Схемы на компараторах: Знакомство с компараторами на примере чипа LM339 — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Знакомство с компараторами на примере чипа LM339

Ранее мы с вами познакомились с такими интегральными схемами, как таймер 555, счетчик 4026, логические вентили, а также сдвиговые регистры и декодеры. Теперь же пришло время узнать о компараторах. Несмотря на кажущуюся простоту, компараторы — куда более интересные устройства, чем может показаться на первый взгляд. Читайте далее, и сможете убедиться в этом самостоятельно.

Крайне наглядная картинка, объясняющая работу компаратора, была найдена в книге Чарльза Платта Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих. С некоторыми изменениями эта иллюстрация приведена ниже:

Компаратор имеет два входа, обозначаемые знаками минус (инвертирующий вход) и плюс (неинвертирующий вход), и один выход. Для нормальной работы выход компаратора обязательно должен быть подключен к плюсу источника питания через подтягивающий резистор. Почему нельзя было сделать это просто внутри микросхемы, скоро станет понятно.

Используется компаратор следующим образом. На инвертирующий вход подается эталонное напряжение. Когда напряжение на втором, неинвертирующем, входе больше эталонного, выход компаратора имеет высокое напряжение. Если же напряжение на неинвертирующем входе ниже эталонного, выход компаратора имеет низкое напряжение. Проще говоря, компаратор сравнивает два значения напряжения и на выходе говорит, какое больше. Входы компаратора можно использовать и наоборот, тогда выход компаратора будет инвертирован.

В качестве типичной микросхемы, содержащей внутри себя целых 4 компаратора, можно назвать LM339. Данный чип выпускается как в виде SMD-компонента, так и варианте для монтажа через отверстия. Распиновка у LM339 следующая:

Данная иллюстрация взята из даташита микросхемы [PDF].

На практике компараторы чаще всего используют одним из следующих образов:

Важно! По неудачному стечению обстоятельств, компаратор обозначается на схемах точно так же, как и операционный усилитель. Однако операционные усилители работают иначе, нежели компараторы, и их не следует путать. Определить, что именно используется в схеме, обычно можно по указанному названию чипа.

В левой части схемы изображен компаратор, чей выход соединяется с неинвертирующим входом через потенциометр или резистор. Это — так называемая положительная обратная связь. Благодаря ей достигается гистерезис. То есть, если напряжение на неинвертирующем входе будет колебаться в некотором коридоре возле эталонного, выход компаратора не будет постоянно изменяться. Если помните, триггер Шмитта (чип 74HC14) делает то же самое.

Кстати, можно заметить, что одна из связей на потенциометре в положительной обратной связи как бы лишняя. Как объяснил мне Melted Metal, так принято делать на случай потери контакта движка потенциометра с резистивной дорожкой.

Что же касается правой части схемы, на ней изображена схема двухпорогового компаратора. Если вход схемы, обозначенный, как signal, имеет напряжение между low и high, на выходе схемы образуется высокое напряжение. В противном случае напряжение на выходе низкое.

На следующем фото изображена первая схема, собранная на макетной плате:

Потенциометр слева задает напряжение на инвертирующем входе, а потенциометр справа — на неинвертирующем. Потенциометр по центру участвует в положительной обратной связи. Напряжение на обоих входах отображается при помощи миниатюрных цифровых вольтметров. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе выше эталонного, светодиод, подключенный к выходу компаратора, горит.

Обратите внимание, что на входы неиспользованных компараторов также подается высокое и низкое напряжение. Это увеличивает надежность работы схемы и уменьшает потребляемую ею электроэнергию. Не имеет значения, на какой из входов подается высокое напряжение, а на какой — низкое. Главное, чтобы выход каждого отдельного компаратора был строго определен.

Вторую схему в собранном виде здесь я не привожу. Так что, вам придется поверить мне на слово, что она работает 🙂

Помимо всех озвученных выше, следует иметь в виду еще пару важных моментов:

Через компаратор не следует пропускать слишком большой ток. Ток больше 20 мА может его сжечь;
Напряжение на выходе компаратора может быть как выше, так и ниже напряжения на любом из входов. То есть, выход можно питать от совершенно другого источника питания. А питание на саму микросхему при этом может идти от третьего. Для правильной работы микросхемы нужно только, чтобы все эти источники имели общую землю;

Последнее обстоятельство позволяет использовать компаратор в качестве преобразователя уровня сигнала. Кроме того, теперь наконец-то стало ясно, зачем были все эти сложности со внешним подтягивающим резистором.

Вообще, компаратор можно рассматривать, как очень простой вольтметр или АЦП. В частности, с его помощью не представляет труда собрать индикатор уровня заряда Li-Ion аккумулятора. Если же у вас есть лишний фоторезистор (см заметку Мои первые страшные опыты с Arduino) или фототранзистор, на базе компаратора можно сделать датчик освещения. Если же вместо фоторезистора воспользоваться термометром типа TMP36, можно собрать устройство, управляющее кулером или кондиционером, способное регулировать температуру.

Наконец, компаратор можно использовать в качестве логического элемента НЕ, а также, если соединить выходы нескольких компараторов, в качестве И. Отсюда несложно получить ИЛИ, по форуме x || y = !(!x && !y), ровно как и любую другую булеву функцию. Само собой разумеется, при желании можно придумать и другие применения.

А какие безумные варианты использования компараторов приходят вам на ум?

Метки: Электроника.

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Компараторы — название произошло от принципа работы – сравнения. Так функционируют приборы, производящие измерения способом сравнивания с эталоном: весы с одинаковыми плечами, электрические потенциометры.

По своей принципиальной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы с механической конструкцией применяются для проверки конечных мер длины. Компараторы для таких целей впервые применены во Франции в 1792 году, об этом имеется информация в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время появления метрической системы Франции. Точность таких замеров компаратора рычагами доходила до 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача рассмотреть компараторы, применяющиеся в современное время в электротехнике для напряжения.

Принцип работы и виды интегральных компараторов

Компараторы с двумя входами и одним выходом. Причем один из входов является прямым, а другой инверсным. На эти входы поступает напряжение, которые устройство сравнивает. В зависимости от этого сравнения на своем выходе устройство устанавливает либо логический ноль, когда напряжение на инверсном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение входа прямого выше, чем на инверсном.

На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

Диапазон напряжения питания.
Диапазон входных напряжений.
Максимальный ток на выходе компаратора.
Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе.

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.

Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.

Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.

При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.

При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.

Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.

Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.

Работа компаратора напряжения

В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.

С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.

Для тестирования устройства не нужно сложной схемы. Необходимо включить вольтметр на выход устройства, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.

Характеристики компараторов

При применении приборов нужно учесть характеристики, делящиеся на динамические и статические. Статические – это параметры установившегося режима. Это пороговая чувствительность. Она является наименьшей разностью сигналов входа. При ней возникает логический сигнал на выходе.

Некоторые компараторы оснащены выводами для смещающего напряжения, осуществляющего смещение характеристики передачи от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, то есть разница напряжений входа. Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Устройство

Схема прибора довольно сложная, большая и не слишком понятная. Рассмотрим простую функциональную схему по рисунку.

Показан дифференциальный каскад входа, схема уровневого смещения, логика выхода. Дифференциальный каскад производит основное усиление сигнала разности. Устройством смещения осуществляется оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбрать тип логики для работы. Такая настройка производится подстроченным резистором на выводах «балансировки».

Компаратор с памятью и стробированием

Современные инновационные компараторы оснащены стробирующим входом. Это значит, что сравнение сигналов входа осуществляется только при подаче импульса. Это дает возможность сравнить сигналы входа в необходимый момент.

Простая схема структуры устройства со стробированием:

Устройства по рисунку с парафазным выходом, подобно триггеру – прямой верхний выход, нижний (кружок) – инверсный. С – стробирующий вход. На рисунке а) стробирование сигналов входа осуществляется по высокому уровню входа С. На обозначении входа С изображают знак инверсии маленьким кружком.

Рисунке б) стробирующий вход с чертой /. Это значит, что стробирование проходит по восходящему импульсу. Стробирующий сигнал – разрешение сравнения. Итог сравнения появляется на выходе при действии импульса стробирования. На некоторых устройствах есть память (с триггером). Они сохраняют результат до следующего импульса.

Время импульса стробирования (фронта) должно хватать для того, чтобы сигнал входа успевал проходить через дифференциальный каскад до срабатывания ячейки памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помеха изменяет состояние устройства за время импульса.

Классификация

Компараторы делятся на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. В практической деятельности чаще применяются устройства общего применения.

Такие устройства имеют особенности и свойства, привлекающие к себе внимание. Они потребляют небольшую мощность, могут работать при малом напряжении питания. В одном корпусе можно разместить 4 устройства. Эта группа иногда дает возможность производить полезные устройства.

Это простой преобразователь сигнала в унитарный цифровой код, который можно преобразовать в двоичный, цифровым преобразованием. На схеме имеется 4 компаратора. Напряжение опорное подается на инвертирующие входы по делителю резистивного типа. При одинаковых резисторах на инвертирующих входах устройства напряжение будет равно n * Uоп / 4, n – номер устройства. Напряжение входа подается на неинвертирующие входы, которые соединены вместе.

В итоге сравнения напряжения входа с опорным, на компараторных выходах образуется цифровой унитарный код напряжения входа.

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Эта статья содержит основную информацию о работе компараторов напряжения построенных на интегральных микросхемах и может быть использована в качестве справочного материала для построения различных схем.

В электронике, компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.

Электрический паяльник с регулировкой температуры

Мощность: 60/80 Вт, температура: 200’C-450’C, высококачествен…

Компаратор, как правило, построен на дифференциальном усилителе с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)

Примеры работы компаратора приведены на основе микросхемы LM339 (счетверенный компаратора напряжений) и LM393 (сдвоенный компаратор напряжения). Эти две микросхемы по своему функционалу идентичны. Компаратор напряжения LM311 так же может быть использован в данных примерах, но он имеет ряд функциональных особенностей.

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Профессиональный цифровой осциллограф

Количество каналов: 1, размер экрана: 2,4 дюйма, разрешен…

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Входное напряжение смещения и гистерезис

Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.

Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.

Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.

Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).

Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…

Компаратор. Описание и применение. Часть 2

Схемы компараторов на операционных усилителях

В данной статье разберёмся как работает компаратор на операционном усилителе.

Операционные усилители – очень мощный инструмент современного радиолюбителя. Одной из самых простых схем его использования является подключение по схеме компаратора.

Название компаратор прижилось в отечественной литературе. Произошло оно от заимствования с английского слова compare = сравнить. Поэтому многие радиолюбители называют компаратор сравнивающим устройством.

Обычно для экономии стоимости данные схемы реализуют на операционных усилителях, но бывают и специализированные микросхемы компараторов. Они, как правило, имеют лучшее быстродействие и меньшее падение напряжения на самой микросхеме, но их невозможно использовать в качестве операционного усилителя. В данной статье речь пойдёт о использовании именно операционника (ОУ) в качестве компаратора. А вариант с использованием специализированных компараторов будет рассмотрен позже.

Наглядно эта схема показана на следующем рисунке:

Рис.1. Схема подключения операционного усилителя в качестве компаратора.

Давайте вместе разберемся в её работе.

Наиболее понятно, работа данной схемы представляется в виде работе некоторого постоянно сравнивающего устройства, которое постоянно сравнивает сигнал 1 и сигнал 2 подаваемые на вход компаратора. Выход оно устанавливает исходя из следующего:

Сигнал 1 больше по напряжению, чем сигнал 2?

Если да, то выход устанавливается в 10В (напряжение питание операционного усилителя). Если нет, то в 0В.

Рис.2. Наглядное описание работы компаратора

На первый взгляд в работе данной схемы нет ничего необычного, но существует бесчисленное множество применений работы данной схемы. В основном это устройства, которые переводят аналоговый сигнал в некоторую логическую величину: ДА или НЕТ. Это может быть и индикатор зарядки батареи, и датчик критического уровня жидкости в сосуде или любой другой аналоговый сигнал, который переходи какое-то определённое значение.

Разберём несколько из примеров использования компараторов (рекомендованных для домашней сборки), для того чтобы лучше разобраться в том, как работает данная схема.

1. Датчик перегрева радиатора

Данная схема работает по следующему принципу: В зависимости от температуры терморезистор R5 будет иметь разное значение сопротивления. С ростом температуры его сопротивление увеличивается.

Если температура не достигла заданной, то напряжение на выходе компаратора равно 0, и светодиод не горит.

При достижении температуры, установленной потенциометром R3, компаратор переключается, светодиод загорается, информируя нас о том, что терморезистор R5 перегрелся. В этот момент нужно как-то охладить работу вашей схемы, например, включив вентилятор или насос для прокачки воды. Это легко реализовать подключением в качестве нагрузки к выходу компаратора обычное электромагнитное реле.

Рис.3. Схема подключения датчика температуры.

2. Индикатор зарядки/разрядки батареи с двумя фиксированными уровнями.

Задача данного датчика крайне проста: проинформировать держателя батарейки о полном её заряде и скором прекращении работы. Данная схема отличается от предыдущей тем, что строиться на базе не одного, а двух компараторах, но это не беда для современной техники. Дело в том, что большинство современных операционных усилителей выпускаются в корпусе DIP8/SO8 и в своём составе содержат два операционных усилителя. К примеру, вот фрагмент даташита (технического описания микросхемы) используемого мною ОУ:

Рис. 4. Расположение выводов у микросхемы ОУ NE5532.

Решается она следующим образом: входное напряжение поступает на сложный делитель R3-R5-R7. В результате получаются два аналоговых уровня соответствующих не инвертирующим входам ОУ.

Тот, что получается между резисторами R3-R5 будет говорить нам о глубоком разряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при достаточно низком напряжении.

Тот, что получается между резисторами R5-R7 будет говорить нам о полном заряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при высоком напряжении на клеммах аккумулятора.

Сразу замечу, что схема мной собиралась не раз и тестировалась на лабораторном блоке питания и реальной батарейке. По этому все комментарии по настройке тут особо не нужны, так как схема работает сразу практически без настройки. Схема отлично работает с 9В свинцовыми и МеОН аккумуляторами. Для популярных в последнее время Li-ion батареек она несколько изменяется: современные Li-ion батарейки работают в диапазоне 4,2-2,4В. Для них питание операционного усилителя выбирается на уровне 2,4В (под стандартный стабилизатор), фиксированный уровень сравнения вместо 2,5В становится 1,2В и используются низковольтные ОУ. В остальном схема точно такая-же.

Рис.5. Схема индикатора зарядки/разрядки батареи.

Несколько тонкостей работы с компараторами.

Данный материал написан для людей, которые уже попробовали поработать с компараторами и хотят углубиться в данной теме:

1. Чувствительность компаратора зависит от величины минимального напряжения между входами. Если вы стараетесь сделать очень точные измерения, по типу вытащить 0,001*С из схемы срабатывания охлаждения, то будьте готовы к тому, что у вас это не получиться в виду ограничений микросхемы

2. Во время переключения некоторое время компаратор переключается. Это свойство проявляется в основном при детекции вч сигналов. Если ваши рабочие частоты лежат до 100 кГц, то о данном параметре на всех современных ОУ можете не заморачиваться. В противном случае смотрите на величину скорости роста сигнала. Обычно у современных ОУ эта величина составляет единицы/десятки вольт в микросекунду. В вашем случае она считается по формуле:

Если данная величина получилась больше, чем параметр ОУ, то меняйте оу. На экране осциллографа при этом у вас будет сильное сваливание от прямоугольного сигнала на выходе ОУ к треугольному сигналу.

3. В некоторых случаях полезно реализовать гистерезис(запаздвание) на положительной обратной связи, но это рассмотрим подробнее в одном из следующих занятий практикума.

В конце концов вот вам приятный подарок, раз уж вы дочитали до конца. Вот видео автора данной статьи о компараторах, из которого можно подчеркнуть много интересного и полезного.

Заключение

А теперь собственно ваше практическое задание: на основе вышеизложенного собрать простую схему на компараторе и показать её любому своему знакомому с объяснениями как это работает. Особенно рекомендую собрать схему на датчик перегрева и протестировать её работу на примере стакана с горячей водой. Присылайте свои фото и комментарии с практикумом на адрес info<собака>meanders.ru. А в качестве бонуса фотографии самого интересного практикума я выложу ниже в данной статье со ссылками на собравшего.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Описание работы компаратора

Сигнал на выходе:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Входное напряжение смещения компаратора

Входное напряжение смещения и гистерезис

Цель работы – изучить принцип работы, схемотехнику и основные характеристики аналоговых компараторов на операционных усилителях.

1.1. Краткие теоретические сведения

Аналоговый компаратор (компаратор) – это устройство осуществляющее сравнение измеряемого входного напряжения (u_вх) с опорным напряжением (U_ОП), подаваемых одновременно на его входы. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит переключение выходного напряжения компаратора с одного уровня на другой. Компаратор часто называют нуль – органом, поскольку его переключение происходит при

Компараторы нашли применение в системах автоматического управления, в измерительной технике, а также для построения различных устройств импульсного и цифрового действия (в частности, аналогово-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей)

Простейшая схема компаратора может быть построена на ОУ (рис. 1.1а).

Импульсный режим работы операционного усилителя.

Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Уровни входного сигнала ОУ в импульсном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области А0В амплитудной характеристики (см. рис. 1.1б). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо напряжением U + _вых_max, либо U – _вых_max.

Рис. 1.1. Схематическое изображение операционного усилителя (а) и его передаточная характеристика (б).

При рассмотрении линейных устройств на ОУ мы ранее ограничивались рассмотрением линейного участка передаточной характеристики при (– входное напряжение, при которомU_ВЫХ достигает максимального значения). При выходное напряжение ОУ ограничено значениямиU + _вых_max, либо U – _вых_max так как транзисторы выходных каскадов при больших сигналах работают в ключевом режиме (U_вых_max несколько меньше U_П).

Таким образом, получаем, что при U_ВХ2 – U_ВХ1 > 0 (т. е. U_ВХ2 > U_ВХ1) U_вых = U + _вых_max, а при U_ВХ2 – U_ВХ1 – _вых_max. Полярность выходного напряжения ОУ при зависит от того какое из двух входных напряжений больше. Или, иными словами, ОУ является в этом случае схемой сравнения (компаратором). Если положить, чтоU_ВХ2 = const, то при достижении напряжением U_ВХ1 уровня напряжения U_ВХ2 происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U + _вых_max на

U – _вых_max. При U_ВХ2 = 0 схема осуществляет фиксацию момента перехода напряжения U_ВХ1 через ноль.

Так как коэффициент усиления по напряжению ОУ К_U весьма велик, то

весьма мало. Реально у операционных усилителей U_ВХН не превышает нескольких милливольт, поэтому ОУ можно применять для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 1.2 а. Её характеризует симметричное подключение измеряемого и опорного напряжений ко входам ОУ. Разность напряжений u_ВХ – U_ОП является входным напряжением u_{ОУ, что и определяет передаточную характеристику компаратора (рис. 1.2 б). При u_ВХ + _вых_max. При u_ВХ > U_ОП напряжение u_{> 0 и u_вых = U_{вых max}.}}

Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение U_ОП. Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ это изменение носит ступенчатый характер при u_{= u_ВХ – U_ОП0. Если источники входного и опорного напряжений в схеме рис. 1.2 а поменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдёт инверсия передаточной характеристики компаратора. Условиюu_ВХ – _вых_max, а условию u_ВХ > U_ОП – u_вых = U + _вых_max.}

Схема рис. 1.2 а применима тогда, когда измеряемое и опорное напряжения не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений ОУ. В противном случае они подключаются к ОУ с помощью делителей напряжения (рис.1.2 в).

Операционный усилитель не может мгновенно перейти от одного уровня насыщения выходного каскада к другому, поэтому переключение с уровня напряжения U + _вых_max на уровень U – _вых_max происходит с некоторой задержкой _зад (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Схема компаратора на операционном усилителе (а), его передаточная характеристика (б), схема компаратора с входными делителями напряжения (в).

Важнейшим показателем ОУ, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие , которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы».

Рис. 1.3. Временная зависимость напряжения на выходе компаратора при линейно нарастающем входном сигнале.

Регенеративный компаратор (триггер Шмитта).

Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ и, как следствие, малой величины , при наличии зашумленности (флюктуации уровня сигнала) сигналов, подаваемых на входы компаратора, в момент равенства входного и опорного сигналов компаратор может многократно изменять своё состояние (переключаться). Это явление называют «дребезгом» компаратора. Для исключения этого явления ОУ компаратора охватывают положительной обратной связью, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторовR₁ и R₂ (рис. 1.4 а).

Рис. 1.4. Схема компаратора с положительной обратной связью (а) и его идеализированная передаточная характеристика. (б).

Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 1.4 б). Переключение схемы в состояние U – _вых_max происходит при достижении u_вх напряжения (порога) срабатывания U_СР, а возвращение в исходное состояние u_вых = U + _вых_max – при снижении u_вх до напряжения (порога) отпускания U_ОТП. Значения пороговых напряжений находят положив u_{= 0; схема, очевидно, обладает передаточной характеристикой с гистерезисом. Переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно под действием положительной обратной связи (ПОС). Действительно при превышении напряжением u_вх напряжения срабатывания U_ср выходное напряжение начнёт уменьшаться, так как u_вх подается по инверсному входу ОУ. Отрицательное приращение u_вых по цепи ПОС R₂, R₁ поступит на неинвертирующий вход ОУ, который его усилит, что приведёт к дополнительному уменьшению u_вых, т. е. появиться дополнительное отрицательное приращение u_вых, которое вновь уменьшит напряжение на неинвертирующем входе ОУ. Процесс идёт лавинообразно. Значения пороговых напряжений U_ср и U_отп находят по схеме, положив u_{= 0:}}

(1.1)

, (1.2)

Откуда ширина зоны гистерезиса

. (1.3)

Таким образом, U_ср и U_отп различны. Ширина гистерезиса U_Г растет с ростом отношения R₁/R₂. ПОС, как было показано, приводит к регенеративным процессам, тем самым ускоряет процессы переключения.

Возможна работа компаратора с ПОС при U_ОП = 0 (рис. 1.5 а). Данная схема является частным случаем предыдущей схемы (рис. 1.4 а). Передаточная характеристика такого компаратора становиться симметричной относительно оси ординат, т. е. смещается влево так, что

Рис. 1.5. Схема компаратора с положительной обратной связью и нулевым опорным напряжением (а), его передаточная характеристика (б).

Её пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 1.5 б) составляют:

U_СР = ,и, где.

Схема рис. 1.5 а служит основой при построении генератора импульсов на ОУ.

Компараторы и их применение, градиентные реле (8 схем)

Компаратор представляет собой устройство сравнения сигналов, своеобразные электрические весы. Если на один из входов компаратора (чашу весов) подать эталонный сигнал (положить гирьку), а на другой — подать контролируемый сигнал (положить груз неизвестной массы), на выходе устройства сигнал будет иметь значение 0 (или ипит) до тех пор, пока один сигнал «не перевесит» другой. После этого компаратор переключится: выходной сигнал сменит значение до 11пит (или 0, соответственно). На основе компараторов можно собрать множество релейных и иных схем, малая часть которых будет представлена ниже.

К градиентным реле (рис. 19.1 — 19.6) можно отнести устройства, реагирующие на скорость изменения контролируемого параметра. Такие реле используют для контроля меняющихся во времени величин [Рл 10/00-28].

Рис. 19.1

В исходном состоянии напряжения на входах компаратора равны. Градиентное реле находится в режиме ожидания сигнала. При изменении напряжения на делителе R1 — датчик на одном из входов компаратора напряжение изменяется мгновенно, на другом — изменение напряжения во времени происходит с задержкой, обусловленной наличием RC-цепочки (рис. 19.2 — 19.4). Для срабатывания компаратора достаточно, чтобы разница напряжений между его входами составила несколько мВ. Если считать, что заряд (или разряд) конденсатора происходит по линейному закону, то при изменении сопротивления датчика градиентное реле сработает в момент времени t1 (рис. 19.1). При дальнейшей стабилизации сопротивления датчика или возвращения его к исходному уровню на входах компаратора вновь устанавливается состояние равновесия, градиентное реле выключается.

Ниже приведены практические примеры применения градиентных реле.

Градиентное фотореле. Индикатор изменения освещенности (рис. 19.2) предназначен для использования в телевизионных охранных системах и не требует вмешательства в их работу. Чувствительным элементом индикатора является фотодиод VD3. Фотодиод направляют на участок телевизионного экрана, наиболее критичный к условиям охраны.

Рис. 19.2

При неизменной освещенности на телевизионном экране рабочая точка компаратора DA1 (К554САЗ) устанавливается автоматически: напряжение с делителя R1, VD3 через диоды VD1 и VD2 подается на входы компаратора DA1. В силу равенства этих напряжений чувствительность компаратора близка к предельной, и даже небольшая разность напряжений при изменении сопротивления фотодатчика (VD3) вызовет срабатывание исполнительного устройства (светодиод HL1, реле К1, управляющее системой тревожной сигнализации).

Если в поле контролируемого участка изображения появляется какой-либо объект, изменяется освещенность экрана, и, соответственно, ток через фотодиод. Это приведет к изменению напряжения на неинвертирующем входе (вывод 3) компаратора DA1. На инвертирующем же входе микросхемы (вывод 4) изменение напряжения во времени происходит с задержкой, обусловленной RC-цепочкой (R3C1). Схема может быть настроена для работы на понижение или повышение освещенности экрана подключением конденсатора С1 к тому или иному входу компаратора.

Градиентное фотореле можно использовать и в оптических охранных системах, а также для подсчета изделий на конвейере. При пересечении объектом светового луча устройство сработает.

Градиентное термореле (рис. 19.3) можно применять для пожарной, охранной сигнализации, реагирующей на изменение температуры при перемещении нагретого воздуха, человека или животного.

Рис. 19.3

Начальное сопротивление термодатчика, например, терморезистора типа ММТ-6, должно быть соизмеримо с сопротивлением R1 (верхним плечом делителя напряжения). Подключение нагрузки к компаратору DA1 (рис. 19.3) осуществляется в эмиттер-ную цепь выходного транзистора микросхемы, который управляет тиристором VS1 (КУ104Г). При срабатывании устройства тиристор отпирается, самоблокируется и включает нагрузку, например, реле К1. Нажатием на кнопку SB1 «Сброс» можно разблокировать тиристор и обесточить нагрузку.

Устройство реагирует на перемещение тела человека вблизи датчика или на дыхание на расстоянии до 50 см.

Градиентный индикатор электрического поля (рис. 19.4). При отсутствии постоянного электрического поля сопротивление датчика (полевого транзистора) минимально; напряжение на входах компаратора близко к напряжению питания. При появлении источника постоянного электрического поля сопротивление сток — исток полевого транзистора возрастает, напряжение на средней точке входного делителя уменьшается, и градиентное реле срабатывает.

Индикатор имеет высокую чувствительность: без антенны (антенна — вывод затвора полевого транзистора) реагирует на перемещение наэлектризованного предмета на расстоянии до 1,5 м.

Рис. 19.4

Рис. 19.5

Сенсорно-емкостное реле градиентного типа (рис. 19.5). Реле включается при касании сенсорного контакта (сенсорное реле) или срабатывает при приближении к антенне устройства (емкостное реле). Принцип действия устройств заключается в наведении переменного электрического тока частотой 50 Гц через тело человека на вход схемы.

В емкостном реле входная цепь представляет собой одну из обкладок развернутого в пространстве конденсатора, что обусловливает чувствительность к появлению в поле этого конденсатора токопроводящих объектов (человека, животных). Сенсорную площадку или антенну можно подключить к входу схемы через резистор (1…10 МОм) либо конденсатор (1 …50 пФ).

Сейсмореле и реле ударного срабатывания (рис. 19.6 цепь с и цепь Ь). Для реализации сейсмореле, реагирующего на микровибрации, к входу устройства (рис. 19.6 цепь с) через разделительный конденсатор подключают сейсмодатчик, например, СВ-10Ц, либо просто электродинамический капсюль телефона. Датчиком реле ударного срабатывания может служить пьезоке-рамический излучатель типа 3/7-3, ЗП-19 (рис. 19.6 цепь Ь). Устройство реагирует на легкое постукивание по столу, на котором расположены датчики. В качестве датчика можно использовать и пьезоэлектрический звукосниматель электропроигрывающего устройства. Для повышения чувствительности устройства кремниевые диоды следует заменить на германиевые.

Акустическое градиентное реле. К входу устройства (рис. 19.6 цепь с, рис. 19.7) подключают цепочку из конденсатора емкостью 0,1 мкФ и динамического микрофона, роль которого может выполнять телефонный капсюль. Устройство чувствительно к БЧ-составляющей звуковых сигналов.

рис. 19.6

Магниточувствительное реле градиентного типа может быть выполнено по схеме на рис. 19.3. В качестве датчика используют магниторезистор СМ-1. Датчиком переменного магнитного поля может служить и телефонный капсюль без мембраны или многовитковая катушка с железным сердечником. Датчик подключают к входу устройства (вместо терморезистора) через конденсатор емкостью свыше 10 мкФ. Реле сработает, если датчик поднести к источнику переменного магнитного поля (катушке электромагнита).

Рис. 19.7

Детектор ВЧ-сигналов — может быть выполнен по схеме (рис. 19.6 цепь а) с использованием диодов Д9Ж и подбором резистивных элементов R1 — R3 для установки рабочей точки на ВАХ диодов. Выбор рабочей точки на наиболее крутом участке этой характеристики обеспечит повышенную чувствительность детектора к 6Ч-сигналам: малое изменение напряжения на диоде вызовет заметное изменение тока через него. Чем больше начальный ток через диоды, тем выше чувствительность устройства. В то же время заметно возрастет потребляемый устройством ток.

ВЧ-сигнал подают на диоды через конденсатор емкостью 10… 100 пФ. Светодиод HL1 в цепи нагрузки начинает светиться при уровне входного сигнала 60… 100 мВ (частота свыше 200 кГц). В /-/Ч-диапазоне (несколько кГц) переходную емкость следует увеличить.

При использовании соответствующих датчиков на основе градиентных реле могут быть собраны реле влажности, изменения атмосферного давления и др. устройства.

Преобразовать, например, изменение атмосферного давления в изменение электрического сопротивления можно с использованием запаянного сильфона. Это металлическая тонкостенная гофрированная камера, сопряженная с движком потенциометра. Изменение атмосферного давления вызовет изменение объема сильфона и изменение его размеров с последующим перемещением движка потенциометра. В более простых по механике конструкциях на сильфон может быть наклеен тензорезистор или закреплен вывод специального полупроводникового прибора (ге-дистора), сопротивление которого изменяется при деформации.

Компараторы часто используют для преобразования «аналогового» сигнала в «цифровой»: сигнал любой формы на входе преобразуется на выходе в сигнал прямоугольной формы.

Преобразователи амплитуды входного сигнала в ширину выходного импульса (рис. 19.8, 19.9) используют в измерительной технике, импульсных блоках питания, цифровых усилителях [Рл 5/00-29].

Рис. 19.8

Рис. 19.9

При подаче на устройство входного сигнала синусоидальной или иной формы с увеличением амплитуды, начиная с некоторого порогового значения, на выходе устройства сформируются прямоугольные импульсы, ширина которых будет зависеть от амплитуды входного сигнала. Схемы не требуют настройки, установки порогов. Полоса рабочих частот определяется емкостью конденсаторов С1 и С2. Устройства на рис. 19.8 и 19.9 отличаются способом подключения входов компаратора и, соответственно, «полярностью» выходных сигналов.

Для германиевых диодов пороговое напряжение начала работы преобразователей в полосе частот 5…200 кГц составляет 80…90 мВ, для кремниевых — 250…270 мВ. Максимальная амплитуда входного сигнала — в пределах 2…2,5 В.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Инвертор, преобразователь напряжения, частотный преобразователь

Преобразователь частоты

Сделать заказ прямо сейчас!

Контакты для заказов частотного преобразователя:
+38 050 4571330
[email protected]

Вы можете оставить свой телефон, нажав на кнопку:
ПЕРЕЗВОНИТЕ МНЕ

Внимание! Налажено мелко серийное производство частотных преобразователей 7,5кВт 220 в 380В, отличительные особенности частотников 7,5 кВт:
— работа с любым однофазным напряжением от 100В
— кратковременная работа с больше нагрузкой(как на видео ниже)
Цена — 9900грн.
Видео испытаний на примере с нагрузкой до 11кВт:

Преобразователь сетевого напряжения 220В в трехфазное напряжение для питания трехфазных двигателей. Или три фазы в доме. Регулятор оборотов электродвигателей.

Гарантия завода изготовителя 2 года. Производитель — Украина, г. Днепропетровск. Почему стоит покупать этот частотник, а не другие, скажем, китайские, американские или японские аналоги? Ответ: цена — на порядок дешевле известных аналогов (это, конечно, не основной параметр, но почему-то решающий), надежность, в случае чего (зарекаться нельзя) ремонт производится в течении трех дней, простой в управлении и настройке. Консультант технической поддержки ответит на все Ваши вопросы.

Мощность выпускаемых приборов: 0,25кВт; 0,37кВт; 1кВт; 1,5кВт; 2,2кВт; 3,3кВт; 7,5кВт.

Цены на преобразователи частоты(03.03.15г.):
Модель Мощность Цена
Модель Мощность Цена
CFM110 0.25кВт 2300грн
CFM110 0.37кВт 2400грн
CFM110 0.55кВт 2500грн
CFM210 1,0 кВт 3200грн
CFM210 1,5 кВт 3400грн
CFM210 2,2 кВт 4000грн
CFM210 3,3 кВт 4300грн
AMF310 7,5 кВт 9900грн.

Вы можете оставить свой телефон, нажав на кнопку:
ПЕРЕЗВОНИТЕ МНЕ

На все частотники можно сделать выносной пульт управления, стоимость — 150грн с 3-5м шнуром.

Цены на частотные преобразователи с питанием от ~380В (три фазы вход — три фазы выход):

Модель Мощность ВхШхГ, мм Масса Цена, грн
CFM310 4.0 кВт 280х152х143 3,9 6800
CFM310 5.5 кВт 280х152х143 4,1 7500
CFM310 7.5 кВт 280х152х143 4,2 8500

Контакты для заказов:
+38 050 4571330
[email protected]

Возможна бестаможенная доставка по СНГ в страны ТС — Россия, Белоруссия, Казахстан

Видео частотника с выносным пультом управления:

Компараторы — узлы электронных схем

Компараторы и их применение, градиентные реле (8 схем)

0 6953 0

Пороговые устройства на элементах цифровой логики

Пороговые устройства, называемые также компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию. Например, на выходе порогового элемента формируется сигнал какого-либо логического уровня, если входной аналоговый сигнал по своему значению меньше…

0 6214 0

Схема компаратора напряжения

Светодиод в этой схеме включается, когда входное напряжение на выводе 5 микросхемы LM339 становится ниже опорного напряжения на выводе …

0 3257 0

Схема регулируемого компаратора

Положение движка потенциометра R2 определяет уровень напряжения, при котором данный компаратор переключится в другое состояние. Выходной сигнал может быть использован для управления любыми устройствами, где нужен именно сигнал компаратора, в пределах …

0 2994 0

Быстродейтсвующий ТТЛ-совместимый компаратор

Микросхему HFA1130 компании Harris Semiconductor можно с успехом использовать в качестве компаратора. На схеме показан инвертирующий компаратор с ТТЛ-совместимыми уровнями выходного сигнала и временем срабатывания 2 не. Он построен на базе HFA1130 …

0 2407 0

Компаратор напряжения на четыре уровня

Предлагаемую 4-уровневую пороговую схему можно использовать в качестве вольтметра с линейной шкалой. Необходимо только выставить каждый потенциометр (R5 — R8) на выбранные значения напряжений срабатывания …

0 2922 0

Схема двухпорогового компаратора

Этот двухпороговый компаратор определяет, находится ли напряжение между двумя пределами — верхним и нижним. Используя цифровой вольтметр, надо выставить оба опорных напряжения на одно и то же значение в нужном диапазоне. Затем следует изменить один из опорных …

1 4299 3

Схема компаратора на два напряжения

Этот компаратор можно использовать для контроля за аккумуляторной батареей во время ее заряда. Схема позволяет фиксировать и недостаточный заряд по малому напряжению на батарее, и повышенное напряжение на ней. Потенциометрами R3 и R4 можно выставить уровни …

0 3183 0

Радиодетали, электронные блоки и игрушки из китая:

операционных усилителей, схема компаратора | Renesas

Введение в электронные схемы: 3 из 3

На этом занятии мы рассмотрим операционные усилители (операционные усилители) и их использование в усилителях и компараторах.

Операционные усилители: универсальные ИС для множества приложений

Операционный усилитель работает на аналоговом входе. Его можно использовать для усиления или ослабления этого входа, а также для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование.Из-за широкого диапазона применения операционные усилители встречаются в большинстве электрических цепей.

Типичный операционный усилитель, показанный на рисунке 1, оснащен неинвертирующим входом (Vin (+)), инвертирующим входом (Vin (-)) и выходом (Vout). Хотя это не показано на схеме, операционный усилитель также имеет два входа питания (положительный и отрицательный), а также может включать в себя вход смещения и другие клеммы.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Основная функция операционного усилителя заключается в значительном усилении разницы между двумя входами и выходе результата.Если вход на V (+) больше, чем на V (-), операционный усилитель будет усиливать и выводить положительный сигнал; если V (-) больше, операционный усилитель выдает усиленный отрицательный сигнал. Две другие особенности типичного операционного усилителя: (а) входное сопротивление чрезвычайно велико и (б) выходное сопротивление чрезвычайно низкое.

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя настолько велик, даже небольшие различия на входах быстро приведут выходное напряжение к максимальному или минимальному значению. По этой причине операционные усилители обычно подключаются к отрицательной обратной связи.Давайте посмотрим на пример.

Основы операционного усилителя

(1): схема инвертирующего усилителя

Схема, показанная на рис. 2, усиливает и инвертирует (меняет фазу) входной сигнал и выводит результат. В схеме используется отрицательная обратная связь: часть выходного сигнала инвертируется и возвращается на вход. В этом примере обратная связь возникает из-за того, что выход Vout подключен через резистор R2 к инвертирующему входу (-).

Давайте посмотрим, как работает эта схема.Если выход не подключен к напряжению питания, тогда напряжения, подаваемые на инвертирующий (-) и неинвертирующий (+) входы, равны; два входа действуют так, как будто закорочены вместе; мы можем представить себе воображаемую короткую. Поскольку разница напряжений между этим воображаемым коротким замыканием и неинвертирующим входом составляет 0 В, точка A также будет иметь значение 0 В. Тогда по закону Ома I ₁ = Vin / R ₁.

Рисунок 2: Схема инвертирующего усилителя

Поскольку операционные усилители имеют чрезвычайно высокий входной импеданс, ток на инвертирующий вход практически отсутствует (-).Соответственно, I ₁ протекает через точку A и R ₂; это означает, что I ₁ и I ₂ практически равны. Тогда по закону Ома Vout = −I ₁ × R ₂, где I ₁ отрицательно, потому что I ₂ течет из точки A, где напряжение равно 0. Рассмотрим это с другой стороны. : любая попытка поднять входное напряжение на инвертирующем входе (-) создает инвертированное и сильно усиленное выходное напряжение, которое течет в обратном направлении, проходит через R ₂ и подключается к инвертированной входной клемме (-), тем самым подавляя рост напряжения на этом Терминал.Система стабилизируется при выходном напряжении, которое доводит напряжение на инвертирующем входе (-) до 0 В, что эквивалентно напряжению на неинвертирующем входе.

Далее, давайте посмотрим, как мы можем использовать взаимосвязь между входом и выходом, чтобы найти коэффициент усиления операционного усилителя. В частности, Vout / Vin = (−I ₁ × R ₂) / (I ₁ × R ₁) = −R ₂ / R ₁. Коэффициент усиления отрицательный, потому что фаза выходного сигнала противоположна фазе входного сигнала.

Важно отметить, что в приведенном выше уравнении коэффициент усиления полностью определяется соотношением сопротивлений R ₂ и R ₁. Соответственно, вы можете изменить усиление, просто изменив сопротивления. Таким образом, хотя сам операционный усилитель имеет высокое усиление, соответствующее использование отрицательной обратной связи может снизить фактическое усиление до желаемого уровня.

Основы операционного усилителя

(2): Схема неинвертирующего усилителя

В предыдущем разделе мы видели, как операционный усилитель можно использовать для реализации инвертирующего усилителя.На рисунке 3 показано, как мы можем использовать его для создания неинвертирующего усилителя. Неинвертирующий усилитель отличается от инвертирующего по двум основным направлениям: (1) форма выходного сигнала находится в фазе с формой входного сигнала, и (2) входной сигнал поступает на неинвертирующий входной терминал (+). Но обратите внимание, что как неинвертирующие, так и инвертирующие схемы используют отрицательную обратную связь.

Так как же работает эта схема? У нас все еще есть воображаемое короткое замыкание, что означает, что неинвертирующий (+) и инвертирующий (-) входы находятся под напряжением Vin.Таким образом, точка A также находится в Vin. Закон Ома говорит нам, что напряжение на R ₁ составляет Vin = R ₁ × I ₁. А поскольку на любой из входов операционного усилителя по существу нет тока, отсюда следует, что I ₁ = I ₂. А поскольку Vout — это сумма напряжений при ₁ R и ₂ R, мы знаем, что Vout = R ₂ × I ₂ + R ₁ × I ₁. Мы можем изменить эти выражения, чтобы найти коэффициент усиления G следующим образом: G = Vout / Vin = (1 + R ₂ / R ₁)

Рисунок 3: Схема неинвертирующего усилителя

Поскольку этот усилитель сохраняет фазу, он часто используется в приложениях, где важно учитывать фазу.

Также обратите внимание, что если R ₁ удаляется из схемы, а резистор R ₂ установлен на 0 Ом (или закорочен), схема становится повторителем напряжения с коэффициентом усиления 1. Этот тип схемы часто используется при буферизации. схемы и схемы преобразования импеданса.

Схема компаратора

Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне; VDD на иллюстрации), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше.Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализуется с использованием специальной микросхемы компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. На схемах компараторов и схемах операционных усилителей используются одни и те же символы.

На рисунке 4 показана схема компаратора. Прежде всего обратите внимание, что схема не использует обратную связь. Схема усиливает разницу напряжений между Vin и VREF и выводит результат на Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout поднимется до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне.Если Vin ниже, чем VREF, то Vout упадет до своего отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

На практике эту схему можно улучшить, включив диапазон напряжения гистерезиса, чтобы снизить ее чувствительность к шуму. Например, схема, показанная на рис. 5, будет обеспечивать стабильную работу, даже когда сигнал Vin несколько зашумлен.

Рисунок 4: Схема компаратора

Рисунок 5: Схема компаратора с гистерезисом

Цепь осциллятора с использованием положительной обратной связи

Обратная связь — это возврат части выхода схемы обратно на вход схемы с целью некоторого регулирования схемы.При отрицательной обратной связи более высокая обратная связь снижает выходной сигнал схемы. При положительной обратной связи, как в примере здесь, более высокий выход увеличивает выход. Когда положительная обратная связь включена в схему с положительным усилением, схема становится генератором.

Существует множество типов схем генератора. На рисунке 6 показан пример нестабильного мультивибраторного генератора.

Рисунок 6: Схема нестабильного мультивибратора

Эта цепь называется нестабильной, потому что она нестабильна при обоих максимальных напряжениях, напряжении V _L на положительной стороне и -V _L на отрицательной стороне, и будет колебаться между этими двумя уровнями.Давайте посмотрим, как работает эта схема. Во-первых, обратите внимание, что выход Vout проходит через R ₂ и обратно на неинвертирующий вывод операционного усилителя (+), образуя цепь положительной обратной связи. Отметим также, что Vout, R ₃ и C содержат схему интегратора RC; или, другими словами, часть напряжения на Vout будет постепенно заряжать конденсатор.

Вначале цепь обратной связи быстро приводит Vout к максимальному положительному выходу (равному V _L).Но схема интегратора R3 (R ₃ и C) постепенно увеличивает напряжение на инвертирующей входной клемме (-), пока через определенное время это напряжение не станет выше, чем напряжение на неинвертирующей входной клемме (+). Когда это происходит, отрицательное напряжение поступает на дифференциальный вход, быстро понижая Vout до максимума на отрицательной стороне (-V _L).

Теперь, когда Vout находится на отрицательной стороне, схема интегратора R ₃ начинает постепенно повышать отрицательное напряжение на инвертирующей клемме (-).И снова через определенное время это отрицательное напряжение становится больше, чем напряжение на неинвертирующем выводе (+), вызывая ввод положительного напряжения на дифференциальный вход, который быстро подталкивает Vout обратно к его положительному максимуму ( V _L). Эта последовательность продолжает повторяться, заставляя Vout колебаться вверх и вниз между V _L и — V _L.

Это третья и последняя сессия нашего обзора основных электронных схем. Мы надеемся, что этот обзор был полезен, даже несмотря на то, что мы признаем, что объем был весьма ограничен.В следующий раз мы начнем изучение цифровых схем. Надеемся на ваше дальнейшее участие.

Список модулей

Пассивные элементы
Диоды, транзисторы и полевые транзисторы
Операционные усилители, схема компаратора

Компаратор

ОУ и схема компаратора ОУ

Компаратор на операционном усилителе сравнивает один аналоговый уровень напряжения с другим аналоговым уровнем напряжения или некоторым предварительно установленным опорным напряжением V _REF и выдает выходной сигнал на основе этого сравнения напряжений.Другими словами, компаратор напряжения на операционном усилителе сравнивает значения двух входов напряжения и определяет, какое из двух является наибольшим.

В предыдущих руководствах мы видели, что операционный усилитель можно использовать с отрицательной обратной связью для управления величиной его выходного сигнала в линейной области, выполняя множество различных функций. Мы также видели, что стандартный операционный усилитель характеризуется коэффициентом усиления разомкнутого контура A _O и что его выходное напряжение определяется выражением: V _OUT = A _O (V + — V-), где V + и V- соответствуют напряжениям на неинвертирующей и инвертирующей клеммах соответственно.

Компараторы напряжения , с другой стороны, либо используют положительную обратную связь, либо вообще не используют обратную связь (режим разомкнутого контура) для переключения своего выхода между двумя состояниями насыщения, потому что в режиме разомкнутого контура усиление напряжения усилителей в основном равно A. _ВО. Затем из-за этого высокого коэффициента усиления разомкнутого контура выходной сигнал компаратора либо полностью переключается на его положительную шину питания, + Vcc, либо полностью на его отрицательную шину питания, -Vcc при приложении переменного входного сигнала, который проходит некоторое заданное пороговое значение.

Компаратор операционного усилителя с разомкнутым контуром представляет собой аналоговую схему, которая работает в своей нелинейной области, поскольку изменения на двух аналоговых входах, V + и V-, заставляют ее вести себя как цифровое бистабильное устройство , поскольку запуск заставляет его два возможных состояния вывода, + Vcc или -Vcc. Тогда мы можем сказать, что компаратор напряжения — это, по сути, 1-битный аналого-цифровой преобразователь, поскольку входной сигнал является аналоговым, а выход ведет себя в цифровом виде.

Рассмотрим базовую схему компаратора напряжения на операционном усилителе ниже.

Схема компаратора ОУ

Что касается схемы компаратора операционного усилителя, приведенной выше, давайте сначала предположим, что V _IN меньше, чем уровень напряжения постоянного тока при V _REF, (V _IN REF ). Поскольку неинвертирующий (положительный) вход компаратора меньше, чем инвертирующий (отрицательный) вход, выход будет НИЗКОМ, а при отрицательном напряжении питания -Vcc, что приведет к отрицательному насыщению выхода.

Если теперь мы увеличим входное напряжение V _IN так, чтобы его значение было больше, чем опорное напряжение V _REF на инвертирующем входе, выходное напряжение быстро переключится на ВЫСОКОЕ в сторону положительного напряжения питания + Vcc, что приведет к положительному насыщенность вывода.Если мы снова уменьшим входное напряжение V _IN так, чтобы оно было немного меньше опорного напряжения, выход операционного усилителя снова переключится на свое отрицательное напряжение насыщения, действующее как пороговый детектор.

Тогда мы можем видеть, что компаратор напряжения операционного усилителя — это устройство, выход которого зависит от значения входного напряжения, V _IN относительно некоторого уровня напряжения постоянного тока, поскольку выход ВЫСОКИЙ, когда напряжение на не- инвертирующий вход больше, чем напряжение на инвертирующем входе, и НИЗКИЙ, когда неинвертирующий вход меньше, чем инвертирующее входное напряжение.Это условие выполняется независимо от того, подключен ли входной сигнал к инвертирующему или неинвертирующему входу компаратора.

Мы также можем видеть, что значение выходного напряжения полностью зависит от напряжения источника питания операционного усилителя. Теоретически из-за высокого коэффициента усиления в разомкнутом контуре операционного усилителя величина его выходного напряжения может быть бесконечной в обоих направлениях (± ∞). Однако практически и по очевидным причинам он ограничен шинами питания операционных усилителей, дающими V _OUT = + Vcc или V _OUT = -Vcc.

Ранее мы говорили, что базовый компаратор операционного усилителя выдает положительное или отрицательное выходное напряжение, сравнивая свое входное напряжение с некоторым заданным опорным напряжением постоянного тока. Обычно для установки входного опорного напряжения компаратора используется резистивный делитель напряжения, но можно использовать аккумуляторный источник, стабилитрон или потенциометр для переменного опорного напряжения, как показано.

Эталонные напряжения компаратора

Теоретически опорное напряжение компаратора может быть установлено в диапазоне от 0 В до напряжения питания, но существуют практические ограничения на фактический диапазон напряжения в зависимости от используемого компаратора операционного усилителя.

Компараторы положительного и отрицательного напряжения

Базовая схема компаратора операционного усилителя может использоваться для обнаружения как положительного, так и отрицательного входного напряжения в зависимости от того, к какому входу операционного усилителя мы подключаем источник фиксированного опорного напряжения, а также входное напряжение. В приведенных выше примерах мы использовали инвертирующий вход для установки опорного напряжения с входным напряжением, подключенным к неинвертирующему входу.

Но в равной степени мы могли бы подключить входы компаратора и наоборот, инвертируя выходной сигнал, как показано выше.Затем компаратор операционного усилителя может быть настроен для работы в так называемой инвертирующей или неинвертирующей конфигурации.

Компаратор положительного напряжения

Базовая конфигурация компаратора положительного напряжения, также известная как схема неинвертирующего компаратора, обнаруживает, когда входной сигнал, V _IN, ВЫШЕ или более положительный, чем опорное напряжение, V _REF, создавая выход на V _OUT, который ВЫСОКИЙ, как показано.

Цепь неинвертирующего компаратора

В этой неинвертирующей конфигурации опорное напряжение подключено к инвертирующему входу операционного усилителя, а входной сигнал подключен к неинвертирующему входу.Чтобы не усложнять задачу, мы предположили, что два резистора, образующие цепь делителя потенциала, равны и: R1 = R2 = R. Это создаст фиксированное опорное напряжение, которое вдвое меньше напряжения питания, то есть Vcc / 2, в то время как входное напряжение изменяется от нуля до напряжения питания.

Когда V _IN больше, чем V _REF, выход компаратора операционного усилителя будет насыщаться в направлении положительной шины питания, Vcc. Когда V _IN меньше, чем V _REF, выход компаратора ОУ изменит состояние и перейдет в насыщение на отрицательной шине питания, 0 В, как показано.

Компаратор отрицательного напряжения

Базовая конфигурация компаратора отрицательного напряжения, также известного как схема инвертирующего компаратора, обнаруживает, когда входной сигнал, V _IN, НИЖЕ или более отрицательный, чем опорное напряжение, V _REF, создавая выходной сигнал на V _OUT, который ВЫСОКИЙ, как показано.

Цепь инвертирующего компаратора

В инвертирующей конфигурации, которая противоположна положительной конфигурации, описанной выше, опорное напряжение подключается к неинвертирующему входу операционного усилителя, в то время как входной сигнал подключается к инвертирующему входу.Затем, когда V _IN меньше, чем V _REF, выход компараторов ОУ будет насыщаться в направлении положительной шины питания, Vcc.

Точно так же верно и обратное, когда V _IN больше, чем V _REF, выход компаратора операционного усилителя изменит состояние и будет насыщаться в направлении отрицательной шины питания, 0 В.

Затем, в зависимости от того, какие входы операционного усилителя мы используем для сигнала и опорного напряжения, мы можем создать инвертирующий или неинвертирующий выход.Мы можем продвинуть идею обнаружения либо отрицательного, либо положительного сигнала на один шаг дальше, объединив две схемы компаратора операционного усилителя, описанные выше, для создания схемы оконного компаратора.

Оконный компаратор

A Window Comparator — это в основном инвертирующий и неинвертирующий компараторы, указанные выше, объединенные в один каскад компаратора. Оконный компаратор обнаруживает уровни входного напряжения, которые находятся в пределах определенного диапазона или окна напряжений, вместо того, чтобы указывать, больше или меньше напряжение, чем некоторая предварительно установленная или фиксированная контрольная точка напряжения.

На этот раз вместо одного значения опорного напряжения оконный компаратор будет иметь два опорных напряжения, реализованных парой компараторов напряжения. Один, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении некоторого верхнего порога напряжения, V _{REF (UPPER)}, и другой, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении более низкого порогового уровня напряжения, V _{REF (LOWER)}. Тогда уровни напряжения между этими двумя верхним и нижним эталонными напряжениями называются «окном», отсюда и его название.

Используя нашу идею выше о сети делителя напряжения, если мы теперь используем три резистора равного номинала, так что R1 = R2 = R3 = R, мы можем создать очень простую схему оконного компаратора, как показано. Кроме того, поскольку все резистивные значения равны, падение напряжения на каждом резисторе также будет равно 1/3 напряжения питания, 1 / 3Vcc. Поэтому для простоты в этом простом примере оконного компаратора мы можем установить верхнее опорное напряжение на 2 / 3Vcc, а нижнее опорное напряжение на 1 / 3Vcc.

Рассмотрим схему оконного компаратора ниже.

Цепь оконного компаратора

Исходным условием переключения схемы является выход с открытым коллектором операционного усилителя A ₁ «ВЫКЛ.» С выходом с открытым коллектором операционного усилителя A ₂, «ВКЛ» (втекающий ток), поэтому V _OUT равен 0В.

Когда V _IN ниже нижнего уровня напряжения, V _{REF (LOWER)}, что соответствует 1 / 3Vcc, V _OUT будет LOW. Когда V _IN превышает этот нижний уровень напряжения на 1/3 В постоянного тока, первый компаратор операционного усилителя обнаруживает это и переключает свой выход с открытым коллектором на ВЫСОКИЙ уровень.Это означает, что оба операционных усилителя одновременно имеют ВЫСОКИЙ выход. Ток не течет через подтягивающий резистор R _L, поэтому V _OUT равно Vcc.

Поскольку V _IN продолжает увеличиваться, он проходит верхний уровень напряжения, V _{REF (UPPER)} при 2 / 3Vcc. В этот момент второй компаратор операционного усилителя обнаруживает это и переключает свой выход LOW, и V _OUT становится равным 0 В.

Затем разница между V _{REF (UPPER)} и V _{REF (LOWER)} (которая в данном примере составляет 2 / 3Vccc — 1 / 3Vcc) создает окно переключения для положительного сигнала.

Предположим теперь, что V _IN имеет максимальное значение и равно Vcc. Когда V _IN уменьшается, он проходит верхний уровень напряжения V _{REF (UPPER)} второго компаратора операционного усилителя, который переключает выход HIGH. Поскольку V _IN продолжает уменьшаться, он проходит более низкий уровень напряжения V _{REF (LOWER)} первого компаратора операционного усилителя, снова переключающий выходной сигнал LOW.

Затем разница между V _{REF (UPPER)} и V _{REF (LOWER)} создает окно для отрицательного сигнала.Таким образом, мы можем видеть, что когда V _IN проходит выше или ниже верхнего и нижнего опорных уровней, установленных двумя компараторами операционных усилителей, выходной сигнал V _OUT будет ВЫСОКИМ или НИЗКИМ.

В этом простом примере мы установили верхний уровень срабатывания на 2 / 3Vcc и нижний уровень срабатывания на 1 / 3Vcc (потому что мы использовали три резистора равного номинала), но могут быть любые значения, которые мы выбираем, регулируя входные пороги. В результате ширину окна можно настроить для конкретного приложения.

Если бы мы использовали двойной источник питания и установили верхний и нижний уровни срабатывания, скажем, на ± 10 вольт, а V _IN был синусоидальной формой волны, то мы могли бы использовать эту схему оконного компаратора в качестве детектора пересечения нуля синусоидальной волны, которая генерировать выходной сигнал, ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ, каждый раз, когда синусоидальная волна пересекает линию нулевого напряжения от положительного к отрицательному или от отрицательного к положительному.

Мы можем продолжить эту идею определения уровней напряжения, соединив несколько разных компараторов операционных усилителей вместе с ними, используя общий входной сигнал, но с каждым компаратором, использующим другое опорное напряжение, установленное нашей теперь знакомой сетью делителей напряжения через поставлять.Рассмотрим схему детектора уровня напряжения ниже.

Детектор уровня напряжения компаратора

Как и выше, схема делителя напряжения обеспечивает набор опорных напряжений для отдельных схем компаратора операционных усилителей. Для создания четырех опорных напряжений потребуется пять резисторов. Переход в нижней паре резисторов будет производить опорное напряжение, которое составляет одну пятую напряжения питания, 1 / 5Vcc, при использовании резисторов равного номинала. Вторая пара 2 / 5Vcc, третья пара 3 / 5Vcc и так далее, при этом эти опорные напряжения увеличиваются на фиксированную величину на одну пятую (1/5) до 5 / 5Vcc, что на самом деле является Vcc.

По мере увеличения общего входного напряжения выход каждой схемы компаратора операционного усилителя переключается по очереди, тем самым выключая подключенный светодиод, начиная с нижнего компаратора, A ₄ и далее в направлении A ₁ по мере увеличения входного напряжения. Таким образом, установив значения резисторов в сети делителя напряжения, компараторы могут быть настроены на обнаружение любого уровня напряжения. Одним из хороших примеров использования обнаружения и индикации уровня напряжения может быть монитор состояния батареи, когда светодиоды меняются местами и подключаются к 0 В (земля) вместо V _CC.

Также, увеличивая количество компараторов операционных усилителей в наборе, можно создать больше точек запуска. Так, например, если бы у нас было восемь компараторов операционных усилителей в цепи и подавали бы выход каждого компаратора на цифровой кодировщик с 8 в 3 строки, мы могли бы сделать очень простой аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует аналоговый входной сигнал в 3-битный двоичный код (от 0 до 7).

Компаратор операционного усилителя с положительной обратной связью

Здесь мы видели, что операционные усилители могут быть сконфигурированы для работы в качестве компараторов в их режиме разомкнутого контура, и это нормально, если входной сигнал изменяется быстро или не слишком шумный.Однако, если входной сигнал V _IN изменяется медленно или присутствует электрический шум, то компаратор операционного усилителя может колебаться, переключая свой выход назад и вперед между двумя состояниями насыщения, + Vcc и -Vcc, когда входной сигнал колеблется. около опорного напряжения, В _REF уровень. Один из способов решить эту проблему и избежать колебаний операционного усилителя — обеспечить положительную обратную связь вокруг компаратора.

Как следует из названия, положительная обратная связь — это метод передачи части или части выходного сигнала, который находится в фазе на неинвертирующий вход операционного усилителя, через делитель потенциала, установленный двумя резисторами с количество обратной связи пропорционально их соотношению.

Использование положительной обратной связи вокруг компаратора операционного усилителя означает, что как только выход переходит в режим насыщения на любом уровне, должно произойти значительное изменение входного сигнала V _IN, прежде чем выход переключится обратно в исходную точку насыщения. Эта разница между двумя точками переключения называется гистерезисом , создавая то, что обычно называют схемой триггера Шмитта. Рассмотрим схему инвертирующего компаратора ниже.

Инвертирующий компаратор ОУ с гистерезисом

Для схемы инвертирующего компаратора выше, V _IN подается на инвертирующий вход операционного усилителя.Резисторы R ₁ и R ₂ образуют сеть делителей напряжения на компараторе, обеспечивая положительную обратную связь, при этом часть выходного напряжения появляется на неинвертирующем входе. Величина обратной связи для неинвертирующего входа определяется соотношением сопротивлений двух используемых резисторов и определяется как:

Уравнение делителя напряжения

Где: β (бета) может использоваться для обозначения доли обратной связи.

Когда входной сигнал меньше опорного напряжения, V _IN REF , выходное напряжение будет ВЫСОКИМ, V _OH и равным положительному напряжению насыщения.Поскольку выход ВЫСОКИЙ и положительный, значение опорного напряжения на неинвертирующем входе будет примерно равно: + β * V, называемое верхней точкой срабатывания или UTP.

По мере увеличения входного сигнала V _IN оно также становится равным этому верхнему напряжению точки срабатывания, V _UTP уровню на неинвертирующем входе. Это приводит к тому, что выход компаратора изменяет состояние на НИЗКОЕ, V _OL и равное отрицательному напряжению насыщения, как и раньше.

Но разница на этот раз в том, что создается значение напряжения второй точки срабатывания, потому что теперь на неинвертирующем входе появляется отрицательное напряжение, которое равно: -β * V в результате отрицательного напряжения насыщения на выходе.Затем входной сигнал должен упасть ниже этого второго уровня напряжения, называемого нижней точкой срабатывания или LTP, чтобы выход компараторов напряжения изменился или переключился обратно в исходное положительное состояние.

Итак, мы можем видеть, что когда выход меняет состояние, опорное напряжение на неинвертирующем входе также изменяется, создавая два разных значения опорного напряжения и две разные точки переключения. Одна точка называется верхней точкой срабатывания (UTP), а другая — нижней точкой срабатывания (LTP).Разница между этими двумя точками срабатывания известна как Гистерезис .

Величина гистерезиса определяется долей обратной связи β выходного напряжения, возвращаемого на неинвертирующий вход. Преимущество положительной обратной связи состоит в том, что результирующая схема триггера Шмитта компаратора невосприимчива к беспорядочным запускам, вызванным шумом или медленно изменяющимися входными сигналами в пределах диапазона гистерезиса, создавая более чистый выходной сигнал, поскольку выход компаратора операционного усилителя запускается только один раз.

Таким образом, для положительных выходных напряжений V _REF = + β * Vcc, а для отрицательных выходных напряжений V _REF = -β * Vcc. Тогда мы можем сказать, что величина гистерезиса напряжения будет представлена как:

Мы также можем изготовить схему компаратора неинвертирующего операционного усилителя со встроенным гистерезисом, изменив входные и опорные клеммы, как показано:

Компаратор с неинвертирующим операционным усилителем с гистерезисом

Обратите внимание, что стрелки на графике гистерезиса указывают направление переключения в верхней и нижней точках срабатывания.

Пример компаратора №1

Для создания схемы триггера Шмитта должен использоваться операционный усилитель с положительной обратной связью. Если резистор R ₁ = 10 кОм и резистор R ₂ = 90 кОм, каковы будут значения верхней и нижней точки переключения опорного напряжения и ширина гистерезиса, если операционный усилитель подключен к двойной источник питания ± 10 В.

Дано: R ₁ = 10 кОм, R ₂ = 90 кОм. Источник питания + Vcc = 10 В и -Vcc = 10 В.

Доля обратной связи:

Точка отключения по максимальному напряжению, В _UTP

Точка отключения по нижнему напряжению, В _LTP

Ширина гистерезиса:

Затем опорное напряжение V _REF переключается между + 1 В и -1 В по мере того, как выход насыщается от одного уровня к другому. Надеюсь, из этого простого примера мы увидим, что ширину этого гистерезиса, всего 2 В, можно увеличить или уменьшить, просто отрегулировав коэффициент делителя напряжения резисторов обратной связи R ₁ и R ₂.

Компаратор напряжения

Хотя мы можем использовать операционные усилители, такие как 741, в качестве базовой схемы компаратора, проблема заключается в том, что операционные усилители оптимизированы только для линейной работы. Именно здесь входные клеммы имеют практически одинаковый уровень напряжения, а его выходной каскад предназначен для создания линейного выходного напряжения, которое не является насыщенным в течение длительных периодов времени. Также стандартные операционные усилители предназначены для использования в приложениях с обратной связью с отрицательной обратной связью от выхода к инвертирующему входу.

С другой стороны, специализированный компаратор напряжения — это нелинейное устройство, которое допускает сильное насыщение из-за своего очень высокого усиления, когда входные сигналы отличаются на относительно небольшую величину. Разница между компаратором операционного усилителя и компаратором напряжения заключается в выходном каскаде, поскольку стандартный операционный усилитель имеет выходной каскад, оптимизированный для линейной работы, в то время как выходной каскад компаратора напряжения оптимизирован для непрерывной работы в режиме насыщения, поскольку он всегда должен быть рядом с одной или другой шиной питания, а не между ними.

Коммерческие компараторы, такие как одиночный компаратор LM311, квадрупольный компаратор LM339 или двойной дифференциальный компаратор LM393, представляют собой компараторы напряжения, которые поставляются в стандартном корпусе IC, работающем от одинарного или двойного источника питания. Эти специализированные компараторы напряжения разработаны с единственной целью — очень быстро переключать выход из одного насыщенного состояния в другое, поскольку транзисторы, используемые для выходного каскада компараторов напряжения, обычно являются переключающими транзисторами.

Поскольку компараторы напряжения преобразуют линейный входной сигнал в цифровой выходной сигнал, они обычно используются для соединения двух разнородных электрических сигналов с разными питающими или опорными напряжениями.В результате выходной каскад компаратора напряжения обычно конфигурируется как одиночный транзисторный переключатель с открытым коллектором (или стоком) с открытым или закрытым состояниями, а не с фактическими выходными напряжениями, как показано.

Цепь компаратора напряжения

Здесь выход с открытым коллектором компаратора напряжения подключен к источнику напряжения через единственный подтягивающий резистор (и светодиод для индикации), который подтягивает единственный выход к источнику питания. Когда выходной переключатель находится в положении ВЫСОКИЙ, он создает путь с высоким импедансом, поэтому ток не течет, поскольку V _OUT = Vcc.

Когда компаратор меняет состояние и выходной переключатель находится в НИЗКОМ состоянии, он создает путь с низким импедансом к земле, и ток течет через подтягивающий резистор (и светодиод), вызывая падение напряжения на самом себе, при этом выход подтягивается к более низкому уровню питания. , земля в этом случае.

Тогда мы видим, что между схематическим обозначением компаратора операционного усилителя и компаратора напряжения или их внутренними цепями очень мало различий. Основное отличие заключается в том, что выходной каскад с открытым коллектором или конфигурацией стока полезен для управления реле, лампами и т. Д.Путем управления транзистором с выхода обеспечивается большая пропускная способность по току переключения, чем у выхода одного компаратора.

Обзор компаратора ОУ

В этом руководстве по компаратору Op-amp Comparator мы увидели, что схема компаратора в основном представляет собой операционный усилитель без обратной связи, то есть операционный усилитель используется в его конфигурации с разомкнутым контуром, и когда входное напряжение V _IN превышает предварительно установленное опорное напряжение, V _REF, выход меняет состояние.

Из-за очень высокого коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи, его использование с положительной обратной связью или даже без обратной связи приводит к насыщению выходного сигнала на его шине питания, создавая одно из двух различных выходных напряжений в зависимости от относительных значений его два входа. Это бистабильное поведение является нелинейным и составляет основу схем компаратора операционного усилителя и триггера Шмитта.

Выходные каскады специализированных компараторов, таких как одиночный LM311, двойной LM393 или счетверенный LM339, спроектированы для работы в своих областях насыщения, что позволяет широко использовать эти схемы компаратора напряжения в аналого-цифровых преобразователях различных типов. цепей определения уровня напряжения.

Неустойчивое переключение компаратора с разомкнутым контуром можно легко преодолеть, добавив положительную обратную связь между выходом и входом компаратора. При положительной обратной связи схема имеет гистерезис с переключением выхода между двумя разными точками переключения, UTP и LTP.

Оконные компараторы

ОУ — это тип схемы компаратора напряжения, в которой используются два компаратора ОУ для создания выходного сигнала с двумя состояниями, который указывает, находится ли входное напряжение в пределах определенного диапазона или окна значений с использованием двух опорных напряжений.Верхнее опорное напряжение и нижнее опорное напряжение.

Хотя операционные усилители и компараторы могут выглядеть одинаково, они очень разные и предназначены для использования в разных приложениях, поскольку операционный усилитель может использоваться в качестве компаратора, а компаратор напряжения не может использоваться в качестве операционного усилителя из-за того, что он не работает. -линейный выходной каскад.

Из предыдущих руководств мы знаем, что операционный усилитель — это аналоговое устройство с дифференциальным аналоговым входом и аналоговым выходом, и если он работает в разомкнутой конфигурации, его выход действует как выход компаратора.Но широко доступны специализированные компараторы напряжения (LM311, LM393, LM339), которые будут работать намного лучше, чем стандартный компаратор на операционном усилителе .

Схема компаратора операционного усилителя

»Примечания по электронике

Схема компаратора очень полезна для сравнения двух напряжений и определения большего или меньшего — ее можно использовать для определения, когда напряжение превышает определенную точку.

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с регулируемым усилением Активный фильтр высоких частот Активный фильтр нижних частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр Компаратор Триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига

В конструкции электронных схем часто используются схемы, которые сравнивают два напряжения и выдают цифровой выходной сигнал, зависящий от сравнения двух напряжений.

Для схемы компаратора необходим усилитель с высоким коэффициентом усиления, чтобы даже небольшие изменения на входе приводили к устойчивому переключению уровня выходного сигнала.

Операционные усилители используются во многих конструкциях электронных схем, но определенные микросхемы компаратора обеспечивают гораздо лучшие характеристики.

Приложения компаратора

Компараторные схемы очень часто используются в электронных схемах.

Часто бывает необходимо уметь определять определенное напряжение и переключать цепь в соответствии с обнаруженным напряжением.

Одним из примеров может быть использование в цепи измерения температуры. Это может привести к изменению напряжения в зависимости от температуры. Может возникнуть необходимость включить нагрев, когда температура упадет ниже заданной точки, и это может быть достигнуто с помощью компаратора, который определит, когда напряжение, пропорциональное температуре, упадет ниже определенного значения.

Для этих и многих других целей можно использовать схему, известную как компаратор.

Что такое компаратор?

Как следует из названия, компаратор, эти электронные компоненты и схемы используются для сравнения двух напряжений.

Когда один из них выше другого, выход схемы компаратора находится в одном состоянии, а когда входные условия меняются, выход компаратора переключается в другое состояние.

Компаратор состоит из усилителя с высоким коэффициентом усиления, который имеет дифференциальный вход — один инвертирующий вход и один неинвертирующий вход.

В условиях работы компаратор переключается между высоким и низким в зависимости от состояния входов. Если неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий, то выход высокий.Если неинвертирующий вход ниже, чем инвертирующий, то выход высокий.

Краткое описание работы компаратора

Компараторы и операционные усилители

В то время как операционный усилитель легко использовать в качестве компаратора, особенно когда его можно легко использовать, если микросхема, содержащая несколько операционных усилителей, имеет один запасной. Однако не всегда рекомендуется применять такой подход. Операционный усилитель может не всегда работать правильно или не обеспечивать оптимальную производительность. Тем не менее, когда приложение не требует больших усилий, всегда возникает соблазн использовать эти электронные компоненты, потому что они уже могут быть доступны.

Производительность микросхем компаратора и операционных усилителей существенно различается по ряду аспектов:

Блокировка операционного усилителя: В некоторых условиях, особенно когда операционный усилитель сильно нагружен, он может заблокироваться, то есть даже при изменении входа, выход остается прежним. Компараторы предназначены для работы в этом режиме и никогда не должны срабатывать.
Это одна из ключевых областей, в которой использование компаратора, а не операционного усилителя может быть явным преимуществом.
Работа в разомкнутом контуре: Операционные усилители предназначены для использования в режиме замкнутого контура, и их схемы оптимизированы для этого типа сценария. Их работа не охарактеризована в режиме разомкнутого контура.
Цифровые и аналоговые: Операционные усилители являются важными аналоговыми компонентами, и их внутренние схемы предназначены для работы в этом регионе. Компараторы предназначены для работы в качестве логической функции, т.е.е. в цифровом режиме.
Это означает, что операционные усилители лучше всего работают в аналоговом режиме, когда выход не попадает в шины, тогда как компараторы не так хороши при работе в линейном режиме и намного лучше работают с логическими уровнями.
Выходные каскады: Выходные каскады операционных усилителей и компараторов сильно различаются. Обычно операционные усилители имеют линейный выход, часто работающий в режиме дополнительной симметрии, чтобы обеспечить оптимальные линейные характеристики для выхода.
Компараторы часто имеют выход с открытым коллектором, подходящий для подключения к цифровым интерфейсам. Они предназначены для взаимодействия с логическими схемами, обеспечивая логический вход для сравнения аналоговых напряжений.
Сравнение выходных схем операционного усилителя и компаратора
Время отклика: Компараторы оптимизированы для обеспечения очень быстрого отклика и времени переключения. Скорости нарастания высоки и обеспечивают оптимальную производительность.
Операционные усилители не оптимизированы для этих характеристик.Это, как правило, гораздо более медленные электронные компоненты, оптимизированные для линейной работы, а не для скорости.
Выходное напряжение и напряжение насыщения: Компараторы обычно могут работать в небольших пределах напряжения шины. Это необходимо для хорошей коммутации логических цепей. Операционные усилители не смогут жестко подключиться к рельсам, поскольку они имеют определенное напряжение насыщения — это может привести к плохому переключению логических схем.

Принимая во внимание эти факторы, всегда предпочтительнее использовать микросхему компаратора, где предусмотрен этот тип работы.

Компаратор операционного усилителя

Можно использовать операционный усилитель в качестве компаратора, поскольку он удовлетворяет основным требованиям для данной функции.

Во время работы операционный усилитель переходит в положительное или отрицательное насыщение в зависимости от входных напряжений. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя обычно превышает 100 000, выход будет работать в режиме насыщения, когда входы разнесены на доли милливольта.

Хотя операционные усилители широко используются в качестве компаратора, специальные микросхемы компаратора намного лучше.

Эти специальные микросхемы компаратора предлагают очень быстрое время переключения, намного превышающее время переключения, предлагаемое большинством операционных усилителей, предназначенных для более линейных приложений. Типичная скорость нарастания напряжения составляет порядка нескольких тысяч вольт за микросекунду, хотя чаще приводятся цифры задержки распространения.

Типичная схема компаратора будет иметь один из входов, удерживаемых при заданном напряжении. Часто это может быть потенциальный разделитель от источника или эталонного источника. Другой ввод передается в точку, которая должна быть обнаружена.

Схема компаратора базового операционного усилителя

На этой схеме напряжение переключения генерируется делителем потенциала, состоящим из R1 и R2. Это устанавливает напряжение на одном входе компаратора — в данном случае на инвертирующем входе. Неинвертирующий вход этой цепи подключен к точке, требующей измерения. Когда напряжение в этой точке поднимается выше опорного напряжения, выход компаратора становится высоким, а когда оно падает ниже опорного напряжения, выход становится низким.

Обычно компаратор работает от тех же шин напряжения, что и система. Для логики 5 В компаратор обычно запускается от шины 5 В.

Примечания к компаратору ОУ

p> При использовании схем компаратора следует помнить о нескольких моментах. Между обычными схемами операционного усилителя и схемами компаратора есть некоторые различия, которые необходимо учитывать при проектировании любой электронной схемы.

Убедитесь, что дифференциальный вход не превышен: Поскольку нет обратной связи, два входа в схему будут иметь разное напряжение.Соответственно, необходимо убедиться, что максимальный дифференциальный вход не превышен. Все возможности состояния схемы следует учитывать на этапе проектирования электронной схемы.
Изменение входного тока: Опять же, в результате отсутствия обратной связи, нагрузка, подаваемая компаратором на источник, изменится. В частности, при изменении схемы будет небольшое увеличение входного тока. Для большинства цепей это не будет проблемой, но если полное сопротивление источника велико, это может привести к нескольким необычным откликам.Это следует учитывать при проектировании электронной схемы.
Шум входного сигнала: Основная проблема этой схемы заключается в том, что новая точка переключения, даже небольшой шум приведет к переключению выхода вперед и назад. Таким образом, около точки переключения может быть несколько переходов на выходе, и это может вызвать проблемы в другом месте всей схемы. Решением этого является использование триггера Шмитта.
Если требуется функция компаратора, лучше всего использовать микросхему компаратора: Если требуется функция компаратора, всегда предпочтительно использовать микросхему компаратора, если это вообще возможно.Если один из этих электронных компонентов недоступен и необходимо использовать операционный усилитель, будьте осторожны, чтобы не перегрузить вход, чтобы не произошло защелкивания.

Использование микросхемы компаратора

Когда возникает необходимость в схеме компаратора, всегда лучше выбрать конкретную микросхему компаратора в качестве основы схемы.

Микросхемы компаратора

намного лучше справляются с переключением между двумя значениями и часто могут иметь выходные каскады, которые могут более легко взаимодействовать с логикой, чем аналоговые операционные усилители.

С точки зрения работы базовой схемы, основное отличие состоит в том, что большинство компараторов имеют выход с открытым коллектором и требуют внешнего подтягивающего резистора или другой схемы.

Операционные усилители очень дешевы и широко доступны. Компараторы не так дешевы и не так свободно доступны, поскольку эти электронные компоненты, как правило, используются немного реже и могут быть немного дороже, но не намного. Проблем с их использованием возникнуть не должно.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Примеры схем компаратора Учебное пособие

Рис. 1 Компаратор
на базе LM741 использует биполярный источник питания.

by Lewis Loflin

Компараторы позволяют цифровым схемам и микроконтроллерам взаимодействовать с аналоговыми напряжениями в реальном мире. Часто имея два входа, они выводят ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ, в зависимости от соотношения этих входов.

Они используются внутри Arduino, что делает возможным аналого-цифровое преобразование (АЦП) при использовании с цифро-аналоговым преобразователем напряжения (ЦАП).

В моем аналого-цифровом вольтметре Arduino я генерировал переменное напряжение с широтно-импульсной модуляцией Arduino с использованием компаратора для измерения входного напряжения до 20 вольт — намного выше 5-вольтовой цифровой логики.

В другом случае я использовал четырехканальный компаратор LM339 для создания зарядного устройства без микроконтроллера на основе схемы на рис. 1.

4-битный индикатор напряжения на основе LM339 — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

Выше мы использовали все четыре компаратора в LM339 как 4-битный вольтметр.Резисторы делителя напряжения и потенциометр 100 кОм устанавливают срабатывание по напряжению.

Основы компаратора

См. Также Схемы компаратора напряжения

Компаратор часто представляет собой операционный усилитель без обратной связи между входами и выходами. Он либо полностью включен (около Vcc), либо выключен (около 0 вольт). На рис. 2 показан компаратор, построенный на основе обычного операционного усилителя LM741.

В этой тестовой схеме мы используем биполярный источник питания на 12 В. На входе NEG на контакте 2 фиксируется напряжение 6 В с стабилитроном, подключенным к положительной стороне источника питания.Мы назовем это Vref.

На входе POS на выводе 3 мы подключаем потенциометр обратно к + и GND. Это Вин. Если Vin на меньше, чем 6 вольт, выход на выводе 7 LM741 будет примерно минус 10 вольт. Здесь мы используем диод 1N4001 для защиты светодиода от чрезмерного обратного напряжения.

Если мы настроим потенциометр 10K так, чтобы Vin на больше, чем Vref, выходной сигнал на выводе 7 вырастет примерно до плюс 10 вольт, смещая вперед 1N4001 и включающий светодиод.

Недостатком использования LM741 является использование биполярного источника питания.

Рис. 2 Компаратор на базе LM358 использует изображение
с одним щелчком мыши для полноразмерного изображения.

В схеме компаратора на рис. 2 вместо LM741 используется операционный усилитель LM358. LM358 разработан для работы от одного источника питания. Он делает то же самое, что и на рис. 2, с добавлением Q1, который действует как выходной драйвер с открытым коллектором.

Когда Vin меньше Vref, выходной сигнал на контакте достигает примерно 10 вольт, включая транзистор Q1, который включает светодиод. Установив точку срабатывания потенциометром 10K, можно сделать индикатор пониженного напряжения.

Рис. 3 Компаратор на базе LM311 имеет
выход с открытым коллектором — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

Как правило, для входов компаратора с выходами с открытым коллектором, таких как LM339 или LM311 (не для схемы LM358):

Ток БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе MINUS выше, чем напряжение на входе PLUS.

Ток НЕ БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе МИНУС ниже, чем напряжение на входе ПЛЮС.

На рис. 4 используется компаратор LM311, специально разработанный для использования ТОЛЬКО в качестве компаратора — все внешние части на рис. 3 за исключением цепи светодиода, потенциометра и стабилитрона. Его резисторы обратной связи и входные резисторы являются внутренними. Работает аналогично схеме LM358.

Внешний резистор 4,7 кОм используется для взаимодействия с цифровой логикой, создавая ВЫСОКОЕ или 12-вольтовое напряжение на выходе, когда LM311 выключен. Так цифровые схемы «общаются» с резистивными датчиками. Установка Vref на известную точку и проверка вывода сообщают нам, когда Vin больше, чем Vref.

Рис. 4 Сигнализация перенапряжения компаратора LM339
с использованием оптрона для подачи звукового сигнала — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

На рис. 5 мы используем один из четырех счетверенных компараторов LM339 для подачи звукового сигнала, если Vin становится слишком высоким из-за того, что напряжение Vcc превышает 12 вольт. LM339 равен 4 LM311 в одном корпусе с общим питанием и подключениями GRD для всех 4 компараторов. См. Рис. 1 выше.

Эта схема полезна, скажем, в регуляторе автомобильной системы зарядки, который не сбрасывает чрезмерное напряжение в систему, разрушая аккумулятор и электронику.Здесь я использовал оптопару 4N25 для управления зуммером или звуковым сигналом малой мощности — токовая нагрузка на выходе компаратора мала, в то время как оптопара намного выше.

См. Спецификацию LM339.

Рис. 5 Управляющее реле компаратора LM339 с внешним PNP-транзистором
— щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

На рис. 6 мы используем внешний биполярный транзистор PNP для управления реле. Когда выход с открытым коллектором компаратора включен, ток течет через резистор 1K и переход база-эмиттер, включающий транзистор, замыкая цепь для реле K1 и светодиодного индикатора.

Рис. 6 Компаратор LM339 использует фотоэлемент
из CdS для управления ночным освещением — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

Теперь мы используем LM339 для создания «ночника». Стабилитрон был заменен фотоэлементом CdS, сопротивление которого уменьшается пропорционально увеличению уровня освещенности. Поскольку сопротивление R2 уменьшается при дневном свете, Vref выше, чем Vin, поэтому компаратор выключен.

Когда уровень освещенности падает, R2 увеличивает сопротивление, а Vref падает ниже Vin, включая реле через оптопару для включения света или что-то еще.Та же самая схема PNP на рис. 6 также будет работать. Используйте горшок 10K, чтобы установить точку срабатывания.

В качестве финальной ноты R1 и R2 можно поменять местами для противоположного эффекта. Скажем, выключайте вентилятор в теплице, когда садится солнце. Фотоэлемент можно заменить термистором для измерения температуры.

Домашняя страница Hobby Electronics и домашняя страница для веб-мастеров (Off site.)

Ардуино

Другие схемы

Схемы компаратора

— обзор

Что такое операционный усилитель на самом деле?

Вы понимаете, как работает операционный усилитель? Вы поверите, что операционные усилители были разработаны, чтобы упростить создание схемы? Вы, наверное, не думали, что в прошлый раз ломали голову над плохо работающим макетом в лаборатории.

В современном цифровом мире, похоже, обычной практикой является обсуждение темы операционных усилителей, давая учащимся возможность ознакомиться с часто используемыми формулами, не объясняя при этом их цель или теорию. Затем, когда новый инженер впервые разрабатывает схему операционного усилителя, возникает полная путаница, когда схема работает не так, как ожидалось. Это обсуждение призвано дать некоторое представление о внутренностях операционного усилителя и дать читателю интуитивное понимание операционных усилителей.

И последнее: обязательно сначала прочтите этот раздел! Я считаю, что одна из причин op-fusion (путаницы с операционными усилителями), как я люблю это называть, заключается в том, что теория преподается не по порядку. Изучение теории имеет очень конкретный порядок, поэтому, пожалуйста, разберитесь в каждом разделе, прежде чем двигаться дальше. Во-первых, давайте взглянем на символ операционного усилителя (см. Рисунок 3.8 на следующей странице).

Рисунок 3.8. Ваш базовый операционный усилитель.

Имеется два входа, положительный и отрицательный, обозначенные знаками + и -.Есть один выход.

Входы имеют высокий импеданс. Я повторяю. Входы имеют высокий импеданс. Позвольте мне сказать это еще раз. Входы имеют высокий импеданс! Это означает, что они (практически) не влияют на цепь, к которой они подключены. Запишите это, потому что это очень важно. Подробнее об этом мы поговорим позже. Об этом важном факте обычно забывают, и он способствует путанице, о которой я упоминал ранее.

Выход с низким сопротивлением.Для большинства анализов лучше всего рассматривать его как источник напряжения. Теперь давайте представим операционный усилитель, как на рис. 3.9, двумя отдельными символами.

Рисунок 3.9. Что на самом деле внутри операционного усилителя?

Здесь вы видите суммирующий блок и блок усиления. Вы можете вспомнить похожие символы из своего урока теории управления. На самом деле они не просто похожи — они абсолютно одинаковы. Теория управления работает для операционных усилителей. (Больше по этой теме будет позже.)

Во-первых, давайте обсудим суммирующий блок.Вы заметите, что на суммирующем блоке есть положительный вход и отрицательный вход, как и на операционном усилителе. Помните, что отрицательный вход — это как если бы напряжение в этой точке умножалось на -1. Таким образом, если у вас есть 1 В на положительном входе и 2 В на отрицательном входе, выход этого блока будет -1. Выход этого блока — это сумма двух входов, где один из входов умножается на -1. Его также можно представить как разность двух входов и представить это уравнение:

Eq.3.1Vs = (V +) — (V-)

Теперь мы подошли к блоку усиления. Переменная G внутри этого блока представляет величину усиления, которую операционный усилитель применяет к сумме входных напряжений. Это также известно как усиление разомкнутого контура операционного усилителя. В этом случае мы будем использовать значение 50 000. Я слышал, вы говорите: «Как такое может быть? Схема усиления, которую я только что построил с операционным усилителем, не достигает таких высот! » Просто поверь мне на мгновение. Вскоре мы перейдем к приложениям для усиления.Просто найдите коэффициент усиления в разомкнутом контуре в таблице данных производителя. Вы увидите, что этот уровень усиления или даже выше типичен для большинства операционных усилителей.

А теперь проведем небольшой анализ. Что произойдет на выходе, если подать 2 В на положительный вход и 3 В на отрицательный? Я рекомендую вам попробовать это на макетной плате. Я хочу, чтобы вы увидели, что операционный усилитель может и будет работать с разными напряжениями на входах. Однако немного математики и немного здравого смысла также покажут нам, что произойдет.Например:

Ур. 3.2Vout = 50,000 * (2-3) или -50,000V

Теперь, если у вас нет операционного усилителя 50,000 В, подключенного к биполярному источнику питания 50,000 В, вы не увидите -50,000 В на выходе. Что ты увидишь? Подумайте об этом за минуту, прежде чем читать дальше. Выход пойдет на минимальную рейку. Другими словами, он будет стараться быть как можно более негативным. В этом есть большой смысл, если вы думаете об этом так. Выход хочет достичь -50 000 В и подчиняться предыдущей математике. Он не может попасть туда, поэтому он подойдет как можно ближе.Рельсы операционного усилителя подобны рельсам железнодорожного полотна; поезд будет оставаться в пределах своих рельсов, если это вообще возможно. Точно так же, если операционный усилитель выйдет за пределы рельсов, произойдет катастрофа, и из микросхемы выйдет пресловутый волшебный дым. Шина — это максимальное и минимальное напряжение, которое может выдавать операционный усилитель. Как вы понимаете, это зависит от источника питания и выходных характеристик операционного усилителя. Хорошо, поменяйте местами входы. Теперь верно следующее:

Ур. 3.3Vout = 50,000 * (3-2) или + 50,000V

Что теперь будет? Выход пойдет на максимальную рейку.Как узнать, где находятся выходные шины операционного усилителя? Как отмечалось ранее, это зависит от используемого источника питания и конкретного операционного усилителя. Для получения этой информации вам нужно будет свериться с таблицей данных производителя. Предположим, что мы используем LM324 с односторонним питанием +5 В. В этом случае выход будет очень близок к 0 В при попытке перейти в отрицательное значение и около 4 В при попытке перейти в положительное значение.

На этот раз я хотел бы отметить кое-что. Входы операционного усилителя не равны друг другу.Я много раз видел, как инженеры ожидали, что эти входные данные будут иметь одинаковую ценность. На этапе анализа разработчик придумывает токи, поступающие на входы устройства, чтобы это произошло (помните, входы с высоким импедансом, практически нулевой ток). Затем, когда он пробует это, его сбивает с толку тот факт, что он может измерять разные напряжения на входах.

В особом случае, который мы обсудим в следующем разделе, вы можете сделать предположение, что эти входы равны. Это не общий случай! Это распространенное заблуждение.Вы не должны попадаться в эту ловушку, иначе вы вообще не поймете операционные усилители.

Предыдущие примеры показывают очень изящное применение операционных усилителей: схему компаратора. Это отличная маленькая схема для преобразования аналогового мира в цифровой. Используя эту схему, вы можете определить, выше или ниже один входной сигнал, чем другой. Фактически, многие микроконтроллеры используют схему компаратора в процессах аналого-цифрового преобразования. Цепи компаратора используются повсюду.Как вы думаете, как уличный фонарь знает, когда достаточно темно, чтобы включиться? Он использует схему компаратора, подключенную к датчику освещенности. Как светофор узнает, что над датчиками есть автомобиль, чтобы переключиться на зеленый? Вы можете поспорить, что там есть схема компаратора.

Thumb Rules

•: Входы имеют высокий импеданс; они оказывают незначительное влияние на цепь, к которой они подключены.
•: Входы могут иметь различное напряжение; они ведь должны быть равны , а не .
•: Коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя составляет очень высокий .
•: Из-за высокого коэффициента усиления разомкнутого контура и ограничений по выходу операционного усилителя, если один вход выше другого, выход будет «направляться» к своему максимальному или минимальному значению. (Это приложение часто называют схемой компаратора . )

Схема компаратора напряжения операционного усилителя

В этом видео мы обсудим схемы, в которых используется операционный усилитель для сравнения амплитуды одного сигнала с амплитудой сигнала другой сигнал или опорное напряжение.Эти аналоговые схемы компаратора могут создавать выходные сигналы, совместимые с цифровыми компонентами.

Операционный усилитель — это усилитель с высоким коэффициентом усиления с дифференциальным входным каскадом. Однако большинство схем операционных усилителей не имеют высокого усиления и не выполняют дифференциальное усиление. Скорее, мы используем отрицательную обратную связь, чтобы превратить дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления в высокопроизводительную и удобную для пользователя схему, усиливающую отдельные сигналы, привязанные к земле.

Базовый компаратор

Единственное распространенное приложение для операционных усилителей, в котором устройство используется в исходной конфигурации с высоким коэффициентом усиления и дифференциальным входом, — это компаратор напряжения.Назначение компаратора напряжения — генерировать выходной сигнал, который соответствует соотношению больше или меньше чем между напряжениями на входных клеммах операционного усилителя.

Если мы думаем о выходе компаратора как о цифровом сигнале, мы можем сказать, что компаратор генерирует высокий логический уровень, когда напряжение на неинвертирующем входе выше, чем напряжение на инвертирующем входе, и низкий логический уровень, когда напряжение на входе неинвертирующий вход ниже, чем напряжение на инвертирующем входе.

Работа компаратора является естественным результатом чрезвычайно высокого усиления операционного усилителя. Как показано на диаграмме ниже, полное усиление (A _OL) применяется к разнице между напряжением на неинвертирующей входной клемме и напряжением на инвертирующей входной клемме.

\ [V_ {OUT} = A_ {OL} \ times (V_ {IN +} — V_ {IN-}) = A_ {OL} \ times V_ {DIFF} \]

Таким образом, даже очень маленький положительный V _DIFF вызовет насыщение выхода операционного усилителя при положительном напряжении питания или около него, и даже очень маленький отрицательный V _DIFF вызовет насыщение выхода на отрицательном или близком к нему уровне. напряжение питания.Если отрицательный источник питания подключен к земле, компаратор выдает цифровой сигнал, который изменяется от низкого логического уровня (≈0 В) до высокого логического уровня (≈V _CC, который может составлять 3,3 В или 5 В).

Хотя операционные усилители могут использоваться в качестве компараторов, важно понимать, что типичные операционные усилители не оптимизированы для этого типа функциональности — разомкнутый контур, линейное насыщение сильно отличается от усиления сигнала на основе отрицательной обратной связи. . Если вы хотите улучшить характеристики своей схемы компаратора, вы можете использовать интегральную схему усилителя, которая продается специально как компаратор.

Компаратор с опорным напряжением

Обычное приложение компаратора вырабатывает выходной сигнал, который указывает, находится ли входной сигнал выше или ниже заданного порогового напряжения. Например, вы можете вручную деактивировать один из компонентов на печатной плате, когда его напряжение питания упадет ниже 3 В.

Эти типы задач компаратора выполняются путем генерирования опорного напряжения и использования этого напряжения в качестве одного из входов для компаратора.Если вам нужен чрезвычайно точный порог, вы можете использовать ИС опорного напряжения, но во многих случаях достаточно резистивного делителя.

В этом примере резисторы используются для создания опорного напряжения, равного V _CC/2.

Компаратор с гистерезисом

Топология компаратора с разомкнутым контуром, обсуждавшаяся до сих пор, имеет серьезное ограничение: шум заставит операционный усилитель создавать ложные переходы на выходе, когда V _DIFF близок к 0 В.

Когда компаратор имеет только один порог, шум (представленный флуктуациями малой амплитуды на зеленой кривой) может вызвать ложные переходы на выходе (как видно из поведения красной кривой).

Например, предположим, что микроконтроллер должен выполнять блок кода каждый раз, когда периодический сигнал датчика превышает пороговое напряжение. Мы будем использовать компаратор для генерации сигнала, который инициирует выполнение этого блока кода.

Однако, когда сигнал датчика приближается к пороговому значению, колебания с малой амплитудой и высокой частотой могут привести к быстрому переходу сигнала выше и ниже порогового значения. Это приводит к изменению VDIFF между отрицательными и положительными значениями, что, в свою очередь, приводит к множественным выходным переходам. Эти переходы нежелательны, потому что они представляют собой шумовое поведение, а не поведение «аутентичного» входного сигнала.

Проблема ложных переходов на выходе решается включением гистерезиса в схему компаратора.Термин «гистерезис» относится к технике использования различных пороговых значений для переходов с отрицательного на положительный и с положительного на отрицательный переходы. Это создает полосу гистерезиса, которая простирается выше и ниже V _DIFF = 0 В.

Как показано на следующей диаграмме, мы можем создать различные пороговые значения отрицательного-положительного и положительного-отрицательного, включив положительную обратную связь.

Эта диаграмма демонстрирует один метод введения гистерезиса в схему компаратора.

Сводка

Компаратор генерирует выходной сигнал, который указывает, какой из двух входных сигналов имеет более высокое напряжение.
Операционный усилитель может работать как компаратор, поскольку он сочетает в себе дифференциальный входной каскад с очень высоким коэффициентом усиления.
ИС опорного напряжения или резистивный делитель могут использоваться для генерации порогового напряжения для схем компаратора.
Паразитные переходы на выходе можно подавить с помощью положительной обратной связи для создания полосы гистерезиса.

Принцип работы схемы компаратора операционного усилителя и его применение

Обычно в электронике компаратор используется для сравнения двух напряжений или токов, подаваемых на два входа компаратора. Это означает, что он берет два входных напряжения, затем сравнивает их и выдает дифференциальное выходное напряжение высокого или низкого уровня. Компаратор используется для определения момента, когда произвольно изменяющийся входной сигнал достигает опорного уровня или определенного порогового уровня. Компаратор может быть разработан с использованием различных компонентов, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители.Компараторы используются во многих электронных приложениях для управления логическими схемами.

Компаратор Symbol

Операционный усилитель в качестве компаратора

Когда мы внимательно посмотрим на символ компаратора, мы узнаем его как символ операционного усилителя (операционного усилителя), так что то, что отличает этот компаратор от операционного усилителя; Операционный усилитель предназначен для приема аналоговых сигналов и вывода аналогового сигнала, тогда как компаратор выдает только выходной сигнал в виде цифрового сигнала; хотя в качестве компараторов можно использовать обычный операционный усилитель (операционные усилители, такие как LM324, LM358 и LM741, не могут использоваться непосредственно в схемах компаратора напряжения.

Операционные усилители

часто могут использоваться в качестве компараторов напряжения, если к выходу усилителя добавлен диод или транзистор), но реальный компаратор разработан так, чтобы иметь более быстрое время переключения по сравнению с многоцелевыми операционными усилителями. Таким образом, можно сказать, что компаратор — это модифицированная версия операционных усилителей, специально разработанная для работы с цифровым выходом.

Сравнение выходной схемы операционного усилителя и компаратора

Основная рабочая схема компаратора

Схема компаратора работает, просто принимая два аналоговых входных сигнала, сравнивая их и затем вырабатывая логический выход с высоким «1» или низким «0».

Схема неинвертирующего компаратора

При подаче аналогового сигнала на вход + компаратора, называемый «неинвертирующим», и — вход, называемый «инвертирующим», схема компаратора будет сравнивать эти два аналоговых сигнала, если аналоговый вход на неинвертирующем входе больше, чем аналоговый вход при инвертировании, тогда выход будет качаться до высокого логического уровня, и это заставит транзистор с открытым коллектором Q8 на эквивалентной схеме LM339, приведенной выше, включиться. Когда аналоговый вход на неинвертирующем входе меньше аналогового входа на инвертирующем входе, тогда на выходе компаратора будет низкий логический уровень.

Это выключит транзистор Q8. Как мы видели на изображении эквивалентной схемы LM339 выше, LM339 использует на выходе транзистор с открытым коллектором Q8, поэтому мы должны использовать «подтягивающий» резистор, который подключен к выводу коллектора Q8 с помощью Vcc, чтобы заставить этот транзистор Q8 работать. Согласно таблице данных LM339, максимальный ток, который может протекать через этот транзистор Q8 (выходной ток стока), составляет около 18 мА. V- можно рассчитать следующим образом.

V- = R2.Vcc / (R1 + R2)

Неинвертирующий вход компаратора подключен к потенциометру 10 K, который также формирует схему делителя напряжения, где мы можем регулировать начало напряжения V + с Vcc до 0 вольт. Во-первых, когда V + равно Vcc, выход компаратора перейдет в высокий логический уровень (Vout = Vcc), потому что V + больше, чем V-.

Это выключит транзистор Q8 и погаснет светодиод. Когда напряжение V + падает ниже V- вольт, выход компаратора переходит в низкий логический уровень (Vout = GND), что включает транзистор Q8 и загорается светодиод.

Путем замены аналогового входа; делитель напряжения R1 и R2, подключенный к неинвертирующему входу (V +), и потенциометр, подключенный к инвертирующему входу (V-), мы получим противоположный выходной результат.

Схема инвертирующего компаратора

Опять же, используя принцип делителя напряжения, напряжение на неинвертирующем входе (V +) составляет около V- вольт, поэтому, если мы начинаем инвертирующее входное напряжение (V-) с Vcc вольт, V + ниже, чем V-, это включит транзистор Q8, и выход компаратора перейдет в низкий логический уровень.Когда мы регулируем V- ниже V +. Когда транзистор Q8 выключен, выход компаратора перейдет в высокий логический уровень, потому что теперь V + больше, чем V-, и светодиод погаснет.

Применение компаратора в схемах практической электроники

Система мониторинга влажности почвы на основе беспроводных сенсорных сетей с использованием Arduino

Система мониторинга влажности почвы на основе беспроводных сенсорных сетей с использованием проекта Arduino предназначена для разработки системы автоматического полива, которая может управлять переключением (включение / выключение) электродвигателя насоса в зависимости от влажности почвы.

Система контроля влажности

Датчик влажности определяет влажность почвы, и соответствующий сигнал подается на плату Arduino. Компаратор сравнивает сигналы уровня влажности с заранее заданным опорным сигналом. Затем он отправит сигнал на микроконтроллер. На основе сигнала, полученного от датчика, и сигнала компаратора, будет работать водяной насос. ЖК-дисплей используется для отображения состояния влажности почвы и водяного насоса.

Цепь датчика сердцебиения

Системная реализация микросхемы монитора сердечного ритма

Датчик сердечного ритма HRM-2511E имеет 4 операционных усилителя.Четвертый операционный усилитель используется как компаратор напряжения. Аналоговый сигнал PPG подается на положительный вход, а отрицательный вход привязан к опорному напряжению (VR). Величину VR можно установить в пределах от 0 до Vcc с помощью потенциометра P2 (показано выше). Каждый раз, когда импульсная волна PPG превышает пороговое напряжение VR, выходной сигнал компаратора становится высоким. Таким образом, это устройство обеспечивает выходной цифровой импульс, который синхронизируется с тактом. Ширина импульса также определяется пороговым напряжением VR.

Цепь дымовой сигнализации

Схема дымовой сигнализации

Фотодиоды излучают свет, который определяется фототранзисторами Q1 и Q2. Верхняя область герметична, поэтому рабочая точка транзистора Q1 не меняется. Эта рабочая точка используется в качестве эталона для компаратора. Когда дым попадает в нижнюю область, рабочая точка фототранзистора Q2 изменяется, что приводит к изменению напряжения Vin от базового (без дыма) значения Vin (no_smoke). -Транзистор уменьшается из-за попадания дыма в область, ток базы уменьшается, а напряжение Vin увеличивается от базового (без дыма) значения Vin (no_smoke).Когда напряжение Vin пересекает Vref, выход компаратора переключается с VL на VH, вызывая аварийный сигнал.

Я надеюсь, что, прочитав эту статью, вы получили некоторые основы работы с компаратором. Если у вас есть какие-либо вопросы об этой статье или о проектах в области электроники и электротехники за последний год, пожалуйста, не стесняйтесь оставлять комментарии в разделе ниже.

Знакомство с компараторами на примере чипа LM339

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Принцип работы и виды интегральных компараторов

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Простая схема структуры устройства со стробированием:

Похожие темы:

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Описание работы компаратора

Сигнал на выходе:

Входное напряжение смещения компаратора

Входное напряжение смещения и гистерезис

Схемы компараторов на операционных усилителях

Давайте вместе разберемся в её работе.

1. Датчик перегрева радиатора

2. Индикатор зарядки/разрядки батареи с двумя фиксированными уровнями.

Несколько тонкостей работы с компараторами.

Заключение

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Описание работы компаратора

Сигнал на выходе:

Входное напряжение смещения компаратора

Входное напряжение смещения и гистерезис

1.1. Краткие теоретические сведения

Компараторы и их применение, градиентные реле (8 схем)

Инвертор, преобразователь напряжения, частотный преобразователь

Компараторы — узлы электронных схем

Радиодетали, электронные блоки и игрушки из китая:

операционных усилителей, схема компаратора | Renesas

Операционные усилители: универсальные ИС для множества приложений

(1): схема инвертирующего усилителя

(2): Схема неинвертирующего усилителя

Схема компаратора

Цепь осциллятора с использованием положительной обратной связи

Список модулей

ОУ и схема компаратора ОУ

Схема компаратора ОУ

Эталонные напряжения компаратора

Компараторы положительного и отрицательного напряжения

Компаратор положительного напряжения

Цепь неинвертирующего компаратора

Компаратор отрицательного напряжения

Цепь инвертирующего компаратора

Оконный компаратор

Цепь оконного компаратора

Детектор уровня напряжения компаратора

Компаратор операционного усилителя с положительной обратной связью

Инвертирующий компаратор ОУ с гистерезисом

Уравнение делителя напряжения

Компаратор с неинвертирующим операционным усилителем с гистерезисом

Пример компаратора №1

Доля обратной связи:

Компаратор напряжения

Цепь компаратора напряжения

Обзор компаратора ОУ

»Примечания по электронике

Приложения компаратора

Что такое компаратор?

Компараторы и операционные усилители

Компаратор операционного усилителя

Примечания к компаратору ОУ

Использование микросхемы компаратора

Примеры схем компаратора Учебное пособие

Основы компаратора

Другие схемы

— обзор

Что такое операционный усилитель на самом деле?

Схема компаратора напряжения операционного усилителя

Базовый компаратор

Компаратор с опорным напряжением

Компаратор с гистерезисом

Сводка

Принцип работы схемы компаратора операционного усилителя и его применение