Wzmacniacz operacyjny jako obwód komparatora i działanie robocze

Ogólnie rzecz biorąc, komparatory są podzielone na różne typy, takie jak komparatory elektryczne, komparatory elektroniczne, komparatory mechaniczne, komparatory optyczne, komparatory sigma, komparatory pneumatyczne, komparatory cyfrowe i tak dalej. Te obwody komparatorów są zwykle używane w projektowaniu układów elektrycznych i projekty elektroniczne . W tym artykule omówimy, jak używać wzmacniacza operacyjnego jako obwodu komparatora i jak działa wzmacniacz operacyjny jako obwód komparatora. Ale przede wszystkim musimy wiedzieć, czym jest wzmacniacz operacyjny i układ komparatora.

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny

Na rysunku pokazano elektroniczny wzmacniacz napięcia sprzężony z prądem stałym o dużym wzmocnieniu, który składa się z dwóch zacisków wejściowych. Wejście różnicowe jest doprowadzane do dwóch zacisków wejściowych (odwracającego zacisku wejściowego i nieodwracającego zacisku wejściowego) wzmacniacza operacyjnego i wytwarza pojedynczy potencjał wyjściowy na zacisku Vout. W ten sposób różnica potencjałów podawana na jego dwa zaciski wejściowe jest wzmacniana w celu wytworzenia wzmocnionego wyjścia. To wzmocnione wyjście jest równe setkom tysięcy razy różnicy między sygnałami wejściowymi.

Moc wyjściową wzmacniacza można podać jako

Vout = AOL (V + - V-)

Gdzie,

• AOL to wzmocnienie w otwartej pętli wzmacniacza
• V + to nieodwracające wejście wzmacniacza
• V- to wejście odwracające wzmacniacza

Chociaż istnieje wiele rodzaje wzmacniaczy operacyjnych , 741 wzmacniaczy operacyjnych jest często używanych jako obwód komparatora w kilku obwodach elektronicznych.

Obwód komparatora

Urządzenie składające się z dwóch zacisków wejściowych, w których wejściowy sygnał odniesienia jest podawany do jednego zacisku, a rzeczywista wartość sygnału jest podawana do drugiego zacisku. Następnie na zacisku wyjściowym generowany jest sygnał wyjściowy w oparciu o różnicę między dwoma sygnałami wejściowymi doprowadzonymi do dwóch zacisków wejściowych. Ten wygenerowany sygnał wyjściowy ma wartość 0 (niski) lub 1 (wysoki).

W terminologii elektrycznej i elektronicznej urządzenie używane do porównywania dwóch sygnałów napięciowych lub prądowych, które są podawane do dwóch analogowych zacisków wejściowych, w ten sposób wytwarzając jeden binarny cyfrowy sygnał wyjściowy wskazujący większy sygnał wejściowy, nazywane jest obwód komparatora .

Obwód komparatora

Dwa analogowe zaciski wejściowe są reprezentowane jako V + (Vin) i V- (Vref) w powyższym obwodzie komparatora. Wyjście cyfrowe jest generowane na zacisku wyjściowym V0 (Vout). Sygnał wyjściowy obwodu komparatora jest podawany przez

Jeśli V +> V- (Vin jest większe niż Vref), to V0 = 1 i
Jeśli V +

Ogólnie rzecz biorąc, komparatory są stosowane w urządzeniach takich jak oscylatory relaksacyjne, przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), a także w urządzeniach służących do pomiaru sygnałów analogowych. Komparatory składają się ze wzmacniaczy różnicowych o dużym wzmocnieniu i możemy użyć wzmacniacza operacyjnego jako obwodu komparatora.

Wzmacniacz operacyjny jako komparator

Wzmacniacze operacyjne 741 to podstawowe wzmacniacze operacyjne, które mogą być używane jako obwód komparatora w wielu obwodach elektronicznych. Na przykład, jeśli rozważymy plik przełącznik sterowany temperaturą następnie operacja przełączania jest wykonywana na podstawie temperatury. Jeżeli rzeczywista wartość temperatury przekracza ustawioną wartość temperatury odniesienia, wówczas czujnik temperatury wytwarza odpowiednio napięcie wyjściowe (niskie lub wysokie).

Jeśli weźmiemy pod uwagę podstawowy układ komparatora, wystąpią wahania napięcia o wysokiej częstotliwości spowodowane szumem. Problem ten należy wziąć pod uwagę w przypadku wzmacniaczy operacyjnych, które są specjalnie zaprojektowane jako układy komparatorów. Szum ten jest wytwarzany, gdy sygnał napięcia wejściowego i sygnał napięcia odniesienia są blisko siebie.

Wzmacniacz operacyjny jako obwód komparatora

Wahania napięcia o wysokiej częstotliwości są spowodowane przypadkowym charakterem szumu, z tego powodu w krótkich odstępach czasu napięcie sygnału wejściowego staje się większe lub mniejsze niż napięcie odniesienia. W ten sposób sygnał wyjściowy będzie oscylował między maksymalnym poziomem napięcia a minimalnym poziomem napięcia. Ten problem można zmniejszyć, aplikując histereza . Możemy wyregulować lukę histerezy w układzie obwodu wyzwalającego Schmitta, stosując histerezę do obwodu komparatora wzmacniacza operacyjnego przy użyciu dodatniego sprzężenia zwrotnego. Rysunek przedstawia wzmacniacz operacyjny jako obwód komparatora z histerezą.

Wzmacniacz operacyjny jako operacja robocza obwodu komparatora

Ogólnie, wyjście wzmacniacza operacyjnego waha się od dodatniego i ujemnego do ekstremalnego napięcia, które jest w przybliżeniu równe potencjałowi zasilania. Jeśli 741 na wzmacniaczu jest podłączony do +/- 18 V, wówczas maksymalne napięcie wyjściowe jest podawane jako +/- 15 V. Wynika to z ekstremalnie wysokiego wzmocnienia w otwartej pętli wzmacniacza operacyjnego (od 10000 do 1 miliona). Tak więc, jeśli +/- 150 mikrowoltów różnicy napięcia jest wytwarzane przez dowolne wejście, wówczas zostanie ono wzmocnione około milion razy, a wyjście zostanie doprowadzone do nasycenia. W ten sposób wyjście pozostaje na swojej maksymalnej lub minimalnej wartości.

Wzmacniacz operacyjny jako działanie schematu obwodu komparatora

Podczas używania wzmacniacza operacyjnego jako komparatora w oprzyrządowaniu, pętla otwarta może być użyta do porównania dwóch napięć. Dlatego w zależności od różnicy między wartością napięcia wejściowego a wartością napięcia odniesienia, wyjściowe Vout będzie równe maksymalnej wartości wysokiej lub minimalnej niskiej (wartość napięcia wejściowego będzie większa lub mniejsza niż wartość napięcia odniesienia kilka o mikro woltów).

Napięcie odniesienia jest podawane do nieodwracającego zacisku wejściowego wzmacniacza operacyjnego, a napięcie zmienne jest podawane do odwracającego zacisku wejściowego wzmacniacza operacyjnego. Rozważ schemat obwodu komparatora wzmacniacza operacyjnego pokazany na rysunku, jeśli napięcie podawane na styk 2 jest większe niż napięcie odniesienia podawane na styk 3, wówczas napięcie wyjściowe staje się niskie i jest nieznacznie większe niż –Vs. Jeśli napięcie podawane na pin 2 jest mniejsze niż napięcie odniesienia podawane na pin 3, to napięcie wyjściowe staje się wysokie i jest nieznacznie mniejsze niż + Vs.

Istnieje wiele wzmacniaczy operacyjnych przeznaczonych do pracy z komparatorami, te obwody komparatorów operacyjnych są używane do szybkich porównań. Stan wyjściowy tych obwodów komparatorów wzmacniacza operacyjnego zmienia się w mniej niż 1 mikrosekundę. Ale te szybkie obwody komparatorów wzmacniaczy operacyjnych do porównywania zużywają więcej energii, w zależności od szybkości porównania. Na podstawie szybkości porównań i ilości poboru mocy komparatory te są podzielone na różne typy. Specyficzny komparator wzmacniacza operacyjnego może być używany do określonego zastosowania w zależności od wymaganej prędkości i / lub pobór energii .

Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego jako komparatora w praktycznych obwodach elektronicznych

System monitorowania temperatury i wilgotności gleby w oparciu o bezprzewodowe sieci czujników wykorzystujące Projekt Arduino jest przeznaczony do opracowania automatycznego systemu nawadniania, który steruje włączaniem i wyłączaniem silnika pompy poprzez wykrywanie wilgotności gleby.

System monitorowania temperatury i wilgotności gleby w oparciu o bezprzewodowe sieci czujników z wykorzystaniem Arduino firmy Edgefxkits.com

Układ czujnikowy wyczuwa wilgotność gleby i odpowiedni sygnał jest wysyłany do płytki Arduino. Osiąga się to za pomocą wzmacniacza operacyjnego jako obwodu komparatora działającego jako interfejs między układem czujnikowym a mikrokontrolerem. Na podstawie sygnału otrzymanego z układu czujnikowego uruchamia się pompa wodna. Wyświetlacz LCD służy do wyświetlania stanu wilgotności gleby i pompy wodnej.

Ponadto pomoc techniczna może być udzielona na podstawie zapytań zamieszczonych w sekcji komentarzy poniżej. Możesz pobrać nasz bezpłatny eBook na projektowanie projektów elektronicznych samemu.

Czy znasz jakieś aplikacje systemów wbudowanych, w których wzmacniacz operacyjny jest używany jako obwód komparatora?