LM393: comparador de tensión de precisión con histéresis

El circuito opera desde una única línea de alimentación de +5.0 V CC conectada al pin 8 (VCC) y pin 4 (GND). El condensador de desacoplo de alimentación C1 (100 nF cerámico X7R) proporciona una reserva de carga localizada de baja impedancia directamente entre los pines de alimentación del CI, absorbiendo los picos transitorios de corriente de alta frecuencia generados cuando la etapa de salida de colector abierto conmuta rápidamente entre corte y saturación profunda. La arquitectura de entrada del LM393 utiliza pares diferenciales Darlington PNP con desplazamiento de nivel integrado, lo que permite que ambos terminales de entrada midan tensiones hasta el potencial de tierra del circuito (0 V) sin requerir una línea de alimentación negativa.

Una tensión de referencia estable V_REF se obtiene a partir de la línea de +5.0 V mediante un divisor de tensión formado por R1 (10 kΩ) y R2 (10 kΩ). Empleando resistores de película metálica con 1% de tolerancia, la tensión central aplicada al pin 2 (entrada inversora, 1IN-) es:

Este umbral de 2.50 V está centrado dentro del rango lineal de modo común de entrada del dispositivo (0 V a VCC - 1.5V = 3.5V), proporcionando un margen diferencial óptimo para excursiones de señal tanto positivas como negativas.

La señal analógica de entrada VIN entra a través del resistor en serie R3 (10 kΩ) y llega al nodo de suma j_in_pos antes de entrar al pin 3 (entrada no inversora, 1IN+). El resistor de realimentación positiva R4 (1 MΩ) acopla el estado de salida del comparador hacia este nodo de suma. Aplicando el principio de superposición, la tensión instantánea V+ en el pin 3 depende tanto de VIN como de la tensión de salida VOUT:

Dado que R4 es cien veces mayor que R3 (R4 / R3 = 100), la red de realimentación inyecta una pequeña fracción controlada del 1% de la oscilación de salida en el nodo no inversor, desplazando dinámicamente el umbral efectivo de conmutación según el estado de salida actual.

Cuando VIN es bajo, la salida del comparador se mantiene en nivel alto (VOH ≈ 5.0 V mediante el resistor pull-up R5). La corriente que fluye por R4 eleva el potencial en el pin 3, fijando el punto de disparo superior (VTH ≈ 2.524 V). Cuando VIN supera VTH, el amplificador diferencial interno conmuta, encendiendo el transistor NPN de colector abierto y llevando VOUT a saturación (VOL ≈ 0.1 V). Instantáneamente, R4 desplaza el umbral del pin 3 hacia el punto de disparo inferior (VTL ≈ 2.475 V). La diferencia entre ambos umbrales define la ventana de histéresis:

Este margen de ruido de 48.5 mV evita disparos falsos, ráfagas parásitas y oscilaciones de rebote en la salida al evaluar señales de sensores ruidosas o de variación lenta.

La etapa de salida del LM393 consiste en un transistor bipolar NPN con colector abierto conectado directamente al pin 1. El resistor pull-up R5 (4.7 kΩ) conectado a +5.0 V restablece los niveles lógicos activos altos (VOH = 5.0 V) cuando el transistor de salida está en corte. Cuando el comparador pasa a estado BAJO, el conmutador interno absorbe ISINK = (5.0V - 0.15V) / 4.7kΩ ≈ 1.03 mA, llevando la salida limpiamente a VOL ≤ 150 mV. Debido a que la línea de pull-up está eléctricamente aislada del núcleo del comparador, R5 puede conectarse alternativamente a una línea externa de +3.3 V de un microcontrolador, logrando una traducción de nivel lógico directa sin circuitos integrados adicionales.