Come funziona il comparatore: caratteristiche e descrizione del principio di funzionamento, l'uso di circuiti di confronto di tensione

Vari circuiti integrati si trovano spesso nei dispositivi elettronici. Uno di questi è il comparatore. Le sue applicazioni spaziano dai sensori di segnalazione all'elettronica industriale e automobilistica. Sapendo come funziona il comparatore, puoi assemblare in modo indipendente vari circuiti interessanti, ad esempio un caricabatterie, un'unità indicatore o persino un generatore.

Descrizione e circuiti

Nonostante la sua apparente semplicità, il comparatore è un dispositivo molto più interessante di quanto possa sembrare a prima vista. In elettronica, si chiama microcircuito logico progettato per confrontare due segnali elettrici applicati al suo ingresso. A seconda dei risultati di questa misurazione, la modalità operativa del dispositivo cambia.

Il termine "comparatore" deriva dalla parola latina "comparare", che letteralmente si traduce in russo come confrontare. Strutturalmente, il dispositivo può essere prodotto in vari pacchetti, ad esempio DIP, SOIC, SSOP. Il tipo più semplice di elemento di confronto ha due ingressi analogici e un'uscita digitale. Il suo funzionamento si basa su uno stadio differenziale ad alto guadagno. Pertanto, i comparatori sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature progettate per misurare o convertire un segnale analogico in digitale (ADC).

Nei diagrammi e nella letteratura tecnica, il dispositivo è designato graficamente come un triangolo isoscele con tre conduttori. Da un lato, le conclusioni sono firmate con segni «+» e «—», che denota rispettivamente un ingresso non invertente e uno invertente, e dall'altro - è raffigurata l'uscita, che è contrassegnata dal simbolo Uout.

Quando in ingresso diretto («+») del microcircuito, il livello del segnale sarà maggiore rispetto all'inverso («—»), allora si forma un valore stabile alla sua uscita. A seconda della soluzione schematica del comparatore, questo valore può assumere la forma di uno zero o uno logico. Nell'elettronica digitale un segnale viene conteggiato come un'unità, il cui livello di tensione è di cinque volt e la sua assenza è considerata zero. Cioè, lo stato di uscita del dispositivo è determinato per essere alto o basso. Ma in pratica, il valore della differenza di potenziale fino a 2,7 V viene preso come zero logico.

Uno dei segnali in ingresso allo strumento è chiamato tensione di riferimento o soglia. È con questo valore che viene confrontata l'ampiezza del segnale al secondo ingresso. La tensione di riferimento può essere applicata sia agli ingressi inversi che diretti. A seconda di ciò, i comparatori sono chiamati invertenti o non invertenti. Quando il dispositivo funziona con una tensione di riferimento si parla di una soglia, se con una diversa si parla di multi-ingresso.

Caratteristiche dello strumento

In sostanza, il dispositivo può essere pensato come un semplice voltmetro o ADC. Un comparatore, come ogni dispositivo elettronico, ha una serie di caratteristiche tecniche che possono essere suddivise in due tipologie: statiche e dinamiche.

I parametri statici includono le seguenti caratteristiche:

1. La sensibilità limite indica i valori di soglia del segnale che il dispositivo identifica all'ingresso e cambia il potenziale della sua uscita in uno zero logico o uno.
2. La quantità di spostamento è determinata dal momento di trasferimento del dispositivo rispetto alla posizione ideale.
3. La corrente di ingresso è il suo valore massimo che può passare attraverso qualsiasi uscita senza danneggiare il dispositivo.
4. Corrente di uscita: il valore della corrente che appare in uscita quando il dispositivo entra nello stato di unità.
5. La differenza di correnti è il valore trovato sottraendo i valori delle correnti che scorrono quando gli ingressi sono in cortocircuito.
6. Isteresi: la differenza nei livelli del segnale di ingresso, che porta a un cambiamento nello stato stabile all'uscita.
7. Il rapporto di reiezione di modo comune è determinato dal rapporto tra il modo comune e il segnale differenziale che provoca la commutazione del comparatore.
8. L'impedenza di ingresso è l'impedenza dell'ingresso.
9. Temperatura di esercizio minima e massima: l'intervallo in cui i parametri tecnici del dispositivo non cambiano.

Un'importante caratteristica dinamica è il tempo di commutazione tn. È determinato dall'intervallo di tempo dall'inizio del confronto del segnale di ingresso al momento in cui si verifica lo stato stabile opposto all'uscita del comparatore. Questo tempo è determinato con un valore della tensione di soglia e il suo salto all'ingresso opposto. Questo intervallo di tempo è diviso in due parti: ritardo e aumento.

Tutti i parametri rilevanti del comparatore sono presentati come risposta transitoria. Questo è un grafico in un sistema di coordinate planari cartesiane, in cui l'asse X indica il tempo in nanosecondi e l'asse Y indica la tensione di ingresso e di uscita in volt.

Dispositivo e principio di funzionamento

La circuiteria del dispositivo si basa su un operazionale differenziale con un guadagno abbastanza elevato. Le sue differenze con un semplice amplificatore lineare sono nell'implementazione dello stadio di ingresso e di uscita.

L'ingresso del dispositivo resiste a un'ampia gamma di segnali fino ai valori di alimentazione e a un intervallo di tensione di modo comune completo. L'uscita del comparatore è compatibile con le tecnologie TTL ed ECL grazie alla possibilità di eseguire questa fase su un transistor a collettore aperto. Il dispositivo non utilizza feedback negativo come in un amplificatore operazionale, ma, al contrario, l'uscita è coperta da un legame positivo, che forma un trasferimento di isteresi caratteristica.

Il comparatore a due soglie è chiamato trigger di Schmitt o ternario. Per confronto, utilizza due tensioni. I segnali nel comparatore binario sono suddivisi in tre intervalli:

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

Uref - tensione delle soglie di commutazione inferiore e superiore, Uout - livello del segnale di uscita, Uin - tensione all'ingresso del dispositivo.

Il circuito interno del dispositivo è un amplificatore assemblato sui transistor VT1-VT2, che viene caricato con una cascata VT5-VT6, collegata in un circuito di emettitore comune. Un tasto aggiuntivo VT4 controlla la modalità di raccolta del segnale di ingresso. E attraverso il transistor VT7, operando in modalità diodo, viene controllato il livello del segnale su VT8, il che consente di raggiungere la sua indipendenza dalle variazioni della tensione di alimentazione. I tasti VT5 e VT6 sono collegati al diodo Zener VD1. Pertanto, attraverso il ripetitore VT8, il segnale di ingresso viene inviato all'uscita dal pin del collettore VT6.

Se il segnale di ingresso non supera un volt, il transistor VT6 è chiuso e VT5 è in modalità saturazione. Il segnale di uscita non sarà in grado di superare i quattro volt, poiché un valore maggiore aprirà il diodo. Con il segno opposto, VT6 si saturerà e la tensione di uscita diventerà zero. I dispositivi moderni utilizzano un'uscita stroboscopica o flip-flop latch, ovvero elementi che controllano l'uscita del comparatore quando viene rilevato un impulso di sincronizzazione. I risultati del confronto possono apparire in due forme: durante uno strobo o nelle pause tra gli impulsi.

Costruzioni semplici

In pratica, i comparatori di tensione hanno trovato ampia applicazione nei circuiti elettronici di varie direzioni. Nei negozi di radio è possibile trovare un numero abbastanza elevato di microcircuiti diversi. Ma i microcircuiti più comunemente usati tra i radioamatori sono:

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

Sono disponibili per la vendita e il loro costo è più che democratico. Questi comparatori hanno un'ampia gamma di tensioni di ingresso e possono funzionare con alimentazioni unipolari e bipolari.

Qualsiasi carico con un consumo di corrente normalmente non superiore a 50 mA può essere collegato all'uscita del dispositivo. Può essere un relè, un resistore, un LED, un fotoaccoppiatore o qualsiasi attuatore, ma con elementi di limitazione della corrente. È anche possibile collegare un carico induttivo, ma in questo caso viene solitamente deviato dai diodi. Per il funzionamento del dispositivo vengono utilizzati alimentatori con una tensione di uscita di 5-36 volt.

Controllo relè foto

Tale relè è assemblato mediante montaggio superficiale. Può essere utilizzato in un sistema di sicurezza o per controllare il livello di illuminazione. Il lavoro del circuito è il seguente. La tensione di ingresso va ad un partitore costituito da R1 e da un fotodiodo VD3. Il loro punto di collegamento comune tramite i diodi limitatori VD1 e VD2 è collegato agli ingressi del comparatore DA1. Di conseguenza, non vi è alcuna differenza di potenziale all'ingresso del dispositivo, il che significa che la sensibilità del dispositivo è massima.

Affinché il segnale in uscita venga invertito, è necessario creare una differenza all'ingresso di un solo millivolt. A causa del fatto che il condensatore C1 e il resistore R1 sono collegati all'ingresso inverso, il valore di tensione su di esso aumenterà con un breve ritardo pari al tempo di carica del condensatore.

Ma questa volta è sufficiente perché appaia in uscita un'unità logica, che ricostruirà la modalità di funzionamento del relè collegato come carico. Non appena l'illuminazione cambia di nuovo, la situazione si ripeterà. Pertanto, dirigendo il fotorelè in un punto, in caso di cambiamento della sua illuminazione, apparirà una differenza di tensione agli ingressi del comparatore. Di conseguenza, cambierà anche il funzionamento del relè, al quale possono essere collegati vari carichi.

Unità di ricarica

Un'unità di alimentazione completata da elementi riparabili inizia a funzionare immediatamente. Le sue impostazioni si riducono solo all'impostazione della corrente di carica nominale e delle soglie di funzionamento del comparatore. Quando il dispositivo è acceso, il LED verde si accende, indicando l'alimentazione. Durante la carica, il LED rosso dovrebbe essere costantemente acceso, che si spegnerà non appena la batteria sarà carica.

La tensione fornita dall'alimentatore è regolata da R2 e la corrente di carica è impostata da R4. L'impostazione viene effettuata utilizzando una resistenza da 150 Ohm collegata in parallelo ai contatti del portabatteria. La batteria stessa non viene inserita. Il transistor VT1 è installato sul radiatore, invece è possibile utilizzare un analogo di KT814B.

Tale circuito dovrà essere assemblato su un circuito stampato, ma alla fine la sua dimensione non dovrebbe superare 50 x 50 mm.

È possibile assemblare un circuito più semplice utilizzando il principio di funzionamento di uno stabilizzatore di corrente. La tensione di riferimento viene fornita all'ingresso dell'LM358 tramite un diodo zener. Il secondo ingresso del microcircuito è collegato dopo il sensore di corrente. Se una batteria scarica è collegata all'uscita del comparatore, la corrente nel circuito inizierà ad aumentare e parte della tensione diminuirà attraverso il resistore a bassa resistenza.

Ci sarà una differenza di tensione tra i due ingressi del microcircuito. Il circuito inizierà a compensare questa differenza aumentando l'amperaggio di uscita. Nel processo di ricarica della batteria, la tensione all'ingresso inizierà a diminuire, il che porterà a una diminuzione della corrente nel circuito. Non appena la batteria viene caricata, il transistor VT1 si chiuderà e il carico si spegnerà. La corrente di carica viene limitata modificando la resistenza R1.

Oscillatore a cristallo

Un tale generatore di impulsi rettangolari, assemblato secondo lo schema sul comparatore domestico K544C3, funziona a una frequenza di clock di 32768 Hz. Il circuito funzionerà entro un intervallo di tensione di ingresso da 7 a 11 volt. La frequenza è impostata dal quarzo ZQ1, ma affinché il dispositivo funzioni sopra i 50 kHz, sarà necessario ridurre la resistenza di R5 e R6.

Quando il secondo terminale è chiuso con un filo neutro, l'uscita del comparatore si accende secondo il circuito a collettore aperto, in cui R7 è il carico. La regolazione della frequenza viene eseguita con C1. A causa della resistenza R4, il generatore si avvia automaticamente. Modificando la resistenza R2, cambia il duty cycle degli impulsi.

Selezionando i contenitori C1 e C2, il generatore può essere utilizzato come sensore di liquido senza contatto. Per questo, sarà necessario utilizzare un microcontrollore con software come rilevatore. Sebbene sia possibile utilizzare un altro comparatore, che registrerà le modifiche rettificate dai diodi di tensione.

Pertanto, il comparatore di tensione è progettato per confrontare i livelli del segnale ai suoi ingressi. Se iniziano a differire, quindi, a seconda di questa differenza, l'uscita del dispositivo cambia il suo stato. Gli sviluppatori utilizzano questa proprietà durante la progettazione di vari apparecchi elettrici.