Comparatore di tensione con operazionale
Un comparatore di tensione è un circuito che serve a confrontare due valori di tensione, cioè il valore applicato in ingresso viene confrontato con un valore fisso chiamato soglia. Se il valore applicato in ingresso è diverso da quello di soglia, il circuito cambia lo stato logico di uscita fornendo, a seconda dei casi, un livello logico 1 ( massima tensione positiva ) o un livello logico 0 ( tensione nulla ). Questo tipo di circuito viene utilizzato in molte applicazioni pratiche, ad esempio in interruttori crepuscolari per rilevare le variazioni di luce, in termostati per monitorare un certo valore di temperatura e in tutti quei casi in cui serve tenere sotto controllo il valore di un segnale. Nella configurazione più semplice, un comparatore è formato da un operazionale con i pin di ingresso collegati uno ad un partitore di tensione che stabilisce il valore di soglia e l’altro collegato alla sorgente del valore da tenere sotto controllo.
Nello schema appena riportato si può osservare il trimmer da 10 Kohm collegato al pin non invertente dell’operazionale che stabilisce il valore di soglia ( o di intervento ) e quello collegato al pin invertente ( anch’esso da 10 Kohm ) che rappresenta la tensione di entrata. Così composto, l’uscita dell’operazionale sarà a livello logico 1 finchè la tensione di entrata risulterà minore o uguale alla tensione di soglia. Superato il valore di soglia l’uscita commuterà a livello logico 0.
Seppur svolga perfettamente la sua funzione, il semplice comparatore appena descritto presenta un inconveniente : basta una minima differenza tra il valore in entrata e quello di soglia per variare lo stato logico in uscita. Se la tensione posta all’entrata dell’operazionale è soggetta anche a piccole variazioni questa farà cambiare lo stato in uscita creando situazioni spesso ambigue o non volute. Ad esempio, se abbiamo fissato un valore di soglia di 5 V sarà sufficiente che la tensione in entrata superi di 0,5 V o anche meno tale valore per provocare la commutazione del circuito.
Lo schema seguente invece riguarda un comparatore di tensione a finestra, il quale reagisce se la tensione in ingresso risulta al di fuori di certi valori prefissati.
Nella figura sottostante si osserva come varia lo stato di uscita del comparatore in funzione del valore della tensione applicata in ingresso
In questo circuito la commutazione dello stato logico in uscita avviene quando la tensione posta in entrata diventa maggiore di Vmax o minore di Vmin. Nello specifico avremo in uscita un livello logico 0 se la tensione in ingresso è compresa tra i due valori Vmax o Vmin, mentre se la tensione scende rispetto a Vmin o sale rispetto a Vmax avremo un livello logico 1. Per calcolare il valore delle due soglie si usano le seguenti formule :
- V min = [ R3 : ( R1 + R2 + R3 ) ] x Va
- V max = [ ( R2 + R3 ) : ( R1 + R2 + R3 ) ] x Va
Con i valori riportati nello schema abbiamo : Vmin = 3,34 V e Vmax = 4,86 V. Quindi il led rimarrà spento se la tensione in entrata rimane entro questi limiti, si accenderà invece se sarà minore di 3,34 V o maggiore di 4,86 V.
Per calcolare i valori delle resistenze possiamo usare invece :
- R1 = ( Va – Vmax ) : Ip
- R2 = ( Vmax – Vmin ) : Ip
- R3 = Vmin : Ip
Dove Va è la tensione di alimentazione e Ip è la corrente che scorre nelle tre resistenze ( di solito tra 0,15 e 0,18 mA ). Il valori per R1, R2 e R3 sono espressi in Kohm. Per quanto riguarda gli operazionali da utilizzare, ricordo che solo quelli tipo LM358 o LM324 e simili fanno corrispondere il livello 1 alla massima tensione di alimentazione e il livello 0 a tensione nulla.
Lo schema sottostante è una variante di quello riportato in precedenza e mostra come al variare della tensione in ingresso ( ruotando il cursore del trimmer ) corrisponda l’accensione di uno dei due led. Più precisamente, se la Vin è minore della tensione minima di soglia allora si accenderà il led rosso, mentre se Vin supera il valore di soglia massima si accenderà il led verde.
