura 17 temos uma amplificação interessante em que dois comparadores são usados para acionar uma carga com retardo.
Como nos outros circuitos, a carga tanto pode ser um simples LED indicador como um circuito de maior potência que ative um relé ou mesmo solenóide, motor ou lâmpada.
No circuito indicado, com os valores dos componentes usados, o LED vai acender depois de aproximadamente 10 segundos que a tensão de entrada chegar a 6 V. Quando a tensão de entrada cair para menos de 6 V o LED vai apagar.
Para se obter uma configuração “com trava” do mesmo circuito, temos a configuração mostrada na figura 18.
Os tempos são os mesmos, mas para desligar o circuito apagando o LED é preciso pressionar o interruptor de pressão por um instante, o que fará com que o capacitor se descarregue.
Conclusão
O que vimos nesse artigo são algumas aplicações básicas importantes para os comparadores de tensão. Os circuitos dados podem ser implementados com base em comparadores comuns como o LM339, mas outros podem ser experimentados.
Também é importante observar que as tensões de disparo de todos os circuitos podem ser programadas com a alteração dos resistores que determinam as tensões de referência.
