Obwody komparatora wykorzystujące IC 741, IC 311, IC 339

Podstawowa funkcja obwodu komparatora polega na porównywaniu dwóch poziomów napięcia na jego pinach wejściowych i wytwarzaniu sygnału wyjściowego, aby pokazać, które napięcie wejściowe ma wyższy potencjał niż drugie.

W tym artykule szczegółowo nauczymy się, jak prawidłowo projektować układy komparatorów przy użyciu popularnych układów scalonych, takich jak IC 741, IC 311 i IC LM339

Różnica między komparatorem a wzmacniaczem operacyjnym

IC 741 jest idealnym przykładem pojedynczego wzmacniacza operacyjnego, a IC LM311 można uznać za dobry przykład dedykowanego pojedynczego komparatora.

Obie te jednostki mają identyczny symbol urządzenia w kształcie trójkąta, który normalnie rozpoznajemy i używamy do rysowania obwodów komparatora. Jednak reakcja wyjściowa tych dwóch form komparatorów może mieć kilka głównych różnic.

Chociaż wzmacniacz operacyjny i komparator mogą być skonfigurowane do porównywania sygnałów różnicowych na ich pinach wejściowych, główne różnice między tymi dwoma odpowiednikami to:

• W stanie zasilania wyjście wzmacniacza operacyjnego będzie dodatnie lub ujemne, w zależności od poziomów napięcia wejściowego, ale nigdy nie może być otwarte. W przeciwieństwie do tego, wyjście komparatora może być otwarte lub uziemione (ujemne) lub pływające.
• Wyjście wzmacniacza operacyjnego może działać bez żadnych rezystorów podwyższających lub obniżających, ale komparator zawsze będzie wymagał zewnętrznego rezystora podwyższającego lub obniżającego, aby umożliwić normalną pracę stopnia wyjściowego.
• Wzmacniacz operacyjny może być używany do budowy obwodów wzmacniacza o dużym wzmocnieniu, w takich zastosowaniach nie można używać komparatora.
• Odpowiedź przełączania wyjścia wzmacniacza operacyjnego jest zwykle wolniejsza w porównaniu z układem scalonym komparatora.

Klasyczny projekt obwodu komparatora można zobaczyć na poniższym rysunku:

W tym przypadku wyjście reaguje „wysokim” sygnałem cyfrowym, gdy napięcie na wejściu nieodwracającym (+) jest wyższe niż na wejściu odwracającym (-). I odwrotnie, wyjście zamienia sygnał cyfrowy o niskiej wartości, gdy nieodwracające napięcie wejściowe jest niższe niż odwracające napięcie wejściowe.

Odnosząc się do powyższego rysunku, widzimy standardowe połączenie obwodu komparatora posiadającego jedno wejście (w tym przykładzie odwracające) skonfigurowane z napięciem odniesienia, a drugi pin wejściowy, który jest wejściem nieodwracającym, jest podłączony do napięcia sygnału wejściowego .

W czasie, gdy napięcie Vin jest utrzymywane na niższym poziomie niż napięcie odniesienia +2 V, wyjście pozostaje niskie na poziomie około -10 V.Jeśli Vin wzrośnie nieco powyżej +2 V, wyjście natychmiast zmienia stan i zmienia stan na wysoki do około + 10 V. Ta zmiana stanu na wyjściu z -10 V do +10 V wskazuje, że Vin wzrosła powyżej napięcia odniesienia +2 V.

Głównym elementem wewnątrz każdego komparatora jest obwód wzmacniacza operacyjnego, który ustawia bardzo wysokie wzmocnienie napięcia. Aby dokładnie przestudiować działanie komparatora, możemy wziąć przykład IC 741, jak pokazano poniżej:

Tutaj widzimy, że odwracający pin2 (-) jest połączony z masą lub poziomem 0 V. Sygnał sinusoidalny jest podawany na pin3, który jest nieodwracającym wejściem wzmacniacza operacyjnego. Ten naprzemiennie zmieniający się sygnał sinusoidalny powoduje, że wyjście przełącza się między wysokim a niskim stanem wyjściowym, jak pokazano po prawej stronie obrazu.

Gdy napięcie wejściowe Vin przesunie się nawet o miliwolt w stosunku do napięcia odniesienia 0 V, różnica jest wzmacniana przez wewnętrzny wzmacniacz operacyjny o wysokim wzmocnieniu układu scalonego, powodując wzrost sygnału wyjściowego przy dodatnim poziomie nasycenia na wyjściu. Ten stan utrzymuje się tak długo, jak długo sygnał Vin pozostaje powyżej odniesienia 0 V.

Teraz, gdy tylko poziom sygnału spadnie o cień poniżej odniesienia 0 V, wyjście jest ustawiane na niższy poziom nasycenia. Ponownie warunek ten jest utrzymywany tak długo, jak długo sygnał wejściowy Vin pozostaje poniżej poziomu odniesienia 0 V.

Powyższe wyjaśnienie oraz przebieg przedstawiony na obrazku wyraźnie wskazują na cyfrową odpowiedź wyjścia na liniowo zmieniający się sygnał wejściowy.

W przypadku normalnych zastosowań poziom odniesienia nie musi wynosić 0 V, a raczej może być dowolnym poziomem dodatnim zgodnie z wymaganiami. W razie potrzeby odniesienie można również podłączyć do dodatnich lub ujemnych przewodów zasilających, podczas gdy sygnał wejściowy jest podawany na drugim pinie wejściowym.

Używanie IC 741 jako komparatora

W poniższym przykładzie dowiemy się, jak skutecznie użyj wzmacniacza operacyjnego jako komparatora

Na rysunku widzimy obwód wzmacniacza operacyjnego pracujący z dodatnim odniesieniem ustawionym na jego odwracającym pinie wejściowym (-). Do wyjścia dołączona jest dioda LED.

Korzystając ze wzoru sieciowego dzielnika napięcia, możemy obliczyć wartość napięcia odniesienia na pinie wejściowym (-) układu scalonego.

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

Ponieważ odniesienie to jest powiązane z pinem (-) układu scalonego, jeśli napięcie Vin na wejściu (+) wzrośnie powyżej tego odniesienia lub stanie się bardziej dodatnie niż odniesienie, zmusi wyjście Vo do przełączenia na dodatni poziom nasycenia.

Spowoduje to zaświecenie się diody LED, wskazując, że Vin stało się bardziej dodatnie niż poziom odniesienia +6 V.

Z drugiej strony, jeśli wejście nieodwracające (+) jest skonfigurowane jako pin odniesienia, a Vin zostanie zastosowane do styku wejścia odwracającego (-), wyjście przejdzie w stan niski, gdy tylko wejście Vin spadnie poniżej wartości odniesienia i odwrotnie.

Spowoduje to natychmiastowe wyłączenie diody LED.

Dlatego dioda LED może być włączana lub wyłączana dla danego sygnału wejściowego, odpowiednio łącząc styk wejściowy z poziomem odniesienia i sygnałem wejściowym.

Korzystanie ze specjalistycznych układów scalonych komparatora

Zwykle wzmacniacze operacyjne działają świetnie jako układy komparatorów, ale użycie dedykowanego układu scalonego komparatora działa nawet lepiej niż wzmacniacz operacyjny w przypadku zastosowania komparatora.

Układy scalone komparatora są specjalnie zaprojektowane do funkcji komparatora i wykazują lepszą odpowiedź, taką jak szybsze przełączanie na wyjściu między dodatnim a ujemnym poziomem.

Te układy scalone mają wyższą odporność na zakłócenia, aw wielu przypadkach wyjścia mogą być bezpośrednio używane do sterowania obciążeniem.

Dowiedzmy się szczegółowo o kilku popularnych układach scalonych komparatorów z poniższej dyskusji.

Obwód komparatora wykorzystujący IC 311

Powyższy rysunek przedstawia układ wewnętrzny i szczegóły wyprowadzeń komparatora IC 311. Układ scalony jest zaprojektowany do pracy z podwójnym zasilaniem również w zakresie +15 V i -15 V, co jest standardowym poziomem kompatybilnym dla wszystkich nowoczesne cyfrowe układy scalone.

Stopień wyjściowy wewnątrz układu scalonego ma tranzystor bipolarny z pływającymi zaciskami kolektora i emitera. Oznacza to, że wyjście z tego tranzystora może być konfigurowane na dwa różne sposoby:

1. Dodając rezystor podciągający z pinem kolektora 7 i uziemiając pin 1 emitera, a następnie używając kolektora jako wyjścia.
2. Łącząc kolektor z linią dodatnią i używając emitera jako wyjścia.

Wyjście tranzystorowe może być również wykorzystane do bezpośredniego sterowania przekaźnikiem lub niewielkim obciążeniem, takim jak lampa, bez zewnętrznego stopnia buforowego.

IC posiada również balans i wejście stroboskopowe, które może być bramkowane wyjściem.

Omówimy kilka przydatnych aplikacji tego układu scalonego w następujących sekcjach:

Powyższy rysunek pokazuje, jak można skonfigurować IC 311 jak detektor przejścia przez zero komparator do wykrywania napięcia wejściowego za każdym razem, gdy przekracza linię zerową.

Wejście odwracające (-) w 311 można zobaczyć w połączeniu z masą. W okresie, gdy sygnał wejściowy jest na poziomie dodatnim, tranzystor wyjściowy pozostaje włączony, co tworzy stan niski (w tym przykładzie -10) na wyjściu (kolektor tranzystora).

Gdy tylko sygnał wejściowy spadnie do wartości ujemnej lub poniżej 0 V, tranzystor zostanie wyłączony. Tworzy to dodatnie + 10V na wyjściu kolektora układu scalonego. To pozwala nam wiedzieć, kiedy sygnał wejściowy jest powyżej poziomu zera, a kiedy spadł poniżej poziomu zera.

Poniższy rysunek pokazuje, jak można użyć komparatora IC 311 do wykonania obwodu stroboskopowego.

W tym przykładzie obwodu komparatora styk wyjściowy 7 zmieni się w stan wysoki, gdy poziom napięcia na styku 3 wzrośnie powyżej odniesienia na styku 2. Ale może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy pin wejściowy stroboskopu pin6 jest niski lub ma 0 V.

Kiedy wysoki stroboskop TTL jest zastosowany u podstawy tranzystora, pin6 staje się niski, powodując wyłączenie tranzystora wyjściowego IC, a tym samym umożliwiając pin7 przejść w stan wysoki.

Sygnał wyjściowy pozostaje wysoki tak długo, jak długo wejście TTL jest utrzymywane w stanie wysokim, niezależnie od stanu sygnału wejściowego na styku 3.

Jeśli jednak sygnał TTL zostanie zastosowany w formie stroboskopowej, wyjście reaguje na sygnał wejściowy na styku 3. Mówiąc prościej, wyjście pozostaje zablokowane na wysokim poziomie, chyba że pin6 jest stroboskopowy.

Jak połączyć przekaźnik z komparatorem

Poniższy rysunek poniżej pokazuje, w jaki sposób można bezpośrednio użyć komparatora 311 obsługiwać przekaźnik .

Tutaj, gdy poziom napięcia na styku wejściowym 2 spadnie poniżej 0 V, styk 3 staje się bardziej dodatni niż styk 2. Powoduje to wyłączenie kolektora wewnętrznego tranzystora, co powoduje załączenie przekaźnika. Plik styki przekaźnika może być połączony z większym obciążeniem w celu wykonania żądanej operacji przełączania.

Dopóki wejście (+) na styku 2 pozostaje poniżej 0 V, przekaźnik pozostaje włączony. I odwrotnie, gdy dodatni sygnał jest dostępny na styku 2, przekaźnik pozostanie wyłączony.

Obwód komparatora wykorzystujący IC 339

IC 339, również popularnie napisany jako LM339, to układ scalony poczwórnego komparatora. Oznacza to, że zawiera 4 oddzielne komparatory napięcia, których wejścia i wyjścia są odpowiednio zakończone odpowiednimi zewnętrznymi pinami pakietu IC, jak pokazano poniżej.

Podobnie jak każdy inny komparator, każdy blok komparatora ma kilka wejść i jedno wyjście. Gdy układ scalony jest zasilany przez przyłożenie napięcia na piny Vcc i uziemienie, zasila wszystkie komparatory razem. Więc nawet jeśli używany jest jeden komparator, wszystkie pozostałe 3 zużywałyby trochę energii.

Wszystkie komparatory mają dokładnie identyczne cechy, dlatego możemy przeanalizować każdą z nich, aby poznać podstawową funkcję komparatora.

Gdy dodatnie wejście różnicowe jest przyłożone do zacisków wejściowych, co oznacza, że ​​różnica między doprowadzonymi sygnałami jest dodatnia, wyłącza tranzystor wyjściowy. Powoduje to, że wyjście pokazuje otwarty obwód lub pływającą przerwę.

Gdy wejście różnicowe jest ujemne, czyli gdy różnica między doprowadzonymi sygnałami na pinach wejściowych jest ujemna, włącza on tranzystor wyjściowy komparatora, co powoduje, że pin wyjściowy komparatora staje się ujemny lub na potencjale V.

Odnosząc się do powyższego rysunku, możemy zrozumieć, że gdy nieodwracające (+) wejście układu scalonego jest używane jako pin odniesienia, napięcie niższe niż to odniesienie na odwracającym pinie wejściowym (-) spowoduje wyjście komparator, aby się otworzyć. Z drugiej strony, jeśli (-) jest używany jako pin odniesienia, poziom napięcia na wejściu (+) wyższy niż odniesienie spowoduje, że wyjście stanie się ujemne lub V-

Aby dowiedzieć się, jak IC 339 działa jak komparator, poniższy przykład pokazuje układ scalony jako detektor przejścia przez zero.

W momencie wzrostu sygnału wejściowego powyżej 0 V, wyjście jest ustawiane w stan wysoki na poziomie V +. Wyjście jest wyłączane przy V- tylko wtedy, gdy wejście jest utrzymywane poniżej 0 V.

Jak wyjaśniono wcześniej, poziom odniesienia nie musi wynosić 0 V, można go zmienić na dowolny inny pożądany poziom. Dodatkowo można również użyć drugiego styku wejściowego (+) jako styku odniesienia oraz styku wejściowego (-) jako styku wejściowego sygnału do akceptowania zmieniającego się sygnału wejściowego.

Zaleta posiadania zmiennego wyjścia w układach scalonych komparatora

Jak omówiono w poprzednich wyjaśnieniach, wyjście komparatorów jest przełączane przez BJT, które mają otwarty kolektor jako wyjście. Daje to zaletę bezpośredniego łączenia wyjść dwóch komparatorów z IC 339, tak jak w przypadku OR brama .

Ładny przykład obwodu komparatora okienkowego można zobaczyć poniżej. Tutaj dwa bloki komparatorów IC 339 są skonfigurowane z pojedynczym wspólnym sygnałem wejściowym, a wyjścia są połączone jak bramka OR.

Sygnał wyjściowy odpowiednich komparatorów obniża się za każdym razem, gdy sygnał wejściowy przekracza albo dolny ustawiony próg, albo górny ustawiony próg, umożliwiając w ten sposób użytkownikowi wiedzieć, kiedy sygnał jest poza ustawionym poziomem okna.

Do przydatnych aplikacji, takich jak Zabezpieczenie przed wysokim napięciem obwód i tracker słoneczny obwód itp.

Wniosek

Z powyższych wyjaśnień dowiedzieliśmy się, że:

Komparatory są w zasadzie jednostkami posiadającymi dwa uzupełniające się wejścia i jedno reagujące wyjście. Wyjście zmienia się w stan wysoki lub niski, gdy poziom napięcia na jednym z wejść jest wyższy lub niższy niż na drugim wejściu, w zależności od tego, które wejście jest używane jako odniesienie lub na stałym poziomie napięcia.

Chociaż wzmacniacz operacyjny może być również używany jako komparator, wyspecjalizowane układy scalone komparatorów są lepiej zaprojektowane do pracy jak komparatory.

Dedykowane układy scalone komparatorów, takie jak LM311, LM339, są specjalnie zaprojektowane do zastosowań komparatorowych, z szybszą odpowiedzią i elastycznymi możliwościami wyjścia wysokoprądowego.

Jeśli masz jakieś powiązane pytania, możesz je zadać za pośrednictwem pola komentarza poniżej.