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MECATRÓNICA INDUSTRIAL “CIRCUITOS ELECTRONICOS INTEGRADOS” IV CICLO LABORATORIO N°6 COMPARADOR REGENERATIVO Integrantes: Damian Acosta, Lex Daniel Profesor: Oporto Diaz, Edgar Fecha de realización: 04/04/2019 Fecha de entrega: 13/04/2019 2019 – I

LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2

Fundamento Teórico COMPARADOR CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL: Ganancia en lazo abierto Un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cuál de dos señales en sus entradas es mayor. (se utiliza como comparador). Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat). Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima). La ganancia de un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 – V2), donde:

Figura 1. COMPRARDOR CON AO.

 Vout = tensión de salida  AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más)  V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan) Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación negativa o positiva. normalmente este valor es aproximadamente unos 2 voltios menor que el valor de la fuente (V+ ó V- )

Figura 2. Comparador de V1 y V2

Del gráfico se ve que el valor de la entrada en V2 es mayor que la de V1 (que se utiliza como referencia y tiene un valor fijo), hasta que en un momento t1, V2 cambia y ahora es menor que V1. Como V2 está conectado a la entrada no inversora del operacional, la salida (Vout) está en saturación positiva, hasta que llega a t1, en donde la salida ahora está en saturación negativa.

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2

GENERADOR DE ONDA CUADRADA Cuando se utiliza un comparador en su configuración básica, existe el inconveniente de que sólo es necesario que la entrada a comparar tenga un nivel ligeramente diferente al de referencia para que la salida pase a saturación positiva o negativa. Ver que el comparador en configuración básica está en abierto (no tiene resistencias de realimentación para controlar la ganancia del operacional) y su ganancia es máxima. (saturación, ya sea positiva o negativa)

Figura 2. Comparador de V1 y V2

Esto significa que la señal a comparar debe ser una señal libre de ruidos, (ver línea roja en el segundo gráfico) pues estos causarían que haya tensiones de salida falsas. Si una señal de entrada de 0.01 voltios fuera afectada por ruido que tuviera una amplitud de 0.5 voltios pico-pico.

Figura 2. Comparador de V1 y V2

Esta señal aun estando en la parte positiva del gráfico, tendría un valor negativo no deseado de: 0.01 – 0.25 = – 0.16 voltios (valor negativo) salida errónea

Figura 2. Comparador de V1 y V2

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2 Para evitar estas salidas falsas en el comparador se utiliza la realimentación positiva en el circuito. Esta realimentación explica el nombre de comparador regenerativo dada a este circuito. Ver el gráfico de arriba. La tensión de realimentación es la que aparece en el resistor Rb, y se aplica a la entrada no inversora del amplificador operacional y se obtiene con ayuda de la fórmula: Vrealim = +/- Rb x Vsat/(Ra + Rb).  + Vrealimentación = VHL  - Vrealimentación = VLH (ver signos “+” y “–” que indican que hay dos tensiones de realimentación, una positiva y una negativa). Analizar el gráfico inferior de izquierda a derecha.

Figura 2. Comparador de V1 y V2

 Cuando Ventrada < VHL entonces la Salida = V+ (voltaje de saturación positivo)  Cuando Ventrada > VHL entonces la Salida = V- (voltaje de saturación negativo)  La salida se mantendrá en voltaje de saturación negativa mientras la onda triangular este por encima de VHL, después pase por (0) y seguirá así hasta…  Cuando Ventrada < VLH entonces la salida = V+ (voltaje de saturación positivo)  Cuando Ventrada > VLH entonces la salida = V+ (voltaje de saturación positivo) y se mantendrá así hasta ….  Cuando Ventrada > VHL entonces la Salida = V- (voltaje de saturación negativo) Este circuito también se utiliza como generador de onda cuadrada partiendo de una onda triangular como se puede ver del gráfico anterior. Este tipo de circuito, debido a su configuración, tiene una “curva de histéresis” debido a que la salida sólo pasa de saturación positiva a negativa y viceversa cuando Ventrada excede a los valores de tensión de realimentación tanto positiva como negativa.

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2

Comparadores Objetivos

1. Entender el funcionamiento de los comparadores. 2. Identificación de los comparadores regenerativo y ventana. 3. Conocer ventajas e inconvenientes de esos dos tipos de comparadores.

Equipos y Materiales      

Osciloscopio Fuente de alimentación dual Generador de funciones Protoboard 01 - TL082 Cables de conexión

Introducción

La función del comparador consiste en cotejar dos tensiones, obteniéndose como resultados dos posibles situaciones, correspondientes a los niveles alto o bajo. Sabemos que, en lazo abierto, el amplificador operacional se comporta como un detector de nivel cuyas salidas corresponden a los máximos o tensiones de saturación del componente.

Realimentación positiva

La realimentación negativa fuerza a un circuito a operar en la región lineal, amplificación inversora o no inversora según el circuito, en nuestro caso, con el amplificador operacional consideramos nula o casi nula la tensión diferencial de entrada al componente. Por el contrario, la realimentación positiva fuerza la salida a saturación, lo que crea un desequilibrio entre las tensiones presentes en la entrada inversora y no inversora del Amplificador. Una aplicación de los comparadores es en la generación de señales del tipo de PWM. Cualquier OPAMP puede realizar está función, pero en el mercado existen OPAMPs dedicados exclusivamente a la función de comparar y/o de tener salidas con valores máximos definidos.

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2

Procedimiento 1 – COMPARADOR REGENERATIVO

Figura 1 - OPAMP conectado como circuito comparador regenerativo Armar el circuito de la Figura 1 con el lazo de «realimentación negativa» abierto (sin los diodos DZ1 y DZ2). XSC1 XFG1

VCC -12.0V

Tektronix

COM

T

4

P 1 2 3 4 G

U1A

R2 10kΩ

2 1 3 8

1.

TL082CD Rf 10kΩ

12.0V VDD

R1 1kΩ

Figura 2 - OPAMP conectado como circuito comparador regenerativo.

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2 Para poder determinar la tensión de realimentación se aplica la siguiente expresión:  V realimentación = para VOH (+) La cual, para su resolución se debe aplicar la siguiente formula: (𝑅1)

V realimentación =(𝑅1+𝑅𝑓) ∗ 𝑉𝑂𝐻 (1𝐾)

V realimentación = (1𝐾+10𝐾) ∗ 12 V realimentación = 1.09V

 V.realimentación = para VOL (-) (𝑅1) V.realimentación = (𝑅1+𝑅𝑓) ∗ 𝑉𝑂𝐿 (1𝐾) ∗ 12 (1𝐾 + 10𝐾) V.realimentación = (1K / (1K + 10K)) x -12 V.realimentación = -1.09V Se comprobó la tensión de realimentación en el software MULTISIM. 2.

Dibujar la forma de onda de salida y medir los valores de pico (positivo y negativo). Indicar las escalas empleadas.

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2 Figura 3 - Señal de entrada, salida y realimentación en el comparador regenerativo obtenido en el laboratorio.

Figura 4 - Señal de entrada, salida y realimentación en el comparador regenerativo. Comparar los resultados de salida con los teóricos y explicar lo que se observa en la salida. De acuerdo con la imagen 4 se obtiene los siguientes datos: La señal de entrada (amarillo) es de 10 Vpp. La señal de salida (celeste) es de 20.7 Vpp. La señal de tensión retroalimentada (rosada) es de 1 Vpp. 3.

Colocar los diodos Zener D1 y D2 en el lazo de «realimentación negativa», como se indica en la Figura 1.

XFG1

D2

D1

4.1V

5.1V

XSC1

VCC

COM

Tektronix

-12.0V

T

4

P 1 2 3 4 G

U1A

R2 10kΩ

2 1 8

3

TL082CD Rf 10kΩ

12.0V VDD

R1 1kΩ

Figura 5 - Simulación de OPAMP conectado como circuito comparador regenerativo con diodos zener..

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2 4.

Dibujar la forma de las señales de entrada y salida. Medir los valores de pico (positivo y negativo)

Figura 6 - Señal de entrada, salida y referencia comparador regenerativo con diodos zener

De acuerdo con la imagen 6 se obtiene los siguientes datos: La señal de entrada (amarillo) es de 5 Vpp. La señal de salida (celeste) es de 10.2 Vpp. La señal de tensión retroalimentada (rosada) es de 1.5 Vpp. 2 – COMPARADOR DE VENTANA

Figura 7 - OPAMP conectado como comparador de ventana 1. Ajuste el generador de funciones a 10 Vp de onda triangular con una frecuencia de 1 KHz. 2.

Ajuste la tensión de entrada (-) del comparador inferior en 4.5V.

3. Ajuste la tensión de entrada (+) del comparador inferior en 5.5V. PROGRAMA DE FORMACIÓN REGULAR

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2 4. Observe y dibuje las ondas de tensión en la entrada y en la salida. Indique las escalas. VCC XMM1

XMM4

6

5

8

15.0V

U1 XSC1

2 7 3

Tektronix

XFG1

LM311H

1

4

V1 5.5V

P 1 2 3 4 G

T

VEE -15.0V 1

4

COM

U2 R1

XMM3

R2 47kΩ

XMM5 V3 10V

3

100Ω

7

6

V2 4.5V

5

8

2

LM311H

VDD 15.0V XMM2

Figura 8 - circuito de un comparador de ventana.

VCC XMM1

XMM4

6

8

5

15.0V

U1 XSC1

2 7 3

4

Tektronix

XFG1

LM311H

1

V1 5.5V

P 1 2 3 4 G

T

VEE -15.0V 4

1

COM

U2

R2 47kΩ

R1

XMM3

100Ω

XMM5 V3 10V

3 7

6

8

V2 4.5V

5

2

LM311H

VDD 15.0V XMM2

Figura 9 - Medición de voltaje en entrada , salida y en generador de funciones. PROGRAMA DE FORMACIÓN REGULAR

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2 ● ● ● ●

Como se puede observar la señal de entrada (verde ) es de 4.5 VDC Como se puede observar la señal de entrada (rosado) es de 5.5V DC Como se puede observar la señal salida (celeste) es de 10 vp, expresa unos pulsos positivos triangular en cada onda triangular positiva de la señal de entrada. Como se puede observar la señal del generador de frecuencia (amarilla) 20 vpp la señal que entregada es de onda triangular.

Figura 10 - Señal de entrada , salida en voltaje y comparador de ventana ● ● ● ●

Como se puede observar la señal de entrada (verde ) 4.5 VDC Como se puede observar la señal de entrada (rosado) 5.5V DC Como se puede observar la señal salida (celeste) 0 vp expresa el voltaje de salida pero en este caso fue conectado en la salida tierra o ground por ello tiene un valor de cero. Como se puede observar la señal del generador de frecuencia (amarilla) 20 vpp la señal que entregada es de onda triangular.

Comente como funcional este comparador: 5. Cómo afecta a la salida variar la señal en la entrada no inversora. Al variar la señal de entrada no inversor con 15 V(color rosado) afecta en la señal de salida en las ondas podemos apreciar mejor. VCC XMM1

XMM4

6

5

8

15.0V

U1 XSC1

2 7 3

Tektronix

XFG1

LM311H

1

4

V1 15V

P 1 2 3 4 G

T

VEE -15.0V 1

4

COM

U2 R1

XMM3

100Ω

R2 47kΩ

XMM5 V3 10V

3 7

6

5

V2 4.5V

8

2

LM311H

VDD 15.0V XMM2

Figura 11 - Señal de entrada , salida en ground y comparador de ventana PROGRAMA DE FORMACIÓN REGULAR

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2 En la imagen 12, se puede ver la variación de salida que la señal de entrada corta a la señal de salida o que el voltaje que obtendrá será 10 vp que se asemeja una señal de onda cuadrada.

Figura 12 - Señal de entrada , salida en ground y comparador de ventana Cómo afecta a la salida variar la señal en la entrada inversora. Al variar la señal en la entrada inversora en 2.5 V y el resultado se puede apreciar en el osciloscopio. VCC XMM1

XMM4

6

5

8

15.0V

U1 XSC1

2 7 3

Tektronix

XFG1

LM311H

1

4

V1 5.5V

P 1 2 3 4 G

T

VEE -15.0V 1

4

COM

U2

R2 47kΩ

R1

XMM3

100Ω

XMM5 V3 10V

3 7

6

5

V2 2.5V

8

2

LM311H

VDD 15.0V XMM2

Figura 13 - OPAMP Comparador de ventana

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2 Como se puede apreciar en la imagen la señal de entrada inversora cambio a 0v(verde) y la señal de salida tiene doble onda triangular positiva de color celeste en una cola onda de color amarillo.

Figura 14 - Señal de entrada, salida en ground y comparador de ventana

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES 

La velocidad de conmutación del comparador es limitada por el slew-rate del amplificador operacional (OP AMP).



Los COMPARADORES presentan una función de transferencia poco lineal ya que esa característica no es importante para las aplicaciones del comparador inversor y no inversor.



El uso de COMPARADORES facilita mucho el Interfaz de diferentes cargas en incluso el interfaz con sistemas digitales.

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LAB. N° 6 – Comparadores – Parte 2

RUBRICA DE EVALUACION

Realización

Puntos

Resultados del laboratorio Circuito 1 Circuito 2

8

Aplicación de lo aprendido

4

Observaciones y conclusiones

2

Redacción

2

Test

4 Total

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