Site Loader

Содержание

Компараторы напряжений — контроль температуры путем сравнения

Компараторы напряжений-01Компараторы напряжений-01

Программируемые оконные компараторы напряжений для сравнения двух электрических сигналов на входе и выходе


Компараторы напряжений — цель этой лабораторной работы, использование двух высокоскоростных устройства напряжения в качестве оконного компаратора и запрограммировать программируемый регулятор температуры TMP01 с низким энергопотреблением, используя этот подход.

Оконный компаратор — это конфигурация схемы, в которую входят парные компараторы напряжений (инвертирующих и неинвертирующих), где выходной сигнал указывает, находится ли входной сигнал в пределах диапазона напряжения, ограниченного двумя различными пороговыми значениями.

Тот, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении некоторого верхнего порога напряжения, V

REF(HIGH), и тот, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении нижнего порогового уровня напряжения, VREF(LOW). Уровни напряжения между этими двумя верхними и нижними опорными напряжениями называются «окном».

Используемые материалы

Модуль активного обучения ADALM2000

Макет без пайки и комплект перемычек

2 — AD8561 Компараторы
1 — 2N3904 NPN транзистор
2 — 1N914 небольшие сигнальные диоды
1 — светодиод (любой цвет)
3 — резистор 10 кОм
1 — резистор 20 кОм
1 — резистор 470Ом

Оконные компараторы напряжений

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 1.

Компараторы напряжений-1Компараторы напряжений-1


Рисунок 1 Оконный компаратор

В схеме используется сеть делителей напряжения, сформированная из трех резисторов равного значения R1 = R2 = R3. Падение напряжения на каждом резисторе будут также равны одной трети опорного напряжения (VREF). Поэтому верхнее значение (VREF (HIGH)) установлено на 2/3VREF, а нижнее значение на 1/3VREF.

Учитывая, что мы используем, когда VIN находится ниже нижнего уровня напряжения (VREF(LOW)), что соответствует 1/3VREF, выходной сигнал будет HIGH, а D2 будет открыт в прямом направлении. Из-за положительного напряжения на базе npn-транзистора Q1 переходит в насыщение. Таким образом, выходное напряжение равно нулю, и напряжение питания на R5 и D3 упадет, включив при этом светодиод.

Когда значение V

IN превышает этот нижний уровень напряжения на 1/3VREF, и оно ниже 2/3VREF (VREF(HIGH)), выходы обоих компараторов будут НИЗКИМИ, а диоды находятся в обратном смещении. В это время на базу Q1 не подается напряжение, транзистор отключен, и ток коллектора не протекает через R6, R5, D3. Выходное напряжение — это напряжение питания V+.

Когда VIN выше верхнего уровня напряжения (VREF(HIGH)), что соответствует 2/3VREF, выходной сигнал будет ВЫСОКИМ, а D1 будет открыт в прямом направлении. Из-за положительного напряжения на базе npn-транзистора Q1 он переходит в насыщение. Таким образом, выходное напряжение равно нулю, и напряжение питания упадет на R5 и D3, включив светодиод.

Настройка оборудования

Постройте следующую конструкцию для схемы оконного компаратора.

Компараторы напряжений-2

Компараторы напряжений-2
Рисунок 2. Схема оконного компаратора

Компараторы напряжений — процесс построения

В первую очередь используйте первый генератор сигналов (W1) в качестве источника, чтобы обеспечить треугольный сигнал с амплитудой 5 В от пика до пика, частотой 100 Гц и смещением 2,5 В.

Используйте второй генератор сигналов (W2) в качестве источника постоянного опорного напряжения 5V.

Подайте напряжение на схему от источник питания 5 В.

Настройте область окна так, чтобы выходной сигнал отображался на канале 2, а входной сигнал отображался на канале 1.

Пример построения представлен на рисунке 3.

Компараторы напряжений-3Компараторы напряжений-3
Рисунок 3. Окно формы волны компаратора

На графике «окна» можно заметить, когда входное напряжение находится между верхним и нижним опорным напряжением.

Контроль температуры

Здесь представлен пример как применяются оконные компараторы напряжений, в данном случае является простая схема контроллера температуры (рис. 2). Датчик температуры TMP01 имеет встроенную конфигурацию двойного компаратора, показанную на рис. 1. Выбирая правильные значения для R1, R2 и R3, схема контролирует, удерживается ли температура в требуемом диапазоне (25± ~ 10°C).

TMP01 — это линейный датчик температуры выходного напряжения с оконным компаратором, который может быть запрограммирован пользователем для активации одного из двух выходов с открытым коллектором, когда превышено заданное значение температуры. Значение низкого дрейфа напряжения для установки программирования. Соединяя два выхода с открытым коллектором вместе, в виде однопроводного выхода, мы можем получить сигнал, который находится на логически высоком уровне, когда температура окружающей среды находится внутри окна.

Компараторы напряжений-4Компараторы напряжений-4


Рисунок 4 Датчик температуры окна компаратора

Программирование TMP01

В базовом приложении с фиксированной установкой, используется простой резисторный делитель напряжения лестничного типа, желаемые установки температуры программируются в следующей последовательности:

  1. Выберите желаемую температуру гистерезиса.
  2. Вычислите ток гистерезиса IVREF.
  3. Выберите желаемое заданное значение температуры.
  4. Рассчитайте значения отдельных цепей резисторных делителей, необходимые для получения заданных напряжений компаратора при ВЫСОКИХ и НИЗКИХ значениях.

Ток гистерезиса легко рассчитывается. Например, для 2-х степеней гистерезиса IVREF = 17 мкА. Далее, заданные значения напряжения VSETHIGH и VSETLOW определяются с использованием масштабного коэффициента VPTAT, равного 5 мВ/К = 5 мВ/(°C + 273,15), что составляет 1,49v для 25°C. Затем рассчитайте резисторы делителя на основе этих заданных значений. Уравнения, используемые для расчета резисторов:

VSETHIGH = (TSETHIGH+ 273,15)(5 мВ/°C)

VSETLOW = (TSETLOW+ 273.15)(5 мВ/°C)

R1(в кОм) = (V VREF -VSETHIGH)/IVREF = (2,5 В -VSETHIGH)/IVREF

R2(в кОм) = (VSETHIGH -VSETLOW)/IVREF

R3 (в кОм) = VSETLOW/IVREF

Суммарное значение R1 + R2 + R3 равно сопротивлению нагрузки, необходимой для получения требуемого тока гистерезиса из задания или IVREF.

IVREF = 2,5 В/(R1 + R2 + R3)

Поскольку VREF = 2,5 В, с эталонным сопротивлением нагрузки 357 кОм или выше (выходной ток 7 мкА или менее), гистерезис заданного значения температуры равен нулю градусов. Большие значения сопротивления нагрузки только уменьшают выходной ток ниже 7 мкА и не влияют на работу устройства. Величина гистерезиса определяется путем выбора значения сопротивления нагрузки для VREF.

Задачи для решений

1. Постройте следующую схему:

Макетная плата-5Макетная плата-5
Рисунок 5 Измерение температуры

Измерьте выходное значение VPTAT и вычислите фактическую измеренную температуру в градусах Кельвина и градусах Цельсия.

2. Постройте следующую схему:

Макетная плата-6Макетная плата-6
Рисунок 6 Контроль температуры

2.а Определите компоненты и попытайтесь нарисовать принципиальную схему.

2.b. Используя информацию, предоставленную макетом, вычислите следующие параметры:

  • IVREF
  • VSETHIGH
  • VSETLOW
  • TSETHIGH
  • TSETLOW

2.c. На сколько градусов устанавливается гистерезис заданного значения температуры? Как вы можете изменить это значение?

2.d. Как работает схема? Когда включатся LED1 (красный) и LED2 (синий)? Обоснуйте свой ответ.

Лабораторные ресурсы:

Fritzing файлы: temp_ctrl_bb
TMP01 Программируемый контроллер температуры низкой мощности
Добавление возможности тестирования в оконный компаратор

Компаратор — Википедия

Символическое изображение аналогового компаратора на электрических и структурных схемах.

Компара́тор аналоговых сигналов (от лат. comparare — сравнивать) — сравнивающее устройство[1]) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая сигнал высокого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе («+») больше, чем на инвертирующем (инверсном) входе («−»), и сигнал низкого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе меньше, чем на инверсном входе. Значение выходного сигнала компаратора при равенстве входных напряжений, в общем случае не определено. Обычно в логических схемах сигналу высокого уровня приписывается значение логической 1, а низкому — логического 0.

Через компараторы осуществляется связь между непрерывными сигналами, например, напряжения и логическими переменными цифровых устройств.

Применяются в различных электронных устройствах, АЦП и ЦАП, устройствах сигнализации, допускового контроля и др.

Одно из напряжений (сигналов), подаваемое на один из входов компаратора обычно называют опорным или пороговым напряжением. Пороговое напряжение делит весь диапазон входных напряжений, подаваемых на другой вход компаратора на два поддиапазона. Состояние выхода компаратора, высокое или низкое, указывает, в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение. Компаратор с одним входным пороговым напряжением принято называть однопороговым компаратором, существуют компараторы с двумя или несколькими пороговыми напряжениями, которые, соответственно делят диапазон входного напряжения на число поддиапазонов на 1 большее числа порогов.

Сравниваемый сигнал может подаваться как на инвертирующий, так и на неинвертирующий вход компаратора. Соответственно, в зависимости от этого компаратор называют инвертирующим или неинвертирующим.

Математическое описание компаратора

Проходная характеристика неинвертирующего компаратора. U оп = U r e f {\displaystyle U_{\text{оп}}=U_{ref}} в формулах.

В аналитическом виде идеальный однопороговый неинвертирующий компаратор задаётся следующей системой неравенств:

U o u t = { U 0 , if  U i n < U r e f не определено , if  U i n = U r e f U 1 , if  U i n > U r e f {\displaystyle U_{out}={\begin{cases}U_{0},&{\mbox{if }}U_{in}<U_{ref}\\{\text{не определено}},&{\mbox{if }}U_{in}=U_{ref}\\U_{1},&{\mbox{if }}U_{in}>U_{ref}\end{cases}}}
где U r e f {\displaystyle U_{ref}}  — напряжение порога сравнения,
U o u t {\displaystyle U_{out}}  — выходное напряжение компаратора,
U i n {\displaystyle U_{in}}  — входное напряжение на сигнальном входе компараторе.

Третьему, неопределённому значению, в случае бинарного состояния выхода можно:

  1. присвоить U 0 {\displaystyle U_{0}} или U 1 {\displaystyle U_{1}} ,
  2. присвоить U 0 {\displaystyle U_{0}} или U 1 {\displaystyle U_{1}} случайным образом динамически,
  3. учитывать предыдущее состояние выхода и считать равенство недостаточным для переключения,
  4. учитывать первую производную по времени выходного сигнала и её равенство нулю считать недостаточным для переключения.

В случае использования многозначной логики, например, троичной для учёта третьего состояния (равенство) применить соответствующую троичную функцию из чёткой троичной логики с чётким третьим значением.

Схемотехника компараторов

Схемотехнически простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления (в идеале — бесконечным). Обычно в качестве компараторов напряжения в современной электронике применяют микросхемы операционных усилителей (ОУ). Но существуют и выпускаются специализированные для применения в качестве компараторов микросхемы.

Микросхема компаратора отличается от обычного линейного (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

  • Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон дифференциальных входных напряжений (между инвертирующим и неинвертирующим входами), вплоть до значений питающих напряжений, а также полный диапазон синфазных напряжений.
  • Выходной каскад компаратора обычно конструируют совместимым по логическим уровням и токам с распространённым типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны исполнения выходного каскада компаратора на одиночном транзисторе с открытым коллектором, что обеспечивает одновременную совместимость с ТТЛ и КМОП логическими микросхемами.
  • Микросхемы компараторов не рассчитаны для работы с отрицательной обратной связью как ОУ и при их применении отрицательная обратная связь не используется. И наоборот, для формирования гистерезисной передаточной характеристики компараторы часто охватывают положительной обратной связью. Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.
  • При проектировании микросхем компараторов уделяется особое внимание быстрому восстановлению входного каскада после перегрузки и смены знака разности входных напряжений. В быстродействующих компараторах для повышения быстродействия схемотехнически не допускают захода биполярных транзисторов в выходном каскаде в режим насыщения.

Компараторы охваченные положительной обратной связью имеют гистерезис и по сути являются двухпороговыми компараторами, часто такой компаратор называют триггером Шмитта.

При равенстве входных напряжений реальные компараторы и ОУ, включенные по схеме компараторов дают хаотически изменяющийся выходной сигнал из-за собственных шумов и шумов входных сигналов. Обычная мера подавления такого хаотического переключения — введение положительной обратной связи для получения гистерезисной передаточной характеристики.

При программном моделировании компаратора возникает проблема выходного напряжения компаратора при одинаковых напряжениях на обоих входах компаратора. В этой точке компаратор находится в состоянии неустойчивого равновесия. Проблему можно решить множеством разных способов, описанных в подразделе «программный компаратор».

Программное моделирование компаратора

В программах в качестве первого приближения можно использовать простейшую модель асимметричного компаратора, в котором третье значение с равными величинами сравниваемых входных переменных постоянно приписывается к «0» или к «1», в примере, приведенном ниже, третье значение постоянно приписывается к «0»:

DEFINT Y
DEFSNG X
Xref=2.5
Xin=2.6
IF Xin>Xref THEN Y=1 ELSE Y=0 'Асимметричный компаратор
PRINT Y

В более сложных моделях симметричных компараторов третье значение можно, в рамках двоичной логики:

  1. приписать к «0» или к «1» постоянно,
  2. приписывать к «0» или к «1» случайным образом динамически,
  3. учитывать предыдущее значение и считать равенство недостаточным для переключения,
  4. учитывать первую производную и её равенство нулю считать недостаточным для переключения,

или выйти за рамки двоичной логики и:

  1. для учёта третьего значения (равенство) применить соответствующую троичную функцию из чёткой троичной логики с чётким третьим значением.

Существующая проблема третьего состояния при программном моделировании, когда два числа, представленные кодовыми словами, могут быть в точности равны, на практике не имеет места: два напряжения не могут в точности совпадать, так как, во-первых, аналоговое напряжение величина неквантуемая, а во-вторых, существует шум, напряжение смещения входов компаратора, и иные возмущения, разрешающие неоднозначность даже в случае равенства входных напряжений аналогового компаратора.

Компараторы с двумя и более напряжениями сравнения

Строятся на двух и более обычных компараторах.

Двухпороговый (троичный) компаратор

Двухпороговый (троичный) компаратор имеет два напряжения сравнения и состоит из двух обычных компараторов. Два напряжения сравнения делят весь диапазон входных напряжений на три нечётких поддиапазона в нечёткой (fuzzy) троичной логике, которым присваиваются три чётких значения в чёткой троичной логике. Двухбитный троичный (2B BCT) логический сигнал (трит) на выходе троичного компаратора указывает, в каком из трёх поддиапазонов находится входное напряжение. Логическая часть троичного компаратора выполняет унарную троичную логическую функцию — «повторитель» (F1073 = F810). Двухбитный троичный трит (2B BCT) может быть преобразован в трёхбитный трит (3B BCT) или в трёхуровневый трит (3LCT).[источник не указан 267 дней]

В аналитическом виде двухпороговый (троичный) компаратор задаётся следующими системами неравенств:

{ U r e f 2 > U r e f 1 U o u t 1 = { 0 , if  U i n < U r e f 1 u n d e f i n e d , if  U i n = U r e f 1 1 , if  U i n > U r e f 1 U o u t 2 = { 0 , if  U i n < U r e f 2 u n d e f i n e d , if  U i n = U r e f 2 1 , if  U i n > U r e f 2 {\displaystyle {\begin{cases}U_{ref2}>U_{ref1}\\U_{out1}={\begin{cases}0,&{\mbox{if }}U_{in}<U_{ref1}\\undefined,&{\mbox{if }}U_{in}=U_{ref1}\\1,&{\mbox{if }}U_{in}>U_{ref1}\end{cases}}\\U_{out2}={\begin{cases}0,&{\mbox{if }}U_{in}<U_{ref2}\\undefined,&{\mbox{if }}U_{in}=U_{ref2}\\1,&{\mbox{if }}U_{in}>U_{ref2}\end{cases}}\end{cases}}}

где:
Uref1 и Uref2 — напряжения нижнего и верхнего порогов сравнения,
Uout1 и Uout2 — выходные напряжения компараторов, а
Uin — входное напряжение на компараторах.

Двухпороговый (троичный) компаратор является простейшим одноразрядным троичным АЦП.

Троичный компаратор является переходником из нечёткой (fuzzy) троичной логики в чёткую троичную логику для решения задач нечёткой троичной логики средствами чёткой троичной логики.

Тумблеры и переключатели на 3 положения без фиксации (ON)-OFF-(ON)[2][3] являются механоэлектрическими троичными (двухпороговыми) компараторами, в которых входной величиной является механическое отклонение рычага от среднего положения.

Двухпороговый (троичный) компаратор выпускается в виде отдельной микросхемы MA711H (К521СА1).

Применяется в прецизионном триггере Шмитта популярной микросхемы-таймера NE555.

Троичный компаратор низкого качества с двоичными компараторами на цифровых логических элементах 2И-НЕ применён в троичном индикаторе напряжения источника питания с преобразованием трёх диапазонов входного напряжения в один трёхбитный одноединичный трит (3B BCT)[4]. Для построения прецизионного триггера Шмитта в этой схеме не хватает двоичного RS-триггера, который можно выполнить на двух дополнительных логических элементах 2И-НЕ (например, использовать два из четырёх логических элементов 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3).

Многовходовые компараторы

Входной каскад параллельных АЦП прямого преобразования является многоуровневым компаратором. В нём применяются 2 n − 1 {\displaystyle 2^{n}-1} напряжений сравнения, где n — количество битов выходного кода. Разность соседних уровней сравнения в таких многовходовых компараторах обычно постоянна.

Примеры интегральных микросхем компараторов

Пример широко известных компараторов: LM311 (российский аналог — КР554СА3), LM339 (российский аналог — К1401СА1). Эта микросхема часто встречается, в частности, на системных платах ЭВМ, а также в системах управления ШИМ контроллеров в блоках преобразования напряжения (например, в компьютерных блоках питания с системой питания ATX)[5][6].

Примечания

Ссылки

Типовая схема Супервизора питания (детектор пониженного напряжения). Методика расчёта [2015.03.24] / Блог им. Celeron / Сообщество EasyElectronics.ru

Полезна ли эта статья? Однако, меня заворожила красота математических выкладок и пришедших идей. Поэтому захотел её опредметить…

(Примечание: картинки в статье кликабельны и ведут на увеличенное изображение.)
Вступление

Определение: Супервизор — это микросхема детектор пониженного напряжения, для защиты схемы/устройства от некачественного питания (по англ. «Undervoltage Protection», «Undervoltage Sensing Circuit», «Supply Voltage Supervisor» и т.п.)

Читая даташиты на Супервизоры, и рассматривая функциональные схемы — заметил, что реализация встроенных компараторов напряжений различается:

  1. Некоторые схемы основаны на классической конфигурации, когда эталонный Источник Опорного Напряжения (ИОН) подключается Анодом к Земле и подпирает один из входов Компаратора — это, ИМХО, более естественно и привычно.
    Обычно, в такой схеме, ИОН подпирает инверсный вход (-), тогда при снижении напряжения питания ниже Порога — выход компаратора переключается в состояние «лог.0», что значит: «ошибка» или «нет питания»… (см. схему «Рис.2»)
  2. Но как ни странно, большинство Супервизоров общего назначения реализованы на перевёрнутой конфигурации: когда ИОН подключается как-то хитро… Катодом к шине Питания… Запутанная схема — вызвала желание разобраться… (см. схему «Рис.1»)
А впоследствии, ещё возник вопрос: какой из двух подходов эффективнее? Я тогда искал схемотехническое решение для собственной реализации Супервизора, на дискретных компонентах…

Таким образом, в этой статье представлен разбор принципа работы двух схем. Методика расчёта обвязки компаратора, для обоих схем. И мои рекомендации, какая из двух схем лучше.

1. Типовая схема Супервизора «Рис.1»

По этой схеме выполнены микросхемы Супервизоров: KIA70xx Series; PST529 Series; отечественные серии К1171СП2хх, К1274хх… То есть, здесь, большинство простейших универсальных трехвыводных супервизоров питания общего назначения.

Рис.1 — Типовая схема Супервизора:

Пояснение работы схемы

На компаратор поступает два напряжения, формируемые:
(1) каскадом со стабилитроном = Vcc — dUстаб. (фиксированная аддитивная добавка)
(2) резистивным делителем = Vcc * R2/(R1+R2) (пропорциональная часть)

Изначально: (1)>(2), компаратор выдаёт «лог.0» на выходе.

При уменьшении Vcc, пропорциональная часть (2) от Vcc — уменьшается медленнее, чем целое Vcc (1)… В конце концов, потенциал (1) нагонит и сравняется с (2).

Смещение dUстаб. не влияет на скорость схождения — это лишь небольшая фора для (1), чтобы успеть нагнать напряжение (2), которое стартует при изначально более «выгодных» условиях {Упрощённо: если напряжение (1) бежит аж от Vcc до 0V, то напряжение (2) бежит от Vcc*R2/(R1+R2) до 0V…} Хотя, скорость снижения напряжения (1) быстрее. Однако, если бы не было смещения dUстаб., то (1) никогда бы не догнал (2), но они бы лишь сравнялись только в точке =0V.

Практически, процессы можно проиллюстрировать графиком «Рис.3», который облегчает настройку параметров системы и делает вещи более очевидными.
Точка равенства напряжений (1)=(2): Uпорог-dUстаб. = Uпорог*R2/(R1+R2)

Рис.3 — Точка переключения компаратора:

Примечание: Для универсальности, далее в расчётах и по тексту, будем обозначать смещение и Стабилитрона, и ИОНа одинаково: dUстаб. (номинал стабилитрона) = Uref (номинал ИОН). По сути, это одно и тоже, тождественно…

Расчёт схемы

Пусть, требуется Uпорог=3.2V

Номинал стабилитрона: Uref=3/4*Uпорог=2.4V (меньше не бывает, и в рекомендуемый диапазон попадает)
Стабилитрон BZV55-B/C2V4 имеет ток утечки Irmax=50uA.
Следовательно, в него надо загонять ток на порядок больше >500uA.
Следовательно, номинал токоограничивающего резистора должен быть менее R3 < (Uпорог-Uref)/500uA=1600R, т.е. R3=1.5k

Компаратор должен иметь «Выход с открытым коллектором»…
В модели использован Идеальный компаратор (для безглючности симуляции и чётких графиков), но входные каскады рассчитаем, для примера, на реальные компараторы общего назначения:

LMx39 (4шт. Компаратора, Питание single +2..36V, или dual +-1..18V)
у него, средний входной ток: «Input Bias Current Max.» = 250nA
плюс, для верности, дифференциал между входами: «Input Offset Current Max.» = 50nA

LMx93 (2шт. Компаратора, Питание single +2..36V, или dual +-1..18V)
у него, средний входной ток: «Input Bias Current Max.» = 500nA
плюс, для верности, дифференциал между входами: «Input Offset Current Max.» = 200nA
(хм, этот — вообще, так себе…)

Предположим, реальная схема будет построена на компараторе «LMx39». Максимальный ток по входу, при самых неблагоприятных условиях, будет = «Input Bias Current Max.» + «Input Offset Current Max.» = 300nA
Следовательно, через резистивный делитель должен протекать ток, как минимум, на порядок больше >3uA. Тогда, сумма номиналов резисторов должна быть, как минимум, меньше: (R1+R2)
Хотя, для точности — желательно, конечно, чтобы через резистивный делитель протекал ток на два порядка больше >30uA. Тогда, сумма номиналов резисторов должна быть меньше: (R1+R2)
Но при таком грубоватом компараторе (со значительными утечками) — мы не будем гнаться за идеальной схемотехникой. Тем более, что «типичные» токи утечки ожидаются на порядок меньше, чем «максимальные»… Поэтому, здесь, рекомендую рассчитывать на границу: (R1+R2)

Второе уравнение системы, для расчёта резисторов:
(Uпорог-Uref)=Uпорог*R2/(R1+R2) или
R2/R1=(Uпорог/Uref-1)
а учитывая, что у нас Uref=3/4*Uпорог:
R1=3*R2.
Решив систему уравнений, получаем номиналы: R1=150k, R2=51k…
Окончательную подстройку границы срабатывания производим экспериментально…

2. Классическая схема Супервизора «Рис.2»

По этой схеме выполнены микросхемы Супервизоров: ADM705, ADM706, ADM707, ADM708; TLC7701, TLC7725, TLC7703, TLC7733, TLC7705; и возможно, MN1280x, MN1281x… Это всё сложные специализированные супервизоры питания для микропроцессоров, с кучей дополнительных функций. Диапазон питания у данных супервизоров ограничен максимумом 6-7V. А компаратор напряжений, выполненный по «классической схеме», присутствует в них отдельным функциональным узлом.
Но сюда же попадают и простейшие супервизоры общего назначения: MC34064, MC33064…

Рис.2 — Классическая схема Супервизора:

Расчёт схемы

Первая часть расчётов — абсолютно такая же, как и для схемы «Рис.1» — можно не смотреть…
Различия проявляются только во второй части расчётов. Причём, заметьте: полученные номиналы для R1 и R2 — абсолютно те же, что и для схемы «Рис.1», но взаимообратные, т.к. схема симметрична!

Второе уравнение системы, для расчёта резисторов:
Uref=Uпорог*R2/(R1+R2) или
R1/R2=(Uпорог/Uref-1)
а учитывая, что у нас Uref=3/4*Uпорог:
R2=3*R1.
Решив систему уравнений, получаем номиналы: R1=51k, R2=150k…
Окончательную подстройку границы срабатывания производим экспериментально…

3. Сравнение схем

Предыдущая схема «Рис.1», поначалу, меня очень удивляла: странно, почему Диод Зеннера в верхнем плече (это же источник опорного напряжения — обычно, его ставят от Земли до некоторого порога Uref)? Да ещё и выходы компаратора пришлось менять местами, для требуемой логики переключения (схема «Рис.1» выглядит перевёрнутой)?
Классическая схема «Рис.2» — прямая и ясная: здесь, чётко виден уровень Vref; делитель входного (тестового) напряжения Vtest… Диод Зеннера (или ИОН) задаёт эталонное опорное напряжение, равное части Uпорогового…

Так зачем же путать себя (и природу), выдумывая хитрости конфигурации «Рис.1»?
Догадываюсь: возможно, схема «Рис.2» хоть и проще/понятнее, но менее технологична для настройки и изготовления? У производителей свои причины…

По схемотехнике и принципиальной возможности для реализации — разницы нет, куда ставить Стабилитрон/ИОН, в верхнее плечо или в нижнее. Реализовать ИОН «от верхнего уровня» плавающего Питания (VCC) — столь же просто, в схемотехническом плане, как и «от нижнего уровня» фиксированной Земли (GND).
Если задействуется простой Стабилитрон — там напряжение смещения формируется чисто физическими процессами PN-перехода, а не хитрой схемой ИОН — нет схемотехнических изысков, которые нужно упорядочивать… Однако, микросхемы ИОН имеют столь же простое подключение к схеме: имеют выводы условно именуемые «Анод» и «Катод». А «универсальные микросхемы» имеют ещё вывод обратной связи «ADJ» или «FB», для подстройки порогового номинала внешним резистивным делителем (вместо встроенного и фиксированного), но от своих же выводов «Анод» и «Катод»…

Что лучше: Типовая схема «Рис.1» или Классическая «Рис.2»?

В чём эффективная разница между схемами «Рис.1» и «Рис.2»?
При медленно изменяющихся входных сигналах — эти схемы одинаково эффективны, поскольку наклон графиков нивелируется… Но на больших частотах — это имеет значение!
  1. Ведь, что такое наклон прямой графика? Это изменяющееся входное напряжение.
  2. А что означает «изменение входного напряжения» — это перетекание зарядов, переходные процессы.
  3. А переходные процессы — конечны во времени! Следовательно, имеют место «гонки сигналов».
  4. А гонки сигналов — нарушают стабильность характеристик переключения Компаратора…
Т.е. Классическая схема «Рис.2», где уровень Uref (один из входных напряжений на Компаратор) фиксирован во времени — теоретически, более стабильная. Кроме того, схема «Рис.2» чуток проще рассчитывается… Поэтому, для дальнейшего продвижения и воспроизводства я бы рекомендовал идею «Рис.2»…

Однако, Vga обратил внимание на важный параметр Компараторов и ОУ: «Input Common Mode Voltage Range» (в datasheet обозначается как: Vicm или Vcmr), учёт которого разительно меняет всю картину:

Vga : при использовании LM358 или LM393 лучше поставить стабилитрон сверху, т.к. допустимый уровень сигнала на входах этих микросхем — 0V..Vcc-1.5V, т.е. при опоре в 2.4В снизу питание требуется не менее 4В. При стабилитроне сверху будет работать от 3В (ограничение самого LM358).

Действительно, «допустимые уровни входных сигналов» — для большинства Компараторов и ОУ (исключая «Rail-to-Rail»), специфицируется как:
  • Vicm = [0… Vcc-1.5V], при температуре +25°C
  • Vicm = [0… Vcc-2.0V], во всём температурном диапазоне
А те микросхемы, что не поддерживают входные сигналы до самого нуля — как правило, ассиметрично ближе к нулю, например: [Vss+0.5V… Vdd-1.5V]. Такова тенденция…

Отдельного слова заслуживают элементы «Rail-to-Rail». Современная элементная база развивается по направлению к низковольтной и малотоковой электронике — микросхем «Rail-to-Rail» выпускается всё больше… Я не сильно искал. Потому, мне встретились только два экземпляра, поддерживающих полный диапазон входных напряжений (но их, конечно же, больше):

  • Компаратор серии «MCP6541,1R,1U,2,3,4» имеет: «Input Voltage Range» Vcmr = [Vss-0.3V… Vdd+0.3V]
  • Линейный ОУ серии «MCP6001/2/4» — также, специфицирует: «Common Mode Input Range» Vcmr = [Vss-0.3V… Vdd+0.3V] (и обещает полный «Rail-to-Rail Input/Output»)
Компоненты из категории «Rail-to-Rail» («от шины до шины») — имеется в виду способность принимать на вход или выдавать на выход напряжения «от уровня Земля до уровня Питания»… Кстати, замечу: спецификации на вход и на выход ОУ различаются — и далеко не все ОУ, способные выдавать «Rail-to-Rail» напряжения на выход, поддерживают также и полный диапазон входного напряжения!
  • Вот, например, ОУ серии «MCP601/1R/2/3/4» специфицирует: «Common Mode Input Range» Vcmr = [Vss–0.3V… Vdd–1.2V] (т.е. обещают лишь «Input Range Includes Ground»)…
В принципе, при использовании «Rail-to-Rail Input» компараторов — уже не играет роли какую схему использовать для Супервизора: Типовую «Рис.1» или Классическую «Рис.2». Но следует учитывать, что элементы «Rail-to-Rail» — как правило, низковольтные и дороже обычных (что тоже немаловажно), их ассортимент и доступность более ограничены. Поэтому, в общем случае, не следует на них особо рассчитывать…

Таким образом, абсолютное большинство существующих Компараторов/ОУ (и все традиционные, схемотехника которых рассчитана на широкий диапазон напряжений питания +2..36V) — очень плохо переносят высокие входные напряжения (приближённые к питанию). Хотя, при этом, зачастую хорошо принимают низкие напряжения, вплоть до уровня Земли. Это очень важный аргумент в пользу схемы «Рис.1»!
Наверное, это всё и объясняет: Производители выбирают Типовую схему «Рис.1» для всех простейших Супервизоров — поскольку они предназначены для работы в широком диапазоне напряжений питания, и в особенности для пониженных напряжений (смотри пример на «Рис.5»).

Что лучше: Стабилитрон или ИОН?

Стабилитрон гораздо дешевле и доступнее (везде можно купить)…
Модельный ряд Стабилитронов гораздо шире: существуют Диоды Зеннера на довольно большие номиналы напряжений (до 100-200V)!
В то время как, ИОНы: выпускаются только на малые напряжения (до ~10V), и только для характерных пороговых напряжений (что диктуется технологически).

Однако, для Супервизора большие номиналы напряжений не нужны — чаще требуются малые… И вот тут, ограничение: стабилитроны не бывают на очень малые напряжения! До <2.4V — используются только ИОНы (по технологии Бандгап?)
А ещё, по сравнению с ИОН, Стабилитроны гораздо менее точны (разброс параметров в серии, и температурный дрейф)…

Поэтому, для построения Супервизора — предпочтительнее использовать ИОНы.
Хотя, если не требуется большая точность срабатывания (если у вас не супер мощный микропроцессор с узким диапазоном напряжений питания), и если порог срабатывания схемы не очень мал (выше >4V) — то можно использовать и Стабилитрон, как дешёвую альтернативу.

Зачем нужен выходной транзистор Q1?

Этот вопрос лучше задать иначе: Почему на функциональной схеме Супервизора, в datasheet, после ОУ изображён дополнительный выходной каскад на биполярном транзисторе?
Ответ: Нет там никакого ключа! Это условное графическое изображение (УГО) того факта, что выход Супервизора — с открытым коллектором (англ. «Open collector» or «Open-Drain» Output).

Есть одно важное Функциональное Требование: от Супервизора требуется ВЫХОД С ОТКРЫТЫМ КОЛЛЕКТОРОМ. Ведь, одно из самых традиционных применений Супервизоров — это давить шину RESET к Земле (при некачественном питании)…

Как правило, и для большинства выпускаемых Компараторов это так: выход Компаратора напряжений представляет собой «выход с открытым коллектором»!
Почему именно выход с открытым коллектором? Это лёгкий и доступный, и наверное самый простой, способ обеспечить необходимую универсальность применения Компараторов: совместимость выходов логическим уровням TTL и CMOS. А также, для специфических схем, где требуется открытый коллектор: например, соединять выходы нескольких компараторов по «логике ИЛИ»… или вот, подобно Супервизору, для непосредственного подключения к «Шине с открытым коллектором»…

Но не смотря на то, что Компаратор — это разновидность ОУ… Однако, выходные каскады Операционных усилителей (ОУ) — построены по Двухтактной схеме (как в комплементарной логике), и не являются «выходами с открытым коллектором»!
Поэтому, Операционные усилители (такие как LM324, LM358 и LM741), обычно, не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжений, из-за их биполярных выходов (и низкой скорости). Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компаратора напряжений, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор — для того чтобы воссоздать выход с открытым коллектором… (Приятный бонус: использование внешнего транзистора позволит обеспечить бОльший ток нагрузки, чем у обычного компаратора.)

Поскольку условное графическое изображение (УГО) компараторов и ОУ практически не различаются, то на схемах в datasheet, чтобы подчеркнуть факт «открытого коллектора» — специально дорисовывают дополнительный выходной каскад на биполярном транзисторе (с открытым коллектором)…

Какой номинал «эталонного смещения» выбрать?

Теоретически, можно построить всю серию Супервизоров (весь номинальный ряд от и до [Uпорог_min..Uпорог_max]) на одном единственном ИОН, с фиксированным опорным Uref. Единственное условие, здесь: чтобы опорное напряжение было меньше всех, Uref

Сразу забрезжили «розовые перспективы»: Для всей серии, внутри микросхемы, использовать один и тот же Стабилитрон/ИОН — отлаженной схемы, исследованных и фиксированных характеристик. А вся подстройка на требуемый порог (Uпорог) осуществляется только подбором резисторов в делителе R1:R2…
Преимущества: Технологичность производства (повторяемость характеристик изделий с конвейера), Простота проектирования и перенастройки оборудования для разных номиналов серии… Температурная нестабильность параметров одинаковая во всей серии (т.к. схема одна и та же).

Но это теоретически… А так ли это здорово практически?

Disclamer: На самом деле, я конечно не знаю наверняка, как в промышленных интегральных супервизорах — используется ли один и тот же стабилитрон во всей серии? всеми ли производителями?
В зависимости от технологии производства, в микросхеме могут использоваться как простые «стабилитроны в интегральном исполнении», так и некие «схемы ИОН»… И их может быть несколько номиналов на всю серию, для повышения точности и надёжности конечного Супервизора…

Разбор графиков, ниже, показывает: для повышения точности и надёжности конечного Супервизора — на разные поддиапазоны Uпорогового, следует подбирать своё оптимальное эталонное смещение (Uref)…
4. Методические рекомендации по расчёту Компаратора напряжений в схеме Супервизора

Для настройки схемы Супервизора (точнее, его центрального узла: Компаратора) на конкретный порог срабатывания — первым делом, нужно выбрать оптимальный номинал эталонного смещения: Стабилитрон (dUстаб.) или ИОН (Uref)…

Сперва, разберём Типовую схему «Рис.1» — как самую непонятную, и потому, интересную.

Если есть возможность выбирать номинал Стабилитрона/ИОН (а в схеме на дискретных компонентах такая возможность имеется) то, для повышения надежности работы схемы и чёткости настройки: лучше брать Стабилитрон/ИОН номиналом = [1/2*Uпорог… 3/4*Uпорог], чтобы прямые (1) и (2) на графиках «Рис.4»,«Рис.5»,«Рис.6» сходились под как можно более тупым углом!

Вот здесь-то и становится очевидным, почему нельзя построить всю серию Супервизоров на одном ИОН:
  • Если взять большое опорное напряжение — это очень сильно ограничит диапазон пороговых напряжений, на которые можно построить Супервизор — потому что требуется: Uref<Uпорог_min.
  • Но при слишком маленьком опорном, графики (1) и (2) сходятся уже под таким острым углом, что начинает играть очень большую роль чувствительность входов реального Компаратора/ОУ (см. влияние параметров «Input offset voltage» и «Input offset Drift») — пропорционально, набегает очень большая погрешность измерений входного/тестируемого напряжения питания. Например, пусть Vcc упало на -1V, но при делителе R1:R2 в 1000 раз, Vtest упадёт всего на -1mV!..

Рис.4 — Рекомендуемый диапазон выбора dUстаб. для Типовой схемы «Рис.1»:

А теперь, чтобы проверить методику (и себя), рассмотрим самый трудный случай для этой «Типовой схемы» (стабилитрон в верхнем плече): при малом Uпороговом=2V и размахе питания до Vcc_max=16V — замечу, что этот режим достигается и промышленными микросхемами Супервизоров, самыми малыми в серии.

График, ниже, показывает, что углы схождения прямых сохраняются — методика работает… Номинал эталонного смещения, при этом, выбирается из диапазона dUстаб.=[1-1.5V] — конечно, это будет не Стабилитрон (столь малых не существует), но ИОН стандартного номинала 1.25V.

Рис.5 — Пример режима работы при малом Uпор. (самый трудный случай) для Типовой схемы «Рис.1»:

Далее, разберём Классическую схему «Рис.2» — традиционную и понятную, хороший пример для сравнения.

Аналогичный анализ углов схождения графиков для схемы «Рис.2» (классической) показывает, что для повышения надёжности работы схемы и чёткости настройки, рекомендуется использовать Стабилитрон/ИОН с номинальным Uref, также, из диапазона [1/2*Uпорог… 3/4*Uпорог].
И в целом, такая схема выгоднее (стабильнее) — при равных граничных условиях, углы на графике «Рис.6» больше (тупее), чем на графике «Рис.4»… Поэтому, с некоторой натяжкой, допустимо ещё использовать Стабилитрон/ИОН с Uref из диапазона [1/4*Uпорог… 1/2*Uпорог].

Рис.6 — Рекомендуемый диапазон выбора Uref для Классической схемы «Рис.2»:

Здесь, в точках пересечения графиков (1) и (2), соблюдается условие: Vref=Uпорог*R2/(R1+R2)

Таким образом, итоговая методика расчёта входного каскада Компаратора напряжений:

  1. Сперва, выбирается «эталонное смещение» (dUстаб. или Uref) как часть от требуемого Uпорогового,
    ближайшим номиналом из диапазона [1/2*Uпорог… 3/4*Uпорог],
    из доступных в наличии Стабилитронов или ИОНов.
  2. Затем, окончательная подстройка точки схождения производится номиналами резисторов R1 и R2.
Примечание к выбору dUстаб. и Uref:
Почему рекомендованы такие ограничения?
Все ОУ плохо работают при входных напряжениях в окрестностях 0V или приближённых к VCC. Поэтому, настоятельно не рекомендуется выбирать точку переключения (напряжение компарации) в верхней или нижней четверти Uпорогового. Т.е. не следует (нельзя) выбирать значение dUстаб./Uref из диапазонов [0… 1/4*Uпорог] && [3/4*Uпорог… Uпорог].

Кроме того, есть и чисто схемотехническое ограничение: Не забывайте о необходимости наличия токоограничивающего резистора R3 (необходимого как Стабилитрону, так и ИОНу). На этом резисторе упадёт ещё очень приличное напряжение! Так что, точка компарации естественно опустится из верхней четверти (для схемы «Рис.2») или поднимется над нижней четвертью (для схемы «Рис.1»)… Слишком уменьшать номинал R3 тоже нельзя — увеличится лишний ток через стабилитрон. (Рекомендации по оптимизации токопотребления схемы — см. в следующем блоке.)

Как следствие, принципиально нельзя отказываться от наличия резистивного делителя R1:R2 по входу компаратора. Не смотря на то, что резисторы вносят дополнительную погрешность измерений, усложняют схему — но точку компарации приходится смещать. Рассмотренные схемы содержат необходимый минимум деталей…

Рекомендации к выбору номиналов токоограничивающих резисторов:
Резисторы каскадов (1) и (2) на входе ОУ следует выбирать максимальных номиналов, чтобы минимизировать нецелевой ток, но так чтобы…
  1. В цепи делителя R1:R2 должен протекать ток, как минимум, на порядок больше (в x10 раз), чем входной ток ОУ (который мал, но ненулевой).
  2. Аналогично, и для тока через каскад со Стабилитроном/ИОНом… Но тут есть ещё и дополнительное условие: ток должен быть на порядок больше, чем «минимальный требуемый схеме стабилизации ток для выхода на режим» — см. в datasheet:
    • для Стабилитрона — это параметр «Max reverse Leakage Current, Ir»;
    • а для ИОН — это параметр «Minimum Operating current, Irmin».
  3. Наконец, если в схеме, после Компаратора, присутствует ещё выходной усиливающе-инвертирующий транзисторный ключ Q1… То базовый резистор этого выходного ключа (ранее обозначавшийся как R4, на первых версиях схем «Рис.1»/«Рис.2») рассчитывается по правилам «Инвертора на биполярном транзисторе» (методика)… Основной тезис здесь: базовый ток должен быть достаточным для уверенного поддержания открытого биполярного транзистора в насыщении, даже при минимальном напряжении питания Vcc_min — это определяет верхнюю границу для номинала R4 (реальный номинал выбирается чуть меньше, но приближённым к границе, чтобы минимизировать нецелевой ток).
Приложение: Улучшение работы Супервизора с помощью ПОС

Рис.7 — ПОС на Компараторе добавляет гистерезис переключения:
Пояснение работы схемы:

Положительная Обратная Связь (ПОС) на Компараторе добавляет гистерезис переключения. (Это как «взрывающийся вертолёт» улучшает любой «экшн» — так и ПОС улучшит любой Супервизор!)

Возьмём за основу Классическую схему, где Стабилитрон подключается от Земли — здесь, к «прямому» входу компаратора подключён каскад резистивного делителя (повезло: гистерезис получится).

Особо замечу, что если бы в схеме к «прямому» входу компаратора подключалась цепочка со Стабилитроном D1, то последний бы нивелировал весь ток через резистор R4, и поддерживал бы уровень Vref неизменным — и никакого гистерезиса не наблюдалось бы, как ни крути!

Силу ПОС — а значит и ширину петли гистерезиса — можно регулировать величиной резистора R4. Номинал R4 рекомендую выбирать на порядок больше, чем (R1+R2)… Можно рассчитать и точно, но предупреждаю, что формулы будут скучные (громоздкие, а толку мало):
Когда выход ОУ в «High» состоянии, то R4 запараллелен с R1 в резистивном делителе (R1||R4):R2.
пусть a=1/(1/R1+1/R4),
тогда Vtest1 = Vcc * R2/(a+R2)

Когда выход ОУ в «Low» состоянии, то R4 запараллелен с R2 в резистивном делителе R1:(R2||R4).
пусть b=1/(1/R2+1/R4),
тогда Vtest2 = Vcc * b/(R1+b)

Итоговая Ширина Гистерезиса: dVtest=|Vtest1-Vtest2|
или dVtest = Vcc * |1/(a/R2+1) — 1/(R1/b+1)|

Таким образом, последняя формула показывает, что величину гистерезиса лучше считать не в абсолютных единицах, а в процентах от Vcc. Кроме того, величина гистерезиса меняется от изменения уровня Vcc (что логично)… Поэтому, нас интересует гистерезис именно в окрестностях порогового значения: Uпорог=3.2V
Например, если подставить текущие схемные номиналы в вышеприведенные формулы, то получим: dVtest=3.7% от VCC, или в абсолютной величине (при VCC=Uпорог) dVtest=0.117V

Только учтите, что данное значение дельты dV — действительно применимо к показателю Vtest (который является малополезным)! Чтобы получить оценку гистерезиса применительно к уровню Vcc, нужно ещё домножить эту дельту пропорционально резистивному делителю: dVcc = dVtest * (R1/R2+1)
Например, если подставить текущие схемные номиналы в вышеприведенные формулы, то получим: dVcc=5% от VCC, или в абсолютной величине для dUпорог=0.16V


Недостатки схемы:

Обратите внимание, что у Компаратора выход «с открытым коллектором» — не обеспечивает стабильность «высокого уровня» напряжения. Уровень «лог.1» обеспечивается схеме внешней подтяжкой выхода к шине Питания (в данном случае: цепью условной нагрузки R5). Однако, если таковая подтяжка слаба, если подтягивающее сопротивление сравнимо с величиной R4 — то будут сильны побочные эффекты:
  • ПОС R4 будет значительно засаживать выходное напряжение!
  • И как следствие, на внешнюю схему (на всю шину к которой подключён выход Супервизора) пойдут очень большие глюки.
  • А также, из-за просадки выходного напряжения — эффективность ПОС тоже будет неконтролируемо уменьшаться (ширина гистерезиса входных сигналов будет сужаться).

Поэтому, предупреждение: внешняя подтяжка выходной шины к Питанию должна быть значительно (пусть на 2 порядка) сильнее, чем ПОС. То есть, при R4=1M, подтяжки R5=100k недостаточно для поддержания выходного уровня. И на графике (кликни на картинку «Рис.7») видна эта просадка уровня «OUT» относительно «VCC»! Требуется уменьшить R5, хотя бы до величины R4/100: R5=10k…
Дополнительная литература

Супервизор

ИОН

Компаратор (ОУ)

Расчёт «Инвертора на биполярном транзисторе» (методика)…

p.s. В приложениях к статье — см. модели предложенных схем в Proteus, и даташиты на микросхемы Супервизоров, ИОН и Компараторов…

Компараторы напряжения — Студопедия

В электронике часто возникает необходимость сравнить два сигнала. Сравнению могут подлежать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Обычно устройства сравнения сигналов называют компараторами.

С помощью компараторов фиксируют моменты равенства двух сравниваемых сигналов. Если в качестве сигналов, подлежащих сравнению, используются напряжения, то в этом случае применяют компараторы напряжений.

В общем случае, в зависимости от числа задаваемых пороговых уровней, с которыми сравнивается входное напряжение, различают однопороговые и многопороговые аналоговые компараторы.

В идеальном компараторе его выходное напряжение Uвых может принимать только два значения, одно из которых соответствует уровню логической 1, а другое – уровню логического 0. Наиболее часто в схемах компараторов в качестве их основного звена используют ОУ без цепи ООС.

Компараторы являются составной частью устройств автоматического контроля параметров изделий, аналого-цифровых преобразователей сигналов, ключевых регуляторов и стабилизаторов напряжений, широтно-импульсных модуляторов и т. п.

В качестве аналоговых компараторов могут использоваться специализированные аналоговые микросхемы. Их основу составляют ОУ, работающие в нелинейном режиме. Основные параметры некоторых из них приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Параметр К521СА1, К554СА1 К521СА2, К554СА2 К521САЗ, К554САЗ К521СА4
Коэффициент усиления, тыс. 0,75 0,75
Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений, дБ
Напряжение высокого уровня (лог. 1), В 2,5 … 5 2,5 … 4   2,5 … 4,5
Напряжение низкого уровня (лог. 0), В 0,3 0,3   0 … 0,5
Входной ток, мкА 0,1
Разность входных токов, мкА 0,01 0,75
Напряжение смещения, мВ 3,5
Время задержки выключения, нс
Напряжение питания, В: положительное отрицательное -6 -6 -15 -9
Ток потребления, мА: от положительного источника питания от отрицательного источника питания 11,5 6,5 7,5
Количество каналов
Совместимость с ЦМС ТТЛ ТТЛ ттл, кмоп ТТЛ

Простейшие схемы компараторов могут быть реализованы на основе ОУ без отрицательной обратной связи. Рассмотрим некоторые из них.


Схема однопорогового компаратора напряжения, выполненного на основе ОУ без ООС, показана на рисунке 3.23.


Как было показано ранее, напряжение на выходе ОУ представляет собой усиленную разность напряжений, подаваемых на неинвертирующий и инвертирующий входы, то есть . Если ОУ удовлетворяет условиям идеальности, то напряжение на неинвертирующем входе (рисунок 3.23) равно нулю, а напряжение Uвх полностью приложено к инвертирующему входу (поскольку Iвх = 0). В этом случае можно записать: .


Рисунок 3.23 – Однопороговый компаратор на ОУ

Собственный коэффициент усиления напряжения ОУ KU0 обычно очень большой (десятки … сотни тысяч). Поэтому даже незначительное отклонение входного напряжения от нуля будет приводить к формированию на выходе компаратора напряжения, близкого по уровню к напряжению положительного или отрицательного источников питания. Например, если KU0 = 50 000, то уже при напряжении на входе около 300 мкВ выходное напряжение будет отличаться от напряжения источника питания только лишь на величину напряжения насыщения транзисторов оконечного каскада ОУ (1 … 1,5 В).

Таким образом, для напряжения на выходе компаратора, схема которого приведена на рисунке 3.23, можно записать

(3.36)

Поскольку в рассмотренной схеме выходное напряжение является результатом сравнения входного напряжения с напряжением, равным нулю, схема получила название «нуль-компаратор» или «нуль-индикатор».

На рисунке 3.24 показаны эпюры напряжений на входе и выходе компаратора.


Рисунок 3.24 – Осциллограммы напряжений в схеме

однопорогового компаратора

К неинвертирующему входу компаратора можно подключить источник постоянного напряжения Uоп положительной или отрицательной полярности. В этом случае входное напряжение будет сравниваться с напряжением Uоп и на выходе компаратора будет формироваться напряжение высокого уровня в соответствии с условием

(3.37)

Важным параметром компаратора является время переключения – время изменения выходного напряжения от максимального до минимального (или наоборот) уровня. В специализированных ОУ компараторов время переключения составляет tn = 5 … 500 нс.

Одним из недостатков компаратора является ограниченный динамический диапазон входных сигналов. Для расширения динамического диапазона (для обеспечения возможности сравнивать напряжения относительно большого уровня) на входе компаратора включают диоды, шунтирующие входные цепи ОУ при перегрузке (рисунок 3.25).


Рисунок 3.25 – Схема однопорогового компаратора

с защитой от перегрузок по входу

Часто возникает необходимость определить, находится ли контролируемое напряжение Uвх внутри некоторого «коридора» между двумя уровнями U1 и U2. В этом случае применяют двухпороговый компаратор (рисунок 3.26, а).

На выходе двухпорогового компаратора (то есть на выходе схемы И) сигнал будет иметь уровень логической 1, если входное напряжение принимает значение в соответствии с условием U1оп< Uвх< U2оп. Эпюры напряжений, поясняющие работу двухпорогового компаратора, показаны на рисунке 3.26, б.

Разновидности схем компараторов

  1. Компараторы без положительной обратной связи

    1. двухвходовые (для сравнения однополярных входных сигналов)

    2. одновходовые (для сравнения разнополярных входных сигналов)

  2. Компараторы с положительной обратной связью

Двухвходовый инвертирующий компаратор

Схема двухвходового компаратора приведена на рис. .

Определим величину порогового напряженияUпор. Компаратор срабатывает, когда Uх= Uвх— = Uвх+=Uоп. Отсюда следует, что Uпор=Uоп. На рис. приведена амплитудная характеристика, а на рис. временные диаграммы работы схемы, когда входной сигнал гармонический.

Двухвходовый неинвертирующий компаратор.

Схема двухвходового компаратора приведена на рис. .

Определим величину порогового напряжения Uпор. Компаратор срабатывает, когда Uх= Uвх+ = Uвх— =Uоп. Отсюда следует, что Uпор=Uоп. На рис. приведена амплитудная характеристика, а на рис. временные диаграммы работы схемы, когда входной сигнал гармонический.

Одновходовый инвертирующий компаратор.

Схема двухвходового компаратора приведена на рис. .

Определим величину порогового напряжения Uпор. Компаратор срабатывает, когда Uвх— = Uвх+=0.

Для узла «а» по первому закону Кирхгофа запишем соотношение для токов:I1+I2=Iоу. Каждый из токов запишем по закону Ома и

Учитывая, что Uвх— = Uвх+=0, получим

Так как напряжения Uпор и Uоп имеют разные знаки, то компаратор называют инвертирующим.

На рис. приведена амплитудная характеристика, а на рис. временные диаграммы работы схемы, когда входной сигнал гармонический.

Одновходовый неинвертирующий компаратор.

Компараторы с положительной обратной связью

Благодаря положительной обратной связи такие компараторы имеют:

  1. лучшее быстродействие

  2. высокую помехоустойчивость

Их называют триггерами Шмидта.

Инвертирующий компаратор с положительной обратной связью

Схема инвертирующего компаратора с ПОС приведена на рис. . Резисторы R1, R2 – образуют цепь положительной обратной связи. За счет нее часть выходного сигнала поступает на неинвертирующий вход, что приводит в таких компараторах к двум порогам срабатывания, каждый из которых связан с выходным сигналом. Одно из пороговых напряжений называется верхним UПВ, а другое нижним UПН. Они равны следующим величинам

UПВ+пR1/(R1+R2), UПН= Е+пR1/(R1+R2).

Считаем, что Uоп=0.

Схема работает следующим образом.

  1. Пусть , следовательно U+вх+пR1/(R1+R2), компаратор срабатывает когда

  1. Пусть , следовательно U+вхпR1/(R1+R2), компаратор срабатывает когда

.

Амплитудная характеристика компаратора приведена на рис. .Она имеет гистерезисный характер. Напряжение равное разности UПВ-UПН= Uгист называется напряжением гистерезиса.

Быстродействие компараторов

Быстродействие переключения компараторов зависит от скорости нарастания входных сигналов, т.е. от времени пребывания входного сигнала в зоне неопределенности, а потому переключение компаратора происходит с задержкой. В компараторе с положительной обратной связью переключающий сигнал состоит из двух составляющих:

  1. Входного (исследуемого) сигнала;

  2. Сигнала поступающего с выхода по цепи ПОС.

Сигнал на выходе компаратора усилен в Kоу раз, во столько же раз увеличивается его скорость изменения. За счет этого переключение компаратора с ПОС происходит значительно быстрее, чем без нее.

Принцип работы схемы компаратора OP-Amp и ее применение

Как правило, 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 измерения, когда произвольный входной сигнал достигает Варьирование уровня опорного или определенный пороговый уровень. Компаратор может быть разработан с использованием различных компонентов, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители.Компараторы можно найти во многих электронных приложениях, которые могут использоваться для управления логическими схемами.

Comparator Symbol Comparator Symbol Символ компаратора

Операционный усилитель как компаратор

Когда мы внимательно посмотрим на символ компаратора, мы узнаем его как символ операционного усилителя (операционного усилителя), так что же 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 можно использовать 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 вывода цифрового сигнала.

Comparison of Op-amp and Comparator Output circuitry Comparison of Op-amp and Comparator Output circuitry Сравнение выходной схемы операционного усилителя и компаратора

Работа базовой схемы компаратора

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

Non inverting Comparator Circuit Non inverting Comparator Circuit Цепь неинвертирующего компаратора

При подаче аналогового сигнала на вход компаратора, называемый «неинвертирующим», и — вход, называемый «инвертирующим», схема компаратора сравнивает 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, чем аналоговый вход на инвертирующем входе, тогда на выходе компаратора будет низкий логический уровень.

При этом транзистор Q8 выключится. 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.

PCBWay PCBWay

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.

PCBWay PCBWay

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.

Inverting Comparator Circuit Inverting Comparator Circuit Схема инвертирующего компаратора

Опять же, используя принцип делителя напряжения, напряжение на неинвертирующем входе (V +) составляет примерно V- вольт, поэтому, если мы начнем инвертирующее входное напряжение (V-) с Vcc вольт, V + будет ниже, чем V-, транзистор Q8 будет включен, выход компаратора перейдет в низкий логический уровень.Когда мы регулируем V- ниже V +. После выключения транзистора Q8 выход компаратора перейдет в высокий логический уровень, потому что теперь V + больше, чем V-, и светодиод погаснет.

Inverting Comparator Circuit Inverting Comparator Circuit

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 система автоматического полива, которая может управлять переключением (вкл. / выкл.) двигателя насоса в зависимости от влажности почвы.

The Humidity Monitoring System The Humidity Monitoring System 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.

Схема датчика сердцебиения

System Implementation of the Heartrate Monitor chip System Implementation of the Heartrate Monitor chip Реализация системы микросхемы монитора частоты пульса

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

Цепь дымовой сигнализации

Smoke Alarm Circuit Smoke Alarm Circuit Цепь 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 (отсутствие дыма) значения Vin (no_smoke).По мере того как интенсивность света на базе фототранзистора уменьшается из-за попадания дыма в область, ток базы уменьшается, а напряжение Vin будет увеличиваться от базового (без дыма) значения Vin (no_smoke). Когда напряжение Vin пересекает Vref, выход компаратора переключается с VL на VH, вызывая аварийный сигнал.

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, не стесняйтесь оставлять комментарии в разделе ниже.Вот вам вопрос: знаете ли вы какие-либо приложения для встроенных систем, в которых операционный усилитель используется в качестве схемы компаратора?

.Цепи компаратора напряжения

by Lewis Loflin

На этой странице представлена ​​основная информация о компараторе напряжения интегральных схем и должен служить справочным материалом для других схем. В Показанные схемы основаны на четырехканальном компараторе напряжения LM339 или LM393. Двойной компаратор напряжения. Эти устройства функционально идентичны. В Компаратор напряжения LM311 также может использоваться для этих приложений, а также имеет ряд уникальных особенностей.

Здесь я сконцентрируюсь на примерах, не представленных в моем Руководстве по примерам схем компаратора. Я хотел бы поблагодарить Роба Пейсли за его тяжелую работу и вдохновение.

Видео на YouTube: Введение в схемы компаратора

См. Мою страницу Просмотр схем оконного компаратора


Рис. 1 Внутренние соединения четверного компаратора 1/4
LM339.
Щелкните изображение, чтобы увеличить его.

На рис. 1 показана внутренняя эквивалентная схема одиночного компаратора в счетверенном компараторе LM339.(См. Внутренние соединения корпуса для LM339.) Он состоит из операционного усилителя с выходным транзистором с открытым коллектором.


Рис. 2 Компаратор
на базе LM741 использует биполярный источник питания — щелкните изображение для полного размера.

На рис. 2 показано использование схемы компаратора операционного усилителя LM741. Это требует двухполюсного источника питания и создает ряд проблем. Мы можем использовать операционный усилитель LM358 с однополярным питанием. К счастью, все LM339, LM393 и LM311 представляют собой компараторы с однополярным питанием и выходами с открытым коллектором.

Все они работают так же: когда напряжение на вход опорного сигнала больше, чем вход напряжения выход включается или выключается.


Рис. 3 Неинвертирующий компаратор.

Рис. 4 Инвертирующий компаратор.

Рис. 5 Функциональный эквивалент LM339.

LM311 отличается от LM339 и LM393 тем, что эмиттер выходного транзистора должен быть заземлен снаружи.

В случае LM358 или LM741 он выдает напряжение, в то время как открытый коллектор включается, создавая путь к земле — электронный переключатель ВКЛ-ВЫКЛ.

Еще раз повторить правило для входов компаратора с выходами с открытым коллектором:

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

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


Фиг.6

Гистерезис

Гистерезис определяется как:

При медленном изменении входного сигнала могут появиться колебания на выходе, пока входной сигнал остается близким к опорному напряжению.Также сигнал низкой амплитуды на высоком импедансе может вызывают колебания из-за шумового фона. Такое нежелательное поведение можно решить с помощью гистерезис. Принцип гистерезиса состоит из двух различных входных пороговых напряжений. в зависимости от фактического состояния выхода.

Рис. 7 Триггер Шмитта на основе компаратора.

На рис. 7 показан триггер Шмитта на основе компаратора, который используется для обеспечения четкого переключения с зашумленными или нестабильными сигналами. Когда входное напряжение на TP2 меньше TP1, компаратор находится в состоянии ВЫКЛ.ТР3 подтягивается почти до 12 вольт резистором R4 3K.


Рис. 8

На рис. 8 показано, как, когда компаратор выключен, R4 и R1 образуют последовательность 30K, которая параллельна R2, смещающему TP1 (Vref) до 6,56 вольт.

Без R1 Vref было бы 6 вольт.


Рис. 9

Когда компаратор включен, TP3 переключается на землю через внутренний транзистор с открытым коллектором, где резистор R1 47 кОм теперь включен параллельно с резистором R3 10 кОм, образуя общее сопротивление 8245 Ом.Это снижает Vref на TP1 до 5,36 вольт.

Для включения компаратора требуется 6,56 В на Vin, но для выключения напряжение должно упасть до 5,36 В. Это обеспечивает коммутационный зазор или значение гистерезиса ~ 1,2 В, что обеспечивает стабильную работу.


Рис. 9 Инвертирующий компаратор операционного усилителя LM358.
Щелкните изображение, чтобы увеличить его.


Рис. 10 Схема компаратора фотоэлементов включается в темноте.

.

Аналоговый компаратор опорного напряжения Обзор

Переключить навигацию

  • Инструменты разработки
    • Какие инструменты мне нужны?
    • Программные средства
      • Начни здесь
      • MPLAB® X IDE
        • Начни здесь
        • Установка
        • Введение в среду разработки MPLAB X
        • Переход на MPLAB X IDE
          • Переход с MPLAB IDE v8
          • Переход с Atmel Studio
        • Конфигурация
        • Плагины
        • Пользовательский интерфейс
        • Проектов
        • файлов
        • Редактор
          • Редактор
          • Интерфейс и ярлыки
          • Основные задачи
          • Внешний вид
          • Динамическая обратная связь
          • Навигация
          • Поиск, замена и рефакторинг
          • Инструменты повышения производительности
            • Инструменты повышения производительности
            • Автоматическое форматирование кода
            • Список задач
            • Сравнение файлов (разница)
            • Создать документацию
        • Управление окнами
        • Сочетания клавиш
        • Отладка
        • Контроль версий
        • Автоматизация
          • Язык управления стимулами (SCL)
          • Отладчик командной строки (MDB)
          • Создание сценариев IDE с помощью Groovy
        • Поиск и устранение неисправностей
        • Работа вне MPLAB X IDE
        • Прочие ресурсы
      • MPLAB Xpress
      • MPLAB IPE
      • Программирование на C
      • Компиляторы MPLAB® XC
        • Начни здесь
        • Компилятор MPLAB® XC8
        • Компилятор MPLAB XC16
        • Компилятор MPLAB XC32
        • Компилятор MPLAB XC32 ++
        • Охват кода
        • MPLAB
      • Компилятор IAR C / C ++
      • Конфигуратор кода MPLAB (MCC)
      • Гармония MPLAB v2
      • Гармония MPLAB v3
      • среда разработки Atmel® Studio
      • Atmel СТАРТ (ASF4)
      • Advanced Software Framework v3 (ASF3)
        • Начни здесь
        • ASF3 Учебники
          • ASF Audio Sine Tone Учебное пособие
          • Интерфейс ЖК-дисплея с SAM L22 MCU Учебное пособие
      • Блоки устройств MPLAB® для Simulink®
      • Утилиты
      • Инструменты проектирования
      • FPGA
      • Аналоговый симулятор MPLAB® Mindi ™
    • Аппаратные средства
      • Начни здесь
      • Сравнение аппаратных средств
      • Средства отладки и память устройства
      • Исполнительный отладчик
      • Демо-платы и стартовые наборы
      • Внутрисхемный эмулятор MPLAB® REAL ICE ™
      • Эмулятор SAM-ICE JTAG
      • Внутрисхемный эмулятор
      • Atmel® ICE
      • Power Debugger
      • Внутрисхемный отладчик MPLAB® ICD 3
      • Внутрисхемный отладчик MPLAB® ICD 4
      • Внутрисхемный отладчик
      • PICkit ™ 3
      • Внутрисхемный отладчик MPLAB® PICkit ™ 4
      • MPLAB® Snap
      • MPLAB PM3 Универсальный программатор устройств
      • Принадлежности
        • Заголовки эмуляции и пакеты расширения эмуляции
        • Пакеты расширения процессора и отладочные заголовки
          • Начни здесь
          • Обзор
          • PEP и отладочных заголовков
          • Требуемый список заголовков отладки
            • Таблица обязательных отладочных заголовков
            • AC162050, AC162058
            • AC162052, AC162055, AC162056, AC162057
            • AC162053, AC162054
            • AC162059, AC162070, AC162096
            • AC162060
            • AC162061
            • AC162066
            • AC162083
            • AC244023, AC244024
            • AC244028
            • AC244045
            • AC244051, AC244052, AC244061
            • AC244062
          • Необязательный список заголовков отладки
            • Дополнительный список заголовков отладки — устройства PIC12 / 16
            • Дополнительный список заголовков отладки — устройства PIC18
            • Дополнительный список заголовков отладки — Устройства PIC24
          • Целевые следы заголовка отладки
          • Отладочные подключения заголовков
      • SEGGER J-Link
      • Решения для сетевых инструментов
      • K2L
      • Рекомендации по проектированию средств разработки
      • Ограничения отладки — микроконтроллеры PIC
      • Инженерно-технические примечания (ETN) [[li]] Встраиваемые платформы chipKIT ™
  • Проектов
    • Начни здесь
    • Преобразование мощности
      • AN2039 Четырехканальный силовой секвенсор PIC16F1XXX
    • 8-битные микроконтроллеры PIC®
    • 8-битные микроконтроллеры AVR®
    • 16-битные микроконтроллеры PIC®
    • 32-битные микроконтроллеры SAM
    • 32-разрядные микропроцессоры SAM
      • Разработка приложений SAM MPU с помощью MPLAB X IDE
      • Примеры пакетов программного обеспечения
      • SAM MPU
    • Запланировано дополнительное содержание…
  • Продукты
    • 8-битные микроконтроллеры PIC
    • 8-битные микроконтроллеры AVR
      • Начни здесь
      • Структура 8-битного микроконтроллера AVR®
      • 8-битные периферийные устройства AVR®
        • Осциллятор
        • USART
        • прерываний
        • аналоговый компаратор и опорное напряжение
        • Таймер / счетчики
        • Внутренний датчик температуры
        • Работа с низким энергопотреблением
        • Сброс источников
      • Начало работы с микроконтроллерами AVR®
      • Использование микроконтроллеров AVR® с Atmel START
      • Запланировано дополнительное содержание…
    • 16-битные микроконтроллеры PIC и dsPIC DSC
    • 32-битные микроконтроллеры
.

Как использовать операционный усилитель в качестве схемы компаратора

В этом посте мы подробно узнаем, как использовать любой операционный усилитель в качестве компаратора в схеме для сравнения входных дифференциалов и получения соответствующих выходных сигналов.

Что такое компаратор на операционном усилителе

Мы использовали микросхему операционного усилителя, вероятно, с тех пор, как начали изучать электронику. Я имею в виду эту замечательную маленькую микросхему IC 741, с помощью которой становится возможным создание практически любой схемы на основе компаратора.

Здесь мы обсуждаем одну из простых схем применения этой ИС, где она конфигурируется как компаратор, неудивительно, что следующие приложения могут быть изменены множеством различных способов в соответствии с предпочтениями пользователя.

Как следует из названия, компаратор операционных усилителей относится к функции сравнения между определенным набором параметров или может быть просто парой величин, как в случае.

Поскольку в электронике мы в первую очередь имеем дело с напряжениями и токами, эти факторы становятся единственными агентами и используются для работы, регулирования или управления различными задействованными компонентами.

В предлагаемой конструкции компаратора операционного усилителя в основном используются два разных уровня напряжения на входных контактах для их сравнения, как показано на диаграмме ниже.

ПОМНИТЕ, НАПРЯЖЕНИЕ НА ВХОДНЫХ КОНТАКТАХ НЕ ДОЛЖНО ПРЕВЫШАТЬ УРОВЕНЬ ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ОПУ, НА РИСУНКЕ НЕ ДОЛЖНО ПРЕВЫШАТЬ +12 В.

Два входных контакта операционного усилителя называются инвертирующими (с знак минус) и неинвертирующий вывод (со знаком плюс) становятся входами считывания операционного усилителя.

При использовании в качестве компаратора, один из штифтов из двух применяется с фиксированным опорным напряжением, а другой штырь подается напряжение, уровень которого необходимо контролировать, как показано ниже.

Мониторинг вышеуказанного напряжения осуществляется по фиксированному напряжению, приложенному к другому дополнительному выводу.

Поэтому, если напряжение, которое должно контролироваться поднимается выше или падает ниже фиксированного опорного порогового напряжения, состояние выхода возвращается или изменяет свое первоначальное состояние или изменяет свою полярность выходного напряжения.

Видео-демонстрация

Как работает компаратор на операционных усилителях

Давайте проанализируем приведенное выше объяснение, изучив следующий пример схемы переключателя светового датчика.

Глядя на принципиальную схему, мы обнаруживаем, что схема сконфигурирована следующим образом:

Мы видим, что вывод №7 операционного усилителя, который является выводом питания +, подключен к положительной шине, аналогично его выводу №4, который является отрицательный вывод питания подключен к отрицательной или, скорее, нулевой шине питания.

Вышеупомянутая пара контактов обеспечивает питание ИС, чтобы она могла выполнять свои функции.

Теперь, как обсуждалось ранее, вывод №2 ИС подключен к стыку двух резисторов, концы которых подключены к положительной и отрицательной шинам источника питания.

Такое расположение резисторов называется делителем потенциала, что означает, что потенциал или уровень напряжения на стыке этих резисторов будет примерно половиной напряжения питания, поэтому, если напряжение питания равно 12, переход делителя потенциала сеть будет 6 вольт и тд.

Если напряжение питания хорошо регулируются, чем выше уровень напряжения будет также хорошо закреплен и, следовательно, может быть использован в качестве опорного напряжения для штифта # 2.

Следовательно, что касается напряжения перехода резисторов R1 / R2, это напряжение становится опорным напряжением на выводе №2, что означает, что ИС будет отслеживать и реагировать на любое напряжение, которое может превышать этот уровень.

Измеряемое напряжение, которое необходимо контролировать, подается на контакт № 3 ИС, в нашем примере через LDR. Контакт № 3 подключается к месту соединения вывода LDR и предустановленной клеммы.

Это означает, что этот переход снова становится делителем потенциала, уровень напряжения которого на этот раз не фиксирован, поскольку значение LDR не может быть фиксированным и будет изменяться в зависимости от условий внешней освещенности.

Теперь предположим, что вы хотите, чтобы схема определяла значение LDR в какой-то момент сразу после наступления сумерек, вы настраиваете предустановку таким образом, чтобы напряжение на выводе № 3 или на стыке LDR, и предустановка просто пересекала отметку 6 В. .

Когда это произойдет значение поднимается выше установленной ссылка на выводе # 2, это информирует IC о смысле напряжении, возвышающемся над опорным напряжением на выводе # 2, это мгновенно возвращается выход IC, который меняется на позитив от своего первоначального положение нулевого напряжения.

Вышеупомянутое изменение состояния ИС с нуля на положительное запускает каскад драйвера реле, который включает нагрузку или индикаторы, которые могут быть подключены к соответствующим контактам реле.

Помните, что значения резисторов, подключенных к контакту №2, также могут быть изменены для изменения порога чувствительности контакта №3, поэтому все они взаимозависимы, что дает вам широкий угол изменения параметров схемы.

Еще одна особенность R1 и R2 заключается в том, что они исключают необходимость использования источника питания двойной полярности, что делает задействованную конфигурацию очень простой и аккуратной.

Замена параметра измерения параметром настройки

Как показано ниже, описанный выше рабочий ответ можно просто изменить, поменяв местами положения входных контактов ИС или рассмотрев другой вариант, в котором мы только меняем местами положения LDR. и предустановка.

Вот как ведет себя любой базовый операционный усилитель, когда он настроен как компаратор.

Подводя итог, можно сказать, что в любом операционные усилители на основе compartaor, следующие операции имеют место:

Практический пример # 1

1) Когда инвертирующий штифт (-) применяется ссылку фиксированного напряжения, и неинвертирующий ( +) входной контакт подвергается изменяющемуся напряжению считывания, выход операционного усилителя остается 0 В или отрицательным, пока напряжение на контакте (+) остается ниже уровня напряжения эталонного контакта (-).

Поочередно, как только напряжение на выводе (+) становится выше, чем напряжение (-), на выходе быстро устанавливается положительный уровень постоянного тока питания.

Пример # 2

1) И наоборот, когда неинвертирующий контактный (+) применяется ссылку фиксированного напряжения, а инвертирующий (-) вход контактный подвергается воздействию чувствительного напряжения, изменяющего, выход операционного усилителя остается питания уровень постоянного тока или положительный при условии, что (-) STAYS контактного напряжения ниже (+) Refernce выводы напряжения уровня.

Поочередно, как только напряжение на выводе (-) становится выше, чем напряжение (+), выход быстро становится отрицательным или переключается на 0В.

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *