Микросхема компаратор: Компаратор. Описание и применение. Часть 1 – Компаратор. Описание и применение. Часть 1 — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

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.

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:

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

Это продолжение предыдущей статьи. Диапазон гистерезиса компаратора может быть увеличен путем добавления резистора между выходом компаратора и его прямым входом (+). Это создает петлю обратной связи, в результате чего, когда происходит изменение сигнала на выходе, напряжения на входе (+) так же немного изменяется, в результате чего увеличивается разница напряжения между входами компаратора.

Следует отметить, что обратная связь может быть подключена только на прямой вход (+).

Если выход компаратора находится в стоянии «выкл.», то на инверсном входе (-) напряжение будет выше напряжения на его прямом входе (+) до того момента, когда выход перейдет в состояние «вкл.». При включенном выходе, на входе (-) напряжение становится немного ниже входного (+), до того момента, когда выход компаратора перейдет в выключенное состояние.

Для того, чтобы заставить выход компаратора переключаться как можно быстрее (чисто), можно увеличить разницу напряжений гистерезиса. Ниже приведена триггерная схемы с применением большого гистерезиса для того, чтобы создать эффект памяти, с большим изменением входного напряжения, необходимый для четкого переключения выхода компаратора.

Добавление разделительного диода к выходу компаратора

Диод может быть подсоединен к выходу компаратора для того, чтобы индикатор уровня выходного сигнал компаратора (светодиод), не влиял на схему компаратора.

Цифровой мультиметр AN8009

Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS…

Мультиметр — RICHMETERS RM101

Richmeters RM101 — удобный цифровой мультиметр с автоматическим изменен…

Мультиметр — MASTECH MY68

Измерение: напряжения, тока, сопротивления, емкости, частоты…

Диоды также могут быть использованы для разделения нескольких контуров, подключенных к одному компаратора.

Двухпороговый компаратор

Двухпороговый компаратор, или как еще его называют компаратор «с окном» позволяет контролировать входное напряжение, которое должно находиться в заданном диапазоне напряжений.

Для этого компараторы, имеющие выход с открытым коллектором, например, LM339 или LM393, должны быть настроены так, чтобы на обоих выходах был высокий уровень, когда контролируемое входное напряжение находится в заданном диапазоне.

Генератор на компараторе

Компараторы также могут быть использованы в качестве генераторов, но они не очень хорошо подходят для этого типа схем.

Примеры применения компаратора

Ниже приведены несколько базовых схем с использованием компаратора. Значения сопротивлений резисторов не являются критическими и должны быть использованы в качестве ориентира.

Схема с фотодиодом

Если необходим более высокий ток нагрузки, то в таком случае необходимо к выходу компаратора подключить PNP-транзистор. Это позволит управлять нагрузкой до 300 мА, например, реле.

Схема временной задержки

Схемы коротких временных интервалов, такие как одиночные импульсы или временные задержки могут быть построены на одном или двух компараторах.

Обратите внимание, что второй компаратор в схеме имеет на своем прямом входе тоже опорное напряжение, что и первый компаратор. В большинстве случаев любое количество компараторов могут иметь один и тот же источник напряжения на одном входе, и это значительно упрощает схему.

Схемы с двухконтурным питанием

Поскольку выходной транзистор компаратора имеет открытый коллектор напряжение питания и нагрузки может быть разным. Это означает, что компаратор может работать, например, от 12 вольт, в то время как нагрузке необходимо 24 вольта (реле) или 5 вольт (светодиод). Следующие две схемы объясняют применение компаратора с двумя контурами напряжения.

Четырехуровневый индикатор напряжения.

Эта схема индикатора может последовательно указывать 4 уровня напряжения. Напряжение, при котором включается тот или иной светодиод, задается простым делителем напряжения на резисторах R2-R6..

Эта схема не имеет стабильного опорного напряжения и, следовательно, не подходит для индикации напряжения батареи от которой запитана сама схема, поскольку с снижением заряда батареи будет меняться и опорное напряжение компаратора.

Так же для построения индикаторов подобного типа существуют специализированные микросхемы: LM3914 и LM3915.

Компаратор на операционном усилителе

Операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов. Для этого необходимо к выходу операционного усилителя подключить диод или транзистор.

Использование транзистора позволяет обеспечить больший ток нагрузки, чем у обычного компаратора.

LM393 DIP Cдвоенный компаратор.

50 шт. LM393 DIP Cдвоенный компаратор. US $2.00

Опрос: Изготавливали ли Вы что-нибудь своими руками? (Кол-во голосов: 1135)

Да, много чего

Да, было разок

Нет, пока изучаю для того, чтобы изготовить

Нет, не собираюсь

Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты

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