Jak komparátor funguje: charakteristika a popis principu činnosti, použití napěťových porovnávacích obvodů

V elektronických zařízeních lze často nalézt různé integrované obvody. Jedním z nich je srovnávač. Jeho aplikace sahají od signalizačních senzorů až po průmyslovou a automobilovou elektroniku. Když víte, jak funguje komparátor, můžete nezávisle sestavit různé zajímavé obvody, například nabíječku, indikační jednotku nebo dokonce generátor.

Popis a obvody

Přes zdánlivou jednoduchost je komparátor mnohem zajímavějším zařízením, než by se na první pohled mohlo zdát. V elektronice se nazývá logický mikroobvod určený k porovnání dvou elektrických signálů přiváděných na jeho vstup. V závislosti na výsledcích tohoto měření se mění provozní režim zařízení.

Pojem "komparátor" pochází z latinského slova "comparare", které se do ruštiny doslova překládá jako jak porovnávat. Konstrukčně lze zařízení vyrábět v různých obalech, například DIP, SOIC, SSOP. Nejjednodušší typ porovnávacího prvku má dva analogové vstupy a jeden digitální výstup. Jeho provoz je založen na diferenciálním stupni s vysokým ziskem. Proto jsou komparátory široce používány v zařízeních určených k měření nebo převodu analogového signálu na digitální (ADC).

Na schématech a v technické literatuře je zařízení graficky označeno jako rovnoramenný trojúhelník se třemi svody. Na jedné straně jsou závěry podepsány znaky «+» a «—», respektive označující neinvertující vstup a invertující, a na druhé straně - je znázorněn výstup, který je označen symbolem Uout.

Při přímém vstupu («+») mikroobvodu bude úroveň signálu vyšší než na inverzní («—»), pak se na jeho výstupu vytvoří stabilní hodnota. V závislosti na schematickém řešení komparátoru může mít tato hodnota podobu logické nuly nebo jedničky. V digitální elektronice signál se počítá jako jednotka, jehož napěťová úroveň je pět voltů a jeho nepřítomnost se považuje za nulovou. To znamená, že výstupní stav zařízení je určen jako vysoký nebo nízký. Ale v praxi se hodnota rozdílu potenciálu do 2,7 V bere jako logická nula.

Jeden ze vstupních signálů do přístroje se nazývá referenční nebo prahové napětí. Právě s touto hodnotou se porovnává velikost signálu na druhém vstupu. Referenční napětí lze přivést na inverzní i přímé vstupy. Podle toho se komparátory nazývají invertující nebo neinvertující. Když zařízení pracuje s jedním referenčním napětím, nazývá se jednoprahové, a pokud s jiným, nazývá se vícevstupové.

Charakteristika přístroje

V podstatě si lze zařízení představit jako jednoduchý voltmetr nebo ADC. Komparátor, jako každé elektronické zařízení, má řadu technických vlastností, které lze rozdělit do dvou typů: statické a dynamické.

Statické parametry zahrnují následující charakteristiky:

1. Limitní citlivost označuje prahové hodnoty signálu, které zařízení identifikuje na vstupu a mění potenciál svého výstupu na logickou nulu nebo jedničku.
2. Velikost posunutí je určena přenosovým momentem zařízení vzhledem k ideální poloze.
3. Vstupní proud je jeho maximální hodnota, která může projít jakýmkoli výstupem bez poškození zařízení.
4. Výstupní proud - hodnota proudu, který se objeví na výstupu, když zařízení vstoupí do stavu jednoty.
5. Rozdíl v proudech je hodnota zjištěná odečtením hodnot proudů tekoucích při zkratování vstupů.
6. Hystereze - rozdíl úrovní vstupního signálu, vedoucí ke změně stabilního stavu na výstupu.
7. Poměr odmítnutí společného režimu je určen poměrem společného režimu a diferenciálního signálu, který způsobí přepnutí komparátoru.
8. Vstupní impedance je impedance vstupu.
9. Minimální a maximální provozní teplota - rozsah, ve kterém se nemění technické parametry zařízení.

Důležitou dynamickou charakteristikou je doba sepnutí tn. Je určena časovým intervalem od začátku porovnávání vstupního signálu do okamžiku, kdy na výstupu komparátoru nastane opačný stabilní stav. Tato doba je určena jednou hodnotou prahového napětí a jeho skokem na opačném vstupu. Tento časový interval je rozdělen na dvě části – zpoždění a náběh.

Všechny relevantní parametry komparátoru jsou prezentovány jako přechodná odezva. Toto je graf v kartézském rovinném souřadnicovém systému, ve kterém osa X udává čas v nanosekundách a osa Y ukazuje vstupní a výstupní napětí ve voltech.

Zařízení a princip činnosti

Obvod zařízení je založen na diferenciálním operačním zesilovači s poměrně vysokým ziskem. Jeho rozdíly s jednoduchým lineárním zesilovačem jsou v provedení vstupního a výstupního stupně.

Vstup zařízení odolává širokému rozsahu signálu až po hodnoty napájení a celý rozsah napětí v běžném režimu. Výstup komparátoru je kompatibilní s technologiemi TTL a ECL díky možnosti provedení tohoto stupně na tranzistoru s otevřeným kolektorem. Zařízení nepoužívá negativní zpětnou vazbu jako u operačního zesilovače, ale naopak výstup je kryt kladným článkem, který tvoří hysterezní přenos charakteristický.

Dvouprahový komparátor se nazývá Schmittův spouštěč nebo ternární. Pro srovnání používá dvě napětí. Signály v binárním komparátoru jsou rozděleny do tří rozsahů:

1. Urf2> Urf1;
2. Uout1 = 0, pokud Uin Uref1;
3. Uout2 = 0, pokud Uin Uref2.

Uref - napětí dolního a horního spínacího prahu, Uout - úroveň výstupního signálu, Uin - napětí na vstupu zařízení.

Vnitřním obvodem zařízení je zesilovač sestavený na tranzistorech VT1-VT2, který je zatížen kaskádou VT5-VT6, zapojenou do obvodu se společným emitorem. Další klíč VT4 ovládá režim kolektoru vstupního signálu. A přes tranzistor VT7, pracující v diodovém režimu, je řízena úroveň signálu na VT8, což umožňuje dosáhnout jeho nezávislosti na změnách napájecího napětí. Klávesy VT5 a VT6 jsou připojeny k Zenerově diodě VD1. Přes opakovač VT8 je tedy vstupní signál přiváděn na výstup z kolíku kolektoru VT6.

Pokud vstupní signál nepřekročí jeden volt, pak je tranzistor VT6 uzavřen a VT5 je v režimu saturace. Výstupní signál nebude moci překročit čtyři volty, protože větší hodnota otevře diodu. S opačným znaménkem se VT6 nasytí a výstupní napětí bude nulové. Moderní zařízení používají stroboskopický výstup nebo západkové klopné obvody, tedy prvky, které řídí výstup komparátoru při detekci synchronizačního impulsu. Výsledky srovnání se mohou objevit ve dvou formách: během záblesku nebo v pauzách mezi pulzy.

Jednoduché konstrukce

V praxi našly komparátory napětí široké uplatnění v elektronických obvodech různých směrů. V obchodech s rádiem najdete poměrně velké množství různých mikroobvodů. Ale nejběžněji používané mikroobvody mezi radioamatéry jsou:

• LM311;
• K554CA3;
• LM339;
• MAX934.

Jsou k dispozici na prodej a jejich cena je více než demokratická. Tyto komparátory mají široký rozsah vstupního napětí a mohou pracovat s unipolárními a bipolárními zdroji.

Na výstup zařízení lze připojit jakoukoliv zátěž s proudovým odběrem obvykle nepřesahujícím 50 mA. Může to být relé, rezistor, LED, optočlen nebo jakýkoli akční člen, ale s prvky omezujícími proud. Je možné připojit i indukční zátěž, ale v tomto případě je většinou bočníková diodami. Pro provoz zařízení se používají napájecí zdroje s výstupním napětím 5-36 voltů.

Ovládání foto relé

Takové relé se montuje povrchovou montáží. Může být použit v bezpečnostním systému nebo k ovládání úrovně osvětlení. Práce obvodu je následující. Vstupní napětí jde do děliče sestávajícího z R1 a fotodiody VD3. Jejich společný bod připojení přes omezovací diody VD1 a VD2 je připojen na vstupy komparátoru DA1. Díky tomu není na vstupu zařízení žádný rozdíl potenciálů, což znamená, že citlivost zařízení je maximální.

Aby byl signál na výstupu invertovaný, musíte na vstupu vytvořit rozdíl pouze jeden milivolt. Vzhledem k tomu, že kondenzátor C1 a rezistor R1 jsou připojeny na inverzní vstup, hodnota napětí na něm vzroste s krátkým zpožděním rovnajícím se době nabíjení kondenzátoru.

Tato doba ale stačí na to, aby se na výstupu objevila logická jednotka, která přebuduje provozní režim relé připojeného jako zátěž. Jakmile se osvětlení opět změní, situace se bude opakovat. Nasměrováním fotorelé na nějaké místo se tedy v případě změny jeho osvětlení objeví na vstupech komparátoru rozdíl napětí. V souladu s tím se také změní činnost relé, ke kterému lze připojit různé zátěže.

Nabíjecí jednotka

Dokončený napájecí zdroj z provozuschopných prvků začne okamžitě pracovat. Jeho nastavení se redukuje pouze na nastavení jmenovitého nabíjecího proudu a prahů provozu komparátoru. Po zapnutí zařízení se rozsvítí zelená LED, indikující napájení. Během nabíjení by měla trvale svítit červená LED, která zhasne, jakmile se baterie nabije.

Přiváděné napětí ze zdroje je regulováno pomocí R2 a nabíjecí proud je nastaven pomocí R4. Nastavení se provádí pomocí rezistoru 150 Ohm zapojeného paralelně s kontakty držáku baterie. Baterie samotná se do něj nevkládá. Tranzistor VT1 je nainstalován na radiátoru, místo toho můžete použít analog KT814B.

Takový obvod bude muset být sestaven na desce plošných spojů, ale nakonec by jeho velikost neměla přesáhnout 50 x 50 mm.

Jednodušší obvod můžete sestavit pomocí principu činnosti stabilizátoru proudu. Referenční napětí je přiváděno na vstup LM358 přes zenerovu diodu. Druhý vstup mikroobvodu je připojen za proudový snímač. Pokud je na výstup komparátoru připojena vybitá baterie, pak se proud v obvodu začne zvyšovat a část napětí na nízkoodporovém rezistoru klesne.

Mezi dvěma vstupy mikroobvodu bude rozdíl napětí. Obvod začne kompenzovat tento rozdíl zvýšením výstupního proudu. V procesu nabíjení baterie se napětí na vstupu začne snižovat, což povede ke snížení proudu v obvodu. Jakmile je baterie nabitá, tranzistor VT1 se uzavře a zátěž se vypne. Nabíjecí proud je omezen změnou odporu R1.

Krystalový oscilátor

Takový generátor pravoúhlých impulsů, sestavený podle schématu na domácím komparátoru K544C3, pracuje na hodinové frekvenci 32768 Hz. Obvod bude pracovat v rozsahu vstupního napětí 7 až 11 voltů. Frekvenci nastavuje quartz ZQ1, ale aby zařízení fungovalo nad 50 kHz, bude nutné snížit odpor R5 a R6.

Když je druhá svorka uzavřena nulovým vodičem, výstup komparátoru se zapne podle obvodu otevřeného kolektoru, ve kterém je zátěž R7. Nastavení frekvence se provádí pomocí C1. Díky rezistoru R4 se generátor automaticky spustí. Změnou odporu R2 se mění pracovní cyklus impulsů.

Volbou nádob C1 a C2 lze generátor použít jako bezkontaktní snímač kapalin. K tomu budete muset použít mikrokontrolér se softwarem jako detektor. I když je možné použít jiný komparátor, který bude registrovat změny usměrněné napěťovými diodami.

Napěťový komparátor je tedy navržen tak, aby porovnával úrovně signálu na jeho vstupech. Pokud se začnou lišit, pak v závislosti na tomto rozdílu změní výstup zařízení svůj stav. Vývojáři tuto vlastnost využívají při navrhování různých elektrických spotřebičů.