Obwody komparatora

Jak działa komparator napięcia

W wielu opisach komparator jest porównywany z konwencjonalnymi wagami dźwigniowymi, tak jak na bazarze: standard umieszcza się na jednej misce - odważniki, a sprzedawca zaczyna umieszczać towary, takie jak ziemniaki, na drugiej. Gdy tylko waga produktu stanie się równa wadze odważników, a dokładniej nieco więcej, kubek z odważnikami przyspieszy. Ważenie zostało zakończone.

To samo dzieje się z komparatorem, tylko w tym przypadku rolę wag odgrywa napięcie odniesienia, a sygnał wejściowy jest wykorzystywany jako ziemniak. Gdy tylko jednostka logiczna pojawi się na wyjściu komparatora, uważa się, że nastąpiło porównanie napięcia. Jest to bardzo „nieco więcej”, które w katalogach nazywane jest „czułością progową komparatora”.

Kontrola komparatora napięcia

Nowicjusze - inżynierowie elektronicy często pytają, jak sprawdzić określoną część. Aby sprawdzić komparator, nie trzeba montować żadnego złożonego obwodu. Wystarczy podłączyć woltomierz do wyjścia komparatora i zastosować regulowane napięcia do wejść i ustalić, czy komparator działa, czy nie. I oczywiście będzie bardzo dobrze, jeśli nadal pamiętasz, aby przyłożyć moc do komparatora!

Nie należy jednak zapominać, że wiele komparatorów ma tranzystor wyjściowy, w którym odkrycia kolektora i emitera po prostu „wiszą w powietrzu”, co opisano w artykule „Komparatory analogowe”. Dlatego te wnioski należy odpowiednio połączyć. Jak to zrobić pokazano na rycinie 1.

Rysunek 1. Schemat połączeń komparatora

Napięcie odniesienia uzyskane z dzielnik R2, R3 od napięcia zasilania + 5 V. W rezultacie 2,5 V uzyskuje się na wejściu odwrotnym. Załóżmy, że suwak rezystora zmiennego R1 znajduje się w najniższej pozycji, tj. napięcie na nim wynosi 0 V. To samo napięcie występuje na bezpośrednim wejściu komparatora.

Jeśli teraz, obracając silnik rezystora zmiennego R1, stopniowo zwiększaj napięcie na bezpośrednim wejściu komparatora, to po osiągnięciu 2,5 V logika 1 pojawi się na wyjściu komparatora, który otworzy tranzystor wyjściowy, zaświeci się dioda HL1.

Jeśli teraz silnik R1 zostanie obrócony w kierunku zmniejszenia napięcia, to w pewnym momencie dioda HL1 niewątpliwie zgaśnie. Wskazuje to na prawidłowe działanie komparatora.

Eksperyment może być nieco skomplikowany: zmierzyć napięcie na bezpośrednim wejściu komparatora za pomocą woltomierza i ustalić, przy jakim napięciu zaświeci się dioda LED i przy którym gaśnie. Różnica w tych napięciach będzie histerezą komparatora. Nawiasem mówiąc, niektóre komparatory mają specjalny pin (pin) do regulacji wartości histerezy.

Do przeprowadzenia takiego eksperymentu potrzebny będzie cyfrowy woltomierz zdolny do „łapania” miliwoltów, wieloobrotowy rezystor przycinania i spora cierpliwość dla wykonawcy. Jeśli cierpliwość dla takiego eksperymentu nie wystarczy, możesz wykonać następujące czynności, co jest o wiele prostsze: zamień bezpośrednie i odwrotne dane wejściowe oraz obróć rezystor zmienny, aby zaobserwować, jak zachowuje się dioda LED, tj. wyjście komparatora.

Rysunek 1 pokazuje tylko schemat blokowy, więc numery pinów nie są wskazane. Podczas sprawdzania prawdziwego komparatora będziesz musiał poradzić sobie z jego wyprowadzeniem (wyprowadzeniem). Następnie rozważone zostaną niektóre praktyczne schematy i krótki opis ich pracy.

Często w jednym przypadku jest kilka komparatorów, dwa lub cztery, co pozwala tworzyć różne urządzenia bez instalowania dodatkowych układów na płycie. Komparatory mogą być od siebie niezależne, ale w niektórych przypadkach mają połączenia wewnętrzne. Jako taki układ rozważ podwójny komparator MAX933.

Komparator MAX933

Dwa komparatory „pod napięciem” w jednej obudowie mikroukładu. Oprócz samych komparatorów wewnątrz układu znajduje się wbudowane źródło napięcia odniesienia 1,182 V. Na rysunku pokazano to w postaci diody Zenera, która jest już podłączona do mikroukładu: do górnego komparatora do wejścia odwrotnego i do dołu do linii prostej. Ułatwia to tworzenie wielopoziomowego komparatora zgodnie z zasadami „Little”, „Norm”, „Many” (detektory podnapięciowe / przepięciowe). Takie komparatory nazywane są okienkami, ponieważ pozycja „norm” znajduje się w „oknie” między „nielicznymi” a „wieloma”.

Studiuj program porównawczy Multisim

Rysunek 2 pokazuje pomiar napięcia odniesienia wytwarzanego za pomocą programu symulatora Multisim. Pomiar jest przeprowadzany za pomocą multimetru XMM2, który pokazuje 1,182 V, co w pełni odpowiada wartości określonej w karcie danych komparatora. Pin 5 HYST, - regulacja histerezy, w tym przypadku nie jest używana.

Rycina 2

Za pomocą przełącznika S1 można ustawić poziom napięcia wejściowego i jednocześnie na obu komparatorach: zamknięty przełącznik dostarcza niski poziom wejściowy (mniejszy niż napięcie odniesienia), jak pokazano na ryc. 3, stan otwarty odpowiada wysokiemu poziomowi, - ryc. 4. Stan wyjść komparatorów pokazane za pomocą multimetrów XMM1, XMM2.

Komentarze do rysunków są całkowicie zbędne - aby zrozumieć logikę komparatorów, wystarczy uważnie rozważyć odczyty multimetrów i pozycję przełącznika S1. Należy jedynie dodać, że taki schemat może być zalecany do sprawdzania prawdziwego „żelaznego” komparatora.

Rycina 3

Rycina 4

Obwód testowy napięcia

Obwód takiego komparatora pokazany w karcie katalogowej pokazano na rysunku 5.

W przypadku sygnałów wyjściowych zbyt niskiego napięcia (OUTA) i nadmiernego napięcia (OUTB) poziom aktywnego sygnału jest niski, na co wskazuje podkreślenie sygnałów z góry. Czasami do tych celów przed nazwą sygnału używany jest znak „-” lub „/”. Sygnały te można nazwać alarmami.

Sygnał POWER GOOD jest wysyłany element logiczny ANDgdy oba alarmy mają poziom jednostki logicznej. Aktywny sygnał POWER GOOD jest wysoki.

Jeśli przynajmniej jeden z alarmów jest niski, sygnał POWER GOOD zniknie - również będzie niski. To po raz kolejny pozwala sprawdzić, czy obwód logiczny AND dla niskich poziomów jest logicznym OR.

Rysunek 5. Obwód komparatora

Kontrolowane napięcie wejściowe jest dostarczane przez dzielnik R1 ... R3, którego wartość rezystorów oblicza się z uwzględnieniem zakresu kontrolowanych napięć. Procedurę obliczeniową podano, nawet z przykładem, w Karcie Danych.

Aby zmniejszyć drgania podczas przełączania, wartość histerezy ustawia się za pomocą dzielnika R4, R5. Rezystory te są obliczane przy użyciu wzorów podanych również w karcie danych. Dla wartości wskazanych na schemacie wartość histerezy wynosi 50 mV.

System zarządzania kopiami zapasowymi

Podobne schematy są stosowane na przykład w systemy alarmowe. Algorytm działania tych schematów jest dość prosty. Jeśli napięcie sieciowe ulegnie awarii, system bezpieczeństwa przełącza się na zasilanie bateryjne, a po przywróceniu sieci ponownie działa z zasilacza, podczas gdy akumulator jest ładowany. Aby wdrożyć taki algorytm, należy ocenić co najmniej dwa czynniki: obecność napięcia sieciowego i stan akumulatora.

Funkcjonalny obwód sterowania pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6. Schemat tworzenia kopii zapasowej zasilania na jednym układzie

Napięcie wyprostowane + 9 V DC jest doprowadzane diodą do regulatora napięcia, z którego zasilane jest urządzenie zabezpieczające. W tym przypadku dzielnik R1, R2 jest czujnikiem napięcia sieciowego, który jest monitorowany przez dolny komparator z wyjściem OUTA. Kiedy na wyjściu dolnego komparatora występuje napięcie sieciowe i jest to uzasadnione, jednostka logiczna, która otwiera tranzystor polowy Q1, przez który ładowana jest bateria. Ten sam sygnał kontroluje wskaźnik działania sieci.

W przypadku zaniku lub spadku napięcia sieciowego na wyjściu komparatora pojawia się logiczne zero, tranzystor polowy zamyka się, akumulator przestaje się ładować, wskaźnik pracy sieci gaśnie lub zmienia kolor. Możliwe jest również pojawienie się sygnału dźwiękowego.

Naładowana bateria przez diodę przełączającą jest podłączona do stabilizatora, a urządzenie kontynuuje pracę w trybie offline. Ale w celu ochrony akumulatora przed całkowitym rozładowaniem inny komparator monitoruje jego stan, najwyższy zgodnie ze schematem.

Chociaż akumulator jeszcze się nie rozładował, napięcie na odwrotnym wejściu komparatora B jest wyższe niż wartość odniesienia, dlatego poziom wyjściowy komparatora jest niski, co odpowiada normalnemu ładowaniu akumulatorów. Gdy nastąpi rozładowanie, napięcie na dzielniku R3, R4 spada, a gdy spadnie poniżej wartości odniesienia, na wyjściu komparatora zostanie ustalony wysoki poziom, co wskazuje na niski poziom naładowania akumulatora. Najczęściej ten stan jest wskazywany przez denerwujący pisk urządzenia.

Obwód opóźnienia czasowego

Pokazane na ryc. 7.

Ryc. 7. Schemat opóźnienia komparatora

Schemat działa w następujący sposób. Naciśnięcie przycisku PRZEŁĄCZNIK MOMENTARNY powoduje naładowanie kondensatora C do napięcia źródła zasilania. Prowadzi to do tego, że napięcie na wejściu IN + staje się wyższe niż napięcie odniesienia na wejściu IN-. Dlatego wyjście OUT jest ustawione na wysoki poziom.

Po zwolnieniu przycisku kondensator zaczyna rozładowywać się przez rezystor R, a gdy napięcie na nim, a zatem na wejściu IN + spadnie poniżej napięcia odniesienia na wejściu IN-, poziom wyjściowy komparatora OUT będzie niski. Po ponownym naciśnięciu przycisku wszystko się powtarza.

Napięcie odniesienia na wejściu IN- ustawia się za pomocą dzielnika trzech rezystorów, a wartości wskazane na schemacie wynoszą 100 mV. Ten sam dzielnik ustawia histerezę komparatora (HYST) w granicach 50 mV. Tak więc kondensator C jest rozładowywany do napięcia 100-50 = 50 mV.

Pobór prądu przez samo urządzenie jest niewielki, nie więcej niż 35 mikroamperów, a prąd wyjściowy może osiągnąć 40 mA.

Czas opóźnienia oblicza się według wzoru R * C * 4,6 sek. Przykładem są obliczenia z następującymi danymi: 2M & # 937; * 10µF * 4,6 = 92 sek. Jeśli rezystancja jest wskazana w megaomach, pojemność jest w mikrofaradach, a następnie wynik jest uzyskiwany w sekundach. Ale to tylko wynik obliczony. Rzeczywisty czas będzie zależeć od napięcia źródła zasilania i od jakości kondensatora, od jego prądu upływu.

Niektóre proste obwody komparatora

Podstawą obwodów, które zostaną rozważone później, jest przekaźnik gradientowy, obwód, który reaguje nie na obecność jakiegokolwiek sygnału, ale na szybkość jego zmiany. Jednym z tych czujników jest przekaźnik zdjęćktórego schemat pokazano na rycinie 8.

Rysunek 8. Schemat przekaźnika foto w komparatorze

Sygnał wejściowy jest uzyskiwany z dzielnika utworzonego przez rezystor R1 i fotodiodę VD3. Wspólny punkt tego dzielnika poprzez diody VD1 i VD2 jest podłączony do bezpośredniego i odwracającego wejścia komparatora DA1. Okazuje się zatem, że wejścia bezpośrednie i odwrotne mają to samo napięcie, tj. nie ma różnicy między napięciami na wejściach. Przy tym stanie na wejściach czułość komparatora jest bliska maksimum.

Aby zmienić stan komparatora, wymagana będzie różnica napięć na wejściach w miliwoltach. Chodzi o to, jak wcisnąć mały palec w otchłań wiszącą na krawędzi kamienia. W międzyczasie na wyjściu komparatora występuje logiczne zero.

Jeśli oświetlenie nagle się zmienia, zmienia się również napięcie na fotodiodzie, przypuśćmy, że rośnie. Wydaje się, że wraz z tym napięcie na obu wejściach komparatora zmieni się natychmiast. Dlatego pożądana różnica napięcia na wejściach nie będzie działać, a zatem stan wyjścia komparatora nie zmieni się.

Wszystko to byłoby tak, gdyby nie zwracać uwagi na kondensator C1 i rezystor R3. Dzięki temu obwodowi RC napięcie na odwrotnym wejściu komparatora wzrośnie z pewnym opóźnieniem w stosunku do wejścia bezpośredniego. Dla czasu opóźnienia napięcie na wejściu bezpośrednim będzie większe niż na odwrotnym. W rezultacie na wyjściu komparatora pojawi się jednostka logiczna. To urządzenie nie będzie trzymane długo, tylko z powodu opóźnienia wynikającego z łańcucha RC.

Podobny przekaźnik zdjęć stosuje się w przypadkach, gdy oświetlenie zmienia się wystarczająco szybko. Na przykład w urządzeniach zabezpieczających lub czujnikach gotowych produktów na przenośnikach urządzenie zareaguje na przerwanie strumienia światła. Inną opcją jest dodatek do systemu nadzoru wideo. Jeśli skierujesz fotosensor na ekran monitora, wykryje on zmianę jasności i włączy na przykład sygnał audio, przyciągając uwagę operatora.

Przekształcenie rozpatrywanego przekaźnika fotograficznego w czujnik zmiany temperatury jest bardzo proste, na przykład alarm pożarowy. Aby to zrobić, wystarczy wymienić fotodiodę na termistor. W takim przypadku wartość rezystora R1 musi być równa wartości termistora (zwykle wskazywanej dla temperatury 25 ° C). Schemat tego czujnika pokazano na rysunku 9.

Rysunek 9. Schemat czujnika pomiaru temperatury na komparatorze

Zasada i znaczenie pracy jest dokładnie takie samo jak opisanego powyżej fotosensora. Ale ta konstrukcja pokazuje również najprostsze urządzenie wyjściowe - jest to tyrystor VS1 i przekaźnik K1. Gdy komparator jest włączony, tyrystor VS1 otwiera się, co włącza przekaźnik K1.

Ponieważ tyrystor w tym przypadku działa w obwodzie prądu stałego, nawet gdy kończy się impuls sterujący z komparatora, tyrystor pozostanie otwarty, a przekaźnik K1 włączony. Aby wyłączyć przekaźnik, będziesz musiał nacisnąć przycisk SB1 lub po prostu wyłączyć cały obwód.

Zamiast termistora można użyć magnetorezystora, na przykład SM-1, reagującego na pole magnetyczne. Następnie otrzymujesz magnetycznie czuły przekaźnik gradientowy. Magnetorezystory w ostatnim XX wieku były używane w klawiaturach niektórych komputerów.

Jeśli użyjesz innych czujników, to na podstawie przekaźnika gradientu możesz łatwo stworzyć zupełnie inne urządzenia, które reagują na zmiany pola elektrycznego, na wibracje dźwiękowe. Za pomocą czujników piezoelektrycznych łatwo jest stworzyć czujniki uderzeń i wibracje sejsmiczne.

Za pomocą komparatorów przekształcenie sygnału „analogowego” na „cyfrowy” jest dość proste. Podobny schemat pokazano na rycinie 10.

Ryc. 10. Schemat konwersji sygnału „analogowego” na sygnał „cyfrowy” za pomocą komparatora

Ryc. 11 pokazuje ten sam obwód, tylko biegunowość impulsów wyjściowych jest odwrotna do poprzedniej. Osiąga się to po prostu poprzez włączenie innych danych wejściowych.

Rycina 11.

Oba obwody przekształcają amplitudę sygnału wejściowego na szerokość impulsu wyjściowego. Taka konwersja jest często stosowana w różnych obwodach elektronicznych. Przede wszystkim w urządzeniach pomiarowych, zasilaczach przełączających, wzmacniaczach cyfrowych.

Zakres częstotliwości urządzeń mieści się w zakresie 5 ... 200 KHz, amplituda sygnału wejściowego w zakresie 2 ... 2,5 V. Przy zastosowaniu diody germanowej konwersja amplitudy na szerokość impulsu rozpoczyna się od poziomu 80 ... 90 mV, podczas gdy dla diody krzemowej wartość ta wynosi 250 ... 270 mV.

Pasmo częstotliwości pracy urządzenia jest określone przez znamionowe kondensatory C1, C2. Urządzenie złożone z części serwisowalnych nie wymaga regulacji i ustawienia progu reakcji.