8-900-374-94-44
Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).
Как известно напряжение на выходе ОУ UВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения UД (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению КU
Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при UПИТ = 15 В, КU = 105
Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь (ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.
Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже
В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.
На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.
Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор сравнивает два напряжения с учётом знака. Расссмотрим обе схемы подробнее.
На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.
Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению
Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2
Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.
Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже
В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.
Компараторы применяются в широком спектре схем:
При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже
Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.
Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.
В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения. Данное различие иллюстрирует изображение ниже
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.
Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже
Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.
Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением
Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением
Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.
Применение положительной обратной связи (ПОС) в компараторах и триггерах Шмитта ускоряет переключение схем, но в связи с тем, что выходное напряжение UВЫХ изменяется от UНАС+ до UНАС-, то время переключения составляет довольно значительную величину (от долей до единиц микросекунд).
Кроме того существует проблема несовместимостей уровней выходного напряжения, к примеру, при напряжении питания ОУ UПИТ = ±15 В, выходное напряжение составит UВЫХ ≈ ±14 В (UНАС+ ≈ +14 В, а UНАС- ≈ -14 В), в то время как уровни ТТЛ микросхем составляют около +5 В или 0 В.
Для устранения вышеописанных проблем применяют так называемую привязку или ограничение уровня выходного напряжения, для этого в компаратор или триггер Шмитта вводят ООС в виде различных схем ограничения. Простейшими ограничительными схемами являются диоды или стабилитроны. Схема триггера Шмитта с ограничение выходного напряжения показана ниже
Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом. При поступлении на инвертирующий вход напряжения меньше, чем напряжение опорного уровня (UВХОП), то выходное напряжение UВЫХ начинает изменяться в положительном направлении и при достижении напряжения стабилизации стабилитрона UСТ напряжение на выходе перестанет расти, а будет изменяться только ток. При этом выходное напряжение будет равняться напряжению стабилизации стабилитрона (UВЫХ = UСТ).
В случае если входное напряжение начнёт увеличиваться, выше опорного напряжения, то на выходе напряжение начнёт уменьшаться и в этом случае направление тока через стабилитрон начнёт изменяться на противоположный, а стабилитрон начнёт вести себя как диод. В результате падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В независимо от величины протекающего через него тока, а на выходе напряжение составит -0,7 В.
Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: UВЫХ1 = UСТ (при отсутствии ограничения UНАС+) или UВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения UНАС-).
Для симметричного ограничения выходного напряжения могут применяться последовательно включенные диоды или стабилитроны, что показано на рисунке ниже
В данной схеме реализуется симметричное ограничение выходного напряжения относительно опорного напряжения, причем выходное напряжение выше опорного напряжения ограничивается стабилитроном VD1, а напряжение при этом составит на 0,7 В больше напряжения стабилизации. В случае же выходного напряжения ниже опорного, то выходное напряжение будет на 0,7 В ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2.
При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве UНАС+ необходимо использовать UСТ (когда используется один стабилитрон) или UСТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо UНАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или UСТVD2 (при двухстороннем ограничении).
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети
www.electronicsblog.ru
Общие сведения.Компаратор - это операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления.
Компараторы имеют два входа, прямой и инверсный, и в зависимости от желаемого результата, опорное и сравниваемое напряжения, могут подключаться к любому входу.
Рисунок 1. Для согласования выхода с логическими уровнями КМОП микросхем, напряжение питания соответственно может быть 9-15 вольт.
Рисунок 2. В качестве нагрузки компаратора можно использовать любую нагрузку с током потребления не более 50 мА. Это могут быть непосредственно обмотки реле, резисторы, светодиоды индикации и оптронов исполнительных устройств, с ограничивающими ток резисторами. Индуктивные нагрузки желательно шунтировать диодами от обратного выброса напряжения. Процессы переключения компараторов.Если входной сигнал будет изменяться очень медленно, то при достижении уровня входного сигнала опорному, выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием незначительных помех (так называемый "дребезг").
Рисунок 3. На рисунке 3 приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 3б). Хотя гистерезис вносит небольшую задержку в переключении компаратора, но благодаря ему, существенно уменьшается или даже устраняется полностью "дребезг" выходного напряжения. Для того, кто желает более полного и подробного знакомства с компараторами, рекомендую прочитать статью Б. Успенского в ВРЛ № 97 стр.49. |
vprl.ru
Рассчитываем свою первую схему, или Торжество закона Ома.
Расчет абсолютно бесполезного в большинстве случаев устройства рассмотрим ниже. Это индикатор напряжения на 12В аккумуляторе типа "Светодиодная линейка". Должен сказать, что мне для конкретного применения потребовался индикатор напряжения на аккумуляторе на 4 уровня - 10, 11, 12 и 13вольт. Имеется ввиду, что аккумулятор с напряжением 10вольт считается разряженным, а с 13вольт - заряженным. Да, измерения проводить этим устройством смысла нет, а вывести его на переднюю панель устройства - пусть глаз радует.
С чего начнем расчеты? Прежде всего, с выбора элементной базы. Очевидно, что в схеме должно быть некое устройство, чувствительное к изменению какого-то параметра и выдающее ответ типа "больше-меньше" - это компаратор. Как работает компаратор, мы уже рассматривали в Обучалке, я просто напомню:
Общее правило компаратора: "если напряжение на неинвертирующем (+) входе больше, чем на инвертирующем (-), то выдать ответ ДА". Ответ ДА - это не что иное, как плюс питания компаратора. Ответ НЕТ - это минус питания, логично. Запомнить, нам пригодится.
Повесим компаратору на входы по батарейке, смотрим:
Напряжение на входе "+" равно 6 вольт
Напряжение на входе "-" равно 5 вольт
Значит, компаратор выдаст на своем выходе напряжение, равное своему питанию (12вольт) и у нас загорится светодиод VD2. VD1 будет погашен. Если нам обе батарейки поменять местами, то будет гореть светодиод VD1, а VD2 будет погашен.
Размышляем, приходим к выводу, что для индикации четырех уровней напряжения нам потребуются четыре компаратора.
Пошукав в загашниках, порывшись в коробочках, нахожу удивительно простой счетверенный компаратор LM339. Почитав даташит, рисую цоколевку:
С левой стороны - входы компараторов. Инвертирующие входы обозначены кружочками, неинвертирующие - простые. С правой стороны - выходы (напротив инвертирующих входов) и лапки питания (лапка 3 - плюс питания, лапка 12 - минус питания).
У этой микры есть одна особенность - она не выдает ответ "ДА". То есть НЕТ она выдать может, а ДА - увы. Или НЕТ, или ничего. Почему? Смотрим структурную схему:
Это один (любой) компаратор из LM339. Смотрите на транзистор Q8 - выходной транзистор. Если на входе "+" напряжение меньше, чем на "-", Q8 открывается и на выходе "Output" формируется минус питания - ответ НЕТ. А такого же транзистора, только с плюса, у нее нет: значит, ДА она нам не выдаст. Видимо, не хватило места в микросхеме. Шутка. Такой выход называется "Выход с открытым коллектором" и довольно часто попадаются микросхемы, построенные именно так - это и логические схемы, и компараторы и дешифраторы и пр.
Но открытый коллектор не помешает нам пользовать микросхему так, как нам хочется. Давайте повесим на нее светодиоды.
Как мы уже поняли, у компараторов из LM339 только один транзистор может зажечь светодиод, и зажечь может, только подав на него минус. Значит, вторые лапки светодиодов должны идти на плюс. Иначе не загорятся.
Поскольку схема будет питаться тем же напряжением, которое измеряет, а светодиоды таких напряжений не любят, включим их через токоограничивающие резисторы R1...R4.
Рассчитаем резисторы. Причем, используя один-единственный закон Ома. И не забывая о том, что ток измеряется в Амперах, напряжение в Вольтах, сопротивление - в Омах.
Светодиод D1 - зеленый, АЛ307Н - с этой буквой он самый яркий (6мкд). По справочнику максимальный ток 22мА при напряжении на диоде 2В. Гонять на максимальном токе мы его не будем, выберем поменьше, к примеру, 17мА. Загораться он будет при напряжении питания 13вольт. Резистор R1 должен погасить на себе лишнее напряжение (напряжение падения), равное
Uпад=13-2=11В
при токе через диод (впрочем, такой же, что и через резистор), равном
Iд=17мА,
значит его сопротивление будет равно
R=Uпад/Iд=11/0,017=647Ом.
Выберем резистор из ряда стандартных сопротивлений - 680Ом. Это, правда, уменьшит ток через диод, ну и ладно - дольше жить будет.
Со светодиодом D2 посложнее - он должен загораться при напряжении 12вольт, но должен гореть и при 13вольтах.
Выбираем желтый светодиод АЛ307Ж - те же 22мА при падении 2В. При напряжении питания 13В и токе 17мА, резистор, очевидно, будет таким же. А какой ток будет через диод на 12вольтах?
I=(12-2)/680=14,7мА
Что, впрочем, не уменьшает его яркость. Или уменьшает, но не намного.
Так же рассчитываем резисторы R3 и R4 для светодиодов D3 (АЛ307Ж) и D4 (АЛ307К):
R3=R2, так как светодиоды D3 и D2 одинаковые - желтые.
А у D4 ток уже не 22мА, а 20, поэтому выберем рабочий ток до 15мА и посчитаем резистор:
Uпад=13-2=11В
Iд=15мА
R=Uпад/Iд=11/0,015=733Ом.
Выберем штатный резистор 750Ом и посчитаем ток через диод при десяти вольтах питания (D4 должен зажечься при питании 10В):
Uпад=10-2=8В
R=750Ом
I=8/750=10,6мА
Здесь нам нужно поставить следственный эксперимент и проверить, как ярко горит красный светодиод на токе 10мА. Берем блок питания, выставляем у него напряжение 10вольт и подключаем к нему светодиод АЛ307К, включенный последовательно с резистором 750Ом.
Нормально?
А теперь увеличим напряжение до 13вольт и снова проверим.
Годится?
Замечательно. Эту часть схемы мы рассчитали, уфф! Она приобрела такой вид:
Следующая часть расчетов - тепловая. Нам нужно проверить, как будут греться резисторы и выбрать их мощность. Формула для расчета мощности так же проста, как сам закон Ома:
P=UI
В нашем случае U это напряжение падения на резисторе, I - ток через него. Вообще просто. Итак, считаем мощность, выделяемую резистором R1 при зажигании светодиода.
Ток берем штатный, напряжение - самое тяжелое для резистора - при питании схемы максимальным напряжением:
P=Uпад*Iд=11*0,017=0,187Вт.
Это больше, чем допустимая мощность для самого мелкого резистора (0,125Вт), поэтому выберем резистор R1 чуток помощнее, типа МЛТ-0,25.
Резисторы R2 и R3 будут такими же, ведь токи через них те же и максимальные напряжения такие же.
Резистор R4 посчитаем, давайте уж:
P=Uпад*Iд=11*0,015=0,165Вт.
Ну и его туда же. Все резисторы МЛТ-0,25.
Сделаем паузу, мы устали.
Снова ффперед!
Как компаратор определит, что измеряемое напряжение повысилось до какого-то уровня? Ему же надо его с чем-то сравнить, так ведь? То есть нам требуется какой-то источник напряжения, неизменного в пространстве и времени: Напряжения, которое не менялось бы при изменении питания устройства во всем диапазоне +9:+13В. Напряжение это должно быть стабилизировано: что же это? Правильно, стабилитрон!
Про него опять же написано много слов, песен спето различных, блоков питания напаяно: но всё же напомню, что сие есть такое. Стабилитрон - это диод с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Проще говоря, это такой диод, который держит постоянным напряжение на себе при изменении тока через него.
Поставим лабораторный опыт. Приобретем (или спаяем откуда-нибудь, роли не играет абсолютно никакой) стабилитрон КС147Г. Его параметры такие:
Напряжение стабилизации 4,2...5,2В (номинальное 4,7В)
Ток стабилизации 1...26мА
Всё это значит, что при изменении тока через него от 1 до 26мА напряжение на стабилитроне будет меняться от 4,2 до 5,2вольт. Как это понять и применить на практике?
Смотрим схему:
Резистор R1 задает стабилитрону необходимый ток. Параллельно стабилитрону подключим вольтметр - он будет измерять напряжение стабилизации Uст. Регулируя напряжение на блоке питания 0...12В, наблюдаем показания вольтметра:
0...5В - вольтметр показывает нарастание напряжения до 4В
5...12В - вольтметр показывает увеличение напряжения 4...5В
Видали? Мы изменили напряжение на 7вольт, а получилось - всего на 1вольт!
Давайте подумаем, в чем он нам может пригодиться и как из него вытащить пользу.
Корыстные мы, да.
Напряжение, которое выдает нам стабилитрон, назовем опорным напряжением. Это для него оно - напряжение стабилизации, а для нас - опорное. Вот с этим самым опорным напряжением наши компараторы будут сравнивать измеряемое напряжение и выдавать диагноз - изменилось ли оно или нет, зажигать нам светодиоды или пущай тухнут.
Рассуждаем логически: поскольку светодиоды зажигаются на ответе компаратора "НЕТ", это значит, что сравниваемое напряжение поднялось выше опорного. Следовательно, опорное напряжение нам нужно подать на неинвертирующие входы компараторов. Входы можно соединять меж собой без вреда озоновому слою Земли и численности населения китайцев. Последствий не будет никаких. Так и сделаем:
Неинвертирующие входы компараторов мы соединили и кинули стабилитрон на землю и резистор на плюс питания. Этот "плюс питания" у нас будет одновременно и питанием, и измеряемым напряжением, да и Бог с ним! Опорное напряжение будет стабилизировано.
Резистор R5 требует расчета, займемся им:
Максимальное напряжение схемы 13В
Напряжение стабилитрона 4,7В
Падение напряжения на резисторе R5 равно
Uпад=13-4,7=8,3В
Максимальный ток стабилизации стабилитрона Iд=26мА, но мы выберем поменьше, к примеру, 15мА. Тогда сопротивление резистора R5 посчитаем
R=Uпад/Iд=8,3/0,015=553Ом
Выберем резистор 560Ом из существующих в ряду стандартных сопротивлений.
Проверим, укладываемся ли мы в стабилизацию при минимальном питании:
Минимальное питание 10В
Сопротивление резистора R5 560Ом
Ток через стабилитрон посчитаем, предположив, что напряжение на стабилитроне не изменилось:
Iд=Uпад/R=(10-4,7)/560=9,4мА
Если бы напряжение стабилитрона упало ниже 4,7В (к примеру, до минимального 4,2В), ток стабилитрона все равно находился бы в диапазоне допустимых (выше 1мА), что нам и требуется. Принимаем R5 равным 560Ом.
Смотрим, что у нас получилось:
Светодиоды я подписал, чтобы было нагляднее.
На свободные лапки компараторов нужно завести измеряемое напряжение, но как-то так, чтобы оно соответствовало зажигаемому светодиоду. Ну не напрямую же их соединять, так ведь?
Смотрим на самый нижний компаратор:
На его неивертирующем входе напряжение 4,7В. Чтобы зажечь светодиод D4 (то есть выдать ответ НЕТ), на инвертирующем входе должно быть напряжение больше 4,7В - это порог срабатывания при повышении входного напряжения до 10В. Нам нужно эти самые 10В завести на инвертирующий вход, но чтобы они выглядели на нем как 4,7В. Как-то надо поделить эти 10вольт до 4,7. Как? Очень просто - делителем напряжения.
Простейший делитель напряжения состоит из двух резисторов.
Входное напряжение может быть любым, а выходное напряжение будет ровно в 2 раза меньше входного. Надо сказать, что делитель напряжения не выдает какой-либо мощности, то есть использовать его в блоках питания нельзя. Можно только получать маломощные, слаботочные напряжения в качестве сигналов управления, ослабить звук перед усилителем: много применений у делителя, но все они - ну никак не про мощность.
Значит, нам надо 10вольт поделить до 4.7. Будем думать.
На вход делителя мы подаем 10В, снимаем 4.7В. На нижнем резисторе (он называется "нижнее плечо делителя") мы видим 4,7В, на верхнем резисторе (верхнее плечо делителя) упадет разница между напряжениями, то есть 5,3В. Отношение 5,3/4,7 будет разницей между резисторами. 5,3/4,7=1,13 раза. В эти 1,13 раза будут отличаться сопротивления резисторов. То есть, если нижний резистор будет 10кОм, то верхний надо искать на 11,3кОм - в таком случае мы получим ровно 4,7В на выходе при входном 10В. Номинал 11,3кОм найти сложно, но можно удвоить оба резистора - соотношение между ними останется таким же - 1,13раза, а номиналы 20кОм и 22,6кОм искать легче - 22,6кОм можно заменить на 22, будет небольшая погрешность, ну и ладно. Нам это не страшно.
Конечно, сам делитель будет потреблять какой-то ток от источника входного напряжения, и нужно, чтобы тот источник входного напряжения мог обеспечить такой ток. Мы не будем рассчитывать всё до мелочей, я скажу только, что делитель с килоомными резисторами меньше потребляет ток, чем с омными резисторами, и плясать мы будем именно от килоомных резисторов.
Итак, мы определили 2 резистора для первого компаратора. Верхний резистор мы подключаем к плюсу питания, ведь оно у нас и питание, и измеряемое напряжение одновременно. Выходное напряжение подаем прямо на компаратор, на лапку 10. Точно так же рассчитаем все остальные делители:
Для компаратора, индицирующего порог "+11В":
Входное напряжение 11В
Опорное напряжение 4,7В
Падение напряжения на верхнем плече делителя Uпад=11-4,7=6,3В
Отношение резисторов равно 6,3/4,7=1,34 раза
Если нижний резистор 10кОм, то верхний будет R=10*1,34=13,4кОм
Резистора 13,4кОм у нас нет, зато удвоенный резистор 13,4*2=26,8кОм можно заменить на 27кОм. В таком случае удвоим и нижний резистор - он будет не 10кОм, а 20.
Для компаратора "+12В":
Входное напряжение 12В
Опорное напряжение 4,7В
Падение напряжения на верхнем плече делителя Uпад=11-4,7=7,3В
Отношение резисторов равно 7,3/4,7=1,55 раза
Если нижний резистор 10кОм, то верхний будет R=10*1,55=15,5кОм
Резистор 15,5кОм можно заменить на 15кОм. Это некритично. Нижний резистор остается прежним - 10кОм.
Для компаратора "+13В":
Входное напряжение 13В
Опорное напряжение 4,7В
Падение напряжения на верхнем плече делителя Uпад=13-4,7=8,3В
Отношение резисторов равно 8,3/4,7=1,77 раза
Если нижний резистор 10кОм, то верхний будет R=10*1,77=17,7кОм
Существует номинал 18кОм, нам подойдет. Нижний резистор - 10кОм.
Наша схема снова немного преображается:
Можно считать эту схему законченной - она будет работать, причем вполне сносно. Свои функции выполнять будет. Ее преимущество в том, что можно легко изменить пороги срабатывания каждого компаратора в отдельности, не мешая другим. Дальше мы рассмотрим, как можно немного упростить эту схему, и чуток ее доработаем.
Вопросы, как обычно, складываем тут.
|
Как вам эта статья? |
Заработало ли это устройство у вас? |
www.radiokot.ru
Итак, компаратор - это быстродействующий дифференциальный усилитель постоянного тока с большим усилением, малым дрейфом и смещением нуля и логическим выходом. Его входной каскад должен обладать большим коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС) и способностью выдерживать большие синфазные и дифференциальные сигналы на входах, не насыщаясь, т.е. не попадая в режимы, из которых компаратор будет долго выходить. Для повышения помехозащищенности желательно снабдить компаратор стробирующим логическим входом, разрешающим переключение компаратора только в тактовые моменты.
Схема первого промышленного интегрального компаратора А710 (отечественный аналог - 521СА2), разработанного Р. Видларом (R.J.Widlar) в США в 1965 г., приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема компаратора А710
Она представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах VT1, VT2, нагруженный на каскады ОЭ на VT5 и VT6. Каскад на VT5 через транзистор VТ4 управляет коллекторным режимом входного каскада и через транзистор в диодном включении VТ7 фиксирует потенциал базы транзистора VT8, делая его независимым от изменений положительного напряжения питания. Каскад на VT6 представляет собой второй каскад усиления напряжения.
Эмиттерные выводы транзисторов VT5 и VT6 присоединены к стабилитрону VD1 с напряжением стабилизации 6,2 В, поэтому потенциалы баз указанных транзисторов соответствуют приблизительно 6,9 В. Следовательно, допустимое напряжение на входах компаратора относительно общей точки может достигать 7 В. На транзисторе VT8 выполнен эмиттерный повторитель, передающий сигнал с коллектора VT6 на выход. Постоянная составляющая сигнала уменьшается до нулевого уровня стабилитроном VD2.
Если дифференциальное входное напряжение превышает +5...+10 мВ, то транзистор VT6 закрыт, а VT5 близок к насыщению. Выходной сигнал компаратора при этом не может превысить +4 В, так как для более положительных сигналов открывается диод на VT7, не допуская излишнего роста выходного напряжения и насыщения VТ5. При обратном знаке входного напряжения VT6 насыщается, потенциал его коллектора оказывается близок к напряжению стабилизации стабилитронов VD1 и VD2, а поэтому потенциал выхода близок к нулю. Транзистор VT9 - источник тока 3 мА для смещения VT8 и VD2. Часть этого тока (до 1,6 мА) может отдаваться в нагрузку, требующую вытекающий ток на входе (один вход логики ТТЛ серии 155 или 133).
В дальнейшем эта схема развивалась и совершенствовалась. Схемы многих компараторов имеют стробирующий вход для синхронизации, а некоторые модификации снабжены на выходе триггерами-защелками, т.е. схемами, фиксирующими состояние выхода компаратора по приходу синхроимпульса. Кроме того, для повышения функциональной гибкости часть ИМС компараторов (например, МАХ917-920) содержит источник опорного напряжения, а у некоторых (например, МАХ910) порог срабатывания устанавливается цифровым кодом от 0 до 2,56 В с дискретностью 10 мВ , для чего на кристалле микросхемы имеются источник опорного напряжения и 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь.
Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания (например, +/-13 В для ОУ типа 140УД7, работающего от источников +/-15 В). В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с "открытого коллектора". Выходные транзисторы некоторых типов компараторов, например, 521СА3 или LM311 имеют открытые, т.е. неподключенные, и коллектор и эмиттер. Две основные схемы включения компараторов такого типа приведены на рис. 5.
Рис. 5. Схемы включения выходного каскада компаратора 521СА3
На рис. 5а выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером. При потенциале на верхнем выводе резистора равном +5 В к выходу можно подключать входы ТТL, nМОП- и КМОП-логику с питанием от источника 5 В. Для управления КМОП-логикой с более высоким напряжением питания следует верхний вывод резистора подключить к источнику питания данной цифровой микросхемы.
Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от U+пит до U-пит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. 5б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов.
Некоторые модели интегральных компараторов (например, AD790, МАХ907) имеют внутреннюю неглубокую положительную обратную связь, обеспечивающую их переходной характеристике гистерезис с шириной петли, соизмеримой с напряжением смещения нуля.
На рис. 6а приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 1б). Пороговые напряжения этой схемы определяются по формулам
,
Из-за несимметрии выхода компаратора петля гистерезиса оказывается несимметричной относительно опорного напряжения.
Рис. 6. Компаратор с положительной обратной связью
В заключение, перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ.
Несмотря на то, что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них почти никогда не используют отрицательную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса - гарантировано) самовозбуждение компараторов.
В связи с тем, что в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы.
Из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно низко и может меняться при изменении входных сигналов.
Выходное сопротивление компараторов значительно и различно для разной полярности выходного напряжения.
studfiles.net
Компараторы без положительной обратной связи
двухвходовые (для сравнения однополярных входных сигналов)
одновходовые (для сравнения разнополярных входных сигналов)
Компараторы с положительной обратной связью
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.
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.
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.
Благодаря положительной обратной связи такие компараторы имеют:
лучшее быстродействие
высокую помехоустойчивость
Их называют триггерами Шмидта.
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 =Е+пR1/(R1+R2), UПН= Е+пR1/(R1+R2).
Считаем, что Uоп=0.
Схема работает следующим образом.
Пусть , следовательно U+вх =Е+пR1/(R1+R2), компаратор срабатывает когда
Пусть , следовательно U+вх =Е-пR1/(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 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:
Входного (исследуемого) сигнала;
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.
studfiles.net
В данной статье разберёмся как работает компаратор на операционном усилителе.
Операционные усилители – очень мощный инструмент современного радиолюбителя. Одной из самых простых схем его использования является подключение по схеме компаратора.
Название компаратор прижилось в отечественной литературе. Произошло оно от заимствования с английского слова compare = сравнить. Поэтому многие радиолюбители называют компаратор сравнивающим устройством.
Обычно для экономии стоимости данные схемы реализуют на операционных усилителях, но бывают и специализированные микросхемы компараторов. Они, как правило, имеют лучшее быстродействие и меньшее падение напряжения на самой микросхеме, но их невозможно использовать в качестве операционного усилителя. В данной статье речь пойдёт о использовании именно операционника (ОУ) в качестве компаратора. А вариант с использованием специализированных компараторов будет рассмотрен позже.
Наглядно эта схема показана на следующем рисунке:
Рис.1. Схема подключения операционного усилителя в качестве компаратора.
Наиболее понятно, работа данной схемы представляется в виде работе некоторого постоянно сравнивающего устройства, которое постоянно сравнивает сигнал 1 и сигнал 2 подаваемые на вход компаратора. Выход оно устанавливает исходя из следующего:
Сигнал 1 больше по напряжению, чем сигнал 2?
Если да, то выход устанавливается в 10В (напряжение питание операционного усилителя). Если нет, то в 0В.
Рис.2. Наглядное описание работы компаратора
На первый взгляд в работе данной схемы нет ничего необычного, но существует бесчисленное множество применений работы данной схемы. В основном это устройства, которые переводят аналоговый сигнал в некоторую логическую величину: ДА или НЕТ. Это может быть и индикатор зарядки батареи, и датчик критического уровня жидкости в сосуде или любой другой аналоговый сигнал, который переходи какое-то определённое значение.
Данная схема работает по следующему принципу: В зависимости от температуры терморезистор R5 будет иметь разное значение сопротивления. С ростом температуры его сопротивление увеличивается.
Если температура не достигла заданной, то напряжение на выходе компаратора равно 0, и светодиод не горит.
При достижении температуры, установленной потенциометром R3, компаратор переключается, светодиод загорается, информируя нас о том, что терморезистор R5 перегрелся. В этот момент нужно как-то охладить работу вашей схемы, например, включив вентилятор или насос для прокачки воды. Это легко реализовать подключением в качестве нагрузки к выходу компаратора обычное электромагнитное реле.
Рис.3. Схема подключения датчика температуры.Задача данного датчика крайне проста: проинформировать держателя батарейки о полном её заряде и скором прекращении работы. Данная схема отличается от предыдущей тем, что строиться на базе не одного, а двух компараторах, но это не беда для современной техники. Дело в том, что большинство современных операционных усилителей выпускаются в корпусе DIP8/SO8 и в своём составе содержат два операционных усилителя. К примеру, вот фрагмент даташита (технического описания микросхемы) используемого мною ОУ:
Рис. 4. Расположение выводов у микросхемы ОУ NE5532.
Решается она следующим образом: входное напряжение поступает на сложный делитель R3-R5-R7. В результате получаются два аналоговых уровня соответствующих не инвертирующим входам ОУ.
Тот, что получается между резисторами R3-R5 будет говорить нам о глубоком разряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при достаточно низком напряжении.
Тот, что получается между резисторами R5-R7 будет говорить нам о полном заряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при высоком напряжении на клеммах аккумулятора.
Сразу замечу, что схема мной собиралась не раз и тестировалась на лабораторном блоке питания и реальной батарейке. По этому все комментарии по настройке тут особо не нужны, так как схема работает сразу практически без настройки. Схема отлично работает с 9В свинцовыми и МеОН аккумуляторами. Для популярных в последнее время Li-ion батареек она несколько изменяется: современные Li-ion батарейки работают в диапазоне 4,2-2,4В. Для них питание операционного усилителя выбирается на уровне 2,4В (под стандартный стабилизатор), фиксированный уровень сравнения вместо 2,5В становится 1,2В и используются низковольтные ОУ. В остальном схема точно такая-же.
Рис.5. Схема индикатора зарядки/разрядки батареи.
Данный материал написан для людей, которые уже попробовали поработать с компараторами и хотят углубиться в данной теме:
1. Чувствительность компаратора зависит от величины минимального напряжения между входами. Если вы стараетесь сделать очень точные измерения, по типу вытащить 0,001*С из схемы срабатывания охлаждения, то будьте готовы к тому, что у вас это не получиться в виду ограничений микросхемы
2. Во время переключения некоторое время компаратор переключается. Это свойство проявляется в основном при детекции вч сигналов. Если ваши рабочие частоты лежат до 100 кГц, то о данном параметре на всех современных ОУ можете не заморачиваться. В противном случае смотрите на величину скорости роста сигнала. Обычно у современных ОУ эта величина составляет единицы/десятки вольт в микросекунду. В вашем случае она считается по формуле:
Если данная величина получилась больше, чем параметр ОУ, то меняйте оу. На экране осциллографа при этом у вас будет сильное сваливание от прямоугольного сигнала на выходе ОУ к треугольному сигналу.
3. В некоторых случаях полезно реализовать гистерезис(запаздвание) на положительной обратной связи, но это рассмотрим подробнее в одном из следующих занятий практикума.
В конце концов вот вам приятный подарок, раз уж вы дочитали до конца. Вот видео автора данной статьи о компараторах, из которого можно подчеркнуть много интересного и полезного.
А теперь собственно ваше практическое задание: на основе вышеизложенного собрать простую схему на компараторе и показать её любому своему знакомому с объяснениями как это работает. Особенно рекомендую собрать схему на датчик перегрева и протестировать её работу на примере стакана с горячей водой. Присылайте свои фото и комментарии с практикумом на адрес info{собака}meanders.ru. А в качестве бонуса фотографии самого интересного практикума я выложу ниже в данной статье со ссылками на собравшего.
meanders.ru
Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения каких-либо величин (от лат. comparare – "сравнивать"). Является операционным усилителем с большим коэффициентом умножения. Имеет входы: прямой и инверсный. При необходимости опорный сигнал может быть подключен к любому из них.
На один из входов подается постоянный сигнал, который называется опорным. Он используется как образец для сравнения. Ко второму поступает испытуемый сигнал. На выходе стоит транзистор, меняющий свое состояние в зависимости от условий:
Соответственно, выходное напряжение меняется скачком от минимума до максимума, или наоборот.
Напряжение выходных каскадов соответствует входным уровням большинства цифровых микросхем. Это необходимо для случаев, когда компаратор – это формирователь импульса, управляющего работой логических элементов.
Используются в схемах измерения электрических сигналов и в аналогово-цифровых преобразователях. В логических цепях работают элементы «или» и «не», также являющиеся компараторами. Соответственно, использование этого компонента не ограничивается конкретными примерами, поскольку он применяется повсеместно.
Стоит отметить, что устройство сравнения можно сделать из любого операционного усилителя, но не наоборот. Коэффициент усиления компаратора достаточно высок. Соответственно, его входы очень чувствительны к разнице напряжений между ними. Расхождение в несколько милливольт значительно изменяет напряжение выхода.
Таким образом, компаратор позволяет наблюдать минимальные колебания уровней входных напряжений. Это делает его незаменимым элементом схем сравнения и измерительных приборов высокой точности:
Аналоговый компаратор сравнивает непрерывные сигналы – входной измеряемый и входной опорный. Как работает устройство, показано на графике ниже.
При медленном изменении входного сигнала, происходит многократное переключение компаратора за малый отрезок времени. Такое явление называют «электронным дребезгом». Его наличие значительно снижает эффективность сравнения. Поскольку часто повторяющиеся смены состояния выхода, вводят оконечный транзистор в состояние насыщения.
Для уменьшения эффекта «электронного дребезга», в схему вводят ПОС – положительную обратную связь. Она обеспечивает гистерезис – небольшую разницу между уровнем напряжения включения и отключения. Некоторые компараторы имеют встроенную ПОС, что уменьшает количество дополнительных элементов построения конструкции. Например, при незначительной потери чувствительности, добиваются стабильной работы компаратора.
Цифровой компаратор – это однобитный аналогово-цифровой преобразователь. Напряжение выхода представляет либо логический «0», либо «1». На вход может быть подан как аналоговый, так и цифровой сигнал. Устройство используется в качестве формирователя импульсов для сопряжения схем датчиков и устройств отображения. Может применяться для анализа спектра звукового или светового сигнала. Компаратор – это также логические элементы «или» и «не», используемые в вычислительной технике.
Теоретически при незначительно малых колебаниях уровня входного сигнала, может возникать состояние неопределенности выхода. На практике равенство измеряемого и опорного напряжений не наступает. Поскольку компаратор имеет ограниченный коэффициент усиления или положительную обратную связь.
Характерным примером является триггер Шмитта (ТШ). У него не совпадают уровни включения и выключения, что определяется ПОС. Это позволяет пренебречь дискретной помехой при работе компаратора.
Промышленность выпускает компараторы в виде интегральных схем. Их использование позволяет создавать компактные приборы, с минимумом навесных элементов. Также преимущество малогабаритных деталей в незначительной длине соединительных проводников. В условиях повышенного электромагнитного излучения они являются приемными антеннами для всевозможных электрических помех.
У компараторов есть немалое сходство с операционными усилителями:
Чувствительность, по-другому разрешающая способность, – это специфический параметр. Она определяет точность сравнения. Характеризуется минимальной разностью сигналов, при которой происходит срабатывание компаратора. Ее значение у интегральных микросхем имеет сотен микровольт. Это несколько хуже, чем у компараторов на операционных усилителях.
Время переключения характеризует быстродействие компараторов. Определяется минимальным временем изменения выходного сигнала: от момента сравнения до момента срабатывания. Зависит от разности сигналов на входах. Значения времени переключения составляют десятки и сотни наносекунд.
Кто умеет читать принципиальные схемы и паять, без труда соберет простейшие компараторы для использования в быту. Область применения весьма обширна. На них можно построить массу конструкций с минимальными затратами. Простейший компаратор – это операционный усилитель без положительной обратной связи.
В качестве основы для компаратора используется ОУ серии LM339. Для контроля и наглядности работы схемы введены красный и зеленый индикаторы. При подключении питания на ОУ должен засветиться один из светодиодов, причем какой из них - неважно. Это определяется множеством факторов: сетевые наводки на схему, особенности партии и параметров ОУ. Даже если взять несколько одинаковых микросхем, получатся различные результаты.
Если входной сигнал близок к «0» – будет светиться зеленый, а если близкое к напряжению питания, то красный светодиод. Затем можно попробовать сменить логическое состояние компаратора, подав на один из входов напряжение равное, например, половине напряжения питания ОУ. Сигнал на выходе не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входе. А только от разницы напряжений.
Данные опыты демонстрируют работу компаратора без ПОС. Такой компаратор может быть использован там, где не требуется особой точности измерений. Такими приборами являются бытовые термостаты, зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов, устройства десульфатации (восстановления) автоаккумуляторов, фотореле.
На принципиальной схеме представлен датчик освещенности.
Опорное напряжение задается резисторами RV1 и R2. При этом, RV1 служит регулятором чувствительности конструкции. Индикация реализована на светодиоде D1. Датчиком является элемент LDR1, который меняет омическое сопротивление в зависимости от освещенности. Собственно компаратор представлен операционным усилителем LM324. Это простое устройство демонстрирует то, как работает компаратор на практике.
Компаратор массы это устройство, предназначенное для уточнения разности значений массы гирь при контроле стандартов массы и веса, а также, для прецизионного взвешивания. Наиболее точные компараторы массы способны взвесить любой образец и сравнить его с иным, подобным ему. Происходит это на уровне атомов. Необходимость в таких устройствах возникает по причине несовершенства эталонных образцов мер веса и объема жидкости.
Российским стандартом массы является платиновый цилиндр. Он был скопирован с французского образца 125 лет назад. За прошедшие годы, эталон потерял в виде окислов около 40 мкг от первоначального веса. Соответственно, его использование для нужд производств, с высокой точностью измерения массы сейчас затруднительно.
Был разработан новый стандарт массы. Ученые назначили таковым кремниевый шар с четным количеством атомов. Сейчас это наиболее точный вариант эталона килограмма. Его характеристики приняты международным сообществом для использования.
Созданный образец нуждается в многократном копировании. Так как современные направления в науке, особенно фармакология, биоинженерия, компьютерная электроника, нанотехнологические разработки требуют прецизионной точности измерений. Для таких областей науки и техники критичны сотые доли микрограмма. Эту задачу должен решить атомный компаратор массы – устройство способное определить разницу в несколько частиц.
Атомный компаратор использует для измерений опорный сигнал, полученный от высокоточного кварцевого генератора. Измеряемое напряжение берется с квантового дискриминатора, определяющего стабильность линии мельчайших частиц. Ее изменения вызываются расхождением в количестве атомов образца. Поэтому сейчас – это самый точный прибор измерения.
Существуют и менее точные компараторы массы. Их стоимость гораздо ниже атомных, но для них всех находится работа в промышленности, торговле, стандартизации.
fb.ru
