Jak działa komparator: charakterystyka i opis zasady działania, zastosowanie układów porównywania napięć

W urządzeniach elektronicznych często można znaleźć różne układy scalone. Jednym z nich jest komparator. Jego zastosowania sięgają od czujników sygnalizacyjnych po elektronikę przemysłową i samochodową. Wiedząc, jak działa komparator, możesz samodzielnie montować różne ciekawe obwody, na przykład ładowarkę, wskaźnik, a nawet generator.

Opis i obwody

Mimo pozornej prostoty komparator jest o wiele ciekawszym urządzeniem, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. W elektronice nazywa się to mikroukładem logicznym zaprojektowanym do porównywania dwóch sygnałów elektrycznych podawanych na jego wejście. W zależności od wyników tego pomiaru zmienia się tryb pracy urządzenia.

Termin „porównywarka” pochodzi od łacińskiego słowa „porównać”, co dosłownie tłumaczy się na rosyjski jako sposób porównywania. Konstrukcyjnie urządzenie może być produkowane w różnych opakowaniach, np. DIP, SOIC, SSOP. Najprostszy typ elementu porównawczego ma dwa wejścia analogowe i jedno wyjście cyfrowe. Jego działanie opiera się na stopniu różnicowym o dużym wzmocnieniu. Dlatego komparatory są szeroko stosowane w sprzęcie przeznaczonym do pomiaru lub konwersji sygnału analogowego na cyfrowy (ADC).

Na schematach iw literaturze technicznej urządzenie jest oznaczone graficznie jako trójkąt równoramienny z trzema wyprowadzeniami. Z jednej strony wnioski są podpisane znakami «+» oraz «—», oznaczające odpowiednio wejście nieodwracające i wejście odwracające, a z drugiej strony wyjście, które jest oznaczone symbolem Uout.

Gdy na wejściu bezpośrednim («+») mikroukładu poziom sygnału będzie większy niż na odwrotności («—»), wtedy na jego wyjściu tworzona jest stabilna wartość. W zależności od schematu rozwiązania komparatora wartość ta może przyjąć postać logicznego zera lub jedynki. W elektronice cyfrowej sygnał jest liczony jako jednostka, którego poziom napięcia wynosi pięć woltów, a jego brak przyjmuje się jako zero. Oznacza to, że stan wyjściowy urządzenia jest określany jako wysoki lub niski. Ale w praktyce wartość różnicy potencjałów do 2,7 V przyjmuje się jako logiczne zero.

Jeden z sygnałów wejściowych do przyrządu nazywany jest napięciem odniesienia lub progiem. Właśnie z tą wartością porównywana jest wielkość sygnału na drugim wejściu. Napięcie odniesienia może być przyłożone zarówno do wejść odwrotnych, jak i bezpośrednich. W zależności od tego komparatory nazywane są odwracającymi lub nieodwracającymi. Kiedy urządzenie pracuje z jednym napięciem odniesienia, nazywa się to jednoprogowym, a jeśli z innym, nazywa się to wielowejściowym.

Charakterystyka instrumentu

Zasadniczo urządzenie można traktować jako prosty woltomierz lub ADC. Komparator, jak każde urządzenie elektroniczne, ma szereg cech technicznych, które można podzielić na dwa typy: statyczne i dynamiczne.

Parametry statyczne obejmują następujące cechy:

1. Czułość graniczna oznacza wartości progowe sygnału, które urządzenie identyfikuje na wejściu i zmienia potencjał swojego wyjścia na logiczne zero lub jeden.
2. Wielkość przemieszczenia jest określona przez moment przeniesienia urządzenia w stosunku do idealnej pozycji.
3. Prąd wejściowy to jego maksymalna wartość, która może przejść przez dowolne wyjście bez uszkodzenia urządzenia.
4. Prąd wyjściowy - wartość prądu, który pojawia się na wyjściu, gdy urządzenie przechodzi w stan jedności.
5. Różnica prądów to wartość znaleziona przez odjęcie wartości prądów płynących przy zwarciu wejść.
6. Histereza - różnica poziomów sygnałów wejściowych, prowadząca do zmiany stanu stabilnego na wyjściu.
7. Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego jest określony przez stosunek sygnału wspólnego do sygnału różnicowego, który powoduje przełączenie komparatora.
8. Impedancja wejściowa to impedancja wejściowa.
9. Minimalna i maksymalna temperatura pracy – zakres, w którym parametry techniczne urządzenia nie ulegają zmianie.

Ważną charakterystyką dynamiczną jest czas przełączania tn. Jest on określony przez odstęp czasu od początku porównywania sygnału wejściowego do momentu, w którym na wyjściu komparatora wystąpi przeciwny stan stabilny. Czas ten określany jest jedną wartością napięcia progowego i jego skokiem na przeciwległym wejściu. Ten przedział czasu podzielony jest na dwie części - opóźnienie i wzrost.

Wszystkie istotne parametry komparatora są prezentowane jako odpowiedź przejściowa. Jest to wykres w kartezjańskim płaskim układzie współrzędnych, w którym oś X wskazuje czas w nanosekundach, a oś Y wskazuje napięcie wejściowe i wyjściowe w woltach.

Urządzenie i zasada działania

Układ scalony urządzenia oparty jest na różnicowym opampie o dość dużym wzmocnieniu. Różnice w stosunku do prostego wzmacniacza liniowego polegają na implementacji stopnia wejściowego i wyjściowego.

Wejście urządzenia wytrzymuje szeroki zakres sygnału do wartości zasilania oraz pełny zakres napięcia wspólnego. Wyjście komparatora jest kompatybilne z technologiami TTL i ECL ze względu na możliwość wykonania tego etapu na tranzystorze z otwartym kolektorem. Urządzenie nie wykorzystuje ujemnego sprzężenia zwrotnego jak we wzmacniaczu operacyjnym, ale wręcz przeciwnie, wyjście jest objęte dodatnim ogniwem, które tworzy transfer histerezy Charakterystyka.

Komparator dwuprogowy nazywa się wyzwalaczem Schmitta lub trójskładnikowym. Dla porównania wykorzystuje dwa napięcia. Sygnały w komparatorze binarnym podzielone są na trzy zakresy:

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

Uref - napięcie dolnego i górnego progu przełączania, Uout - poziom sygnału wyjściowego, Uin - napięcie na wejściu urządzenia.

Obwód wewnętrzny urządzenia to wzmacniacz zmontowany na tranzystorach VT1-VT2, który jest obciążony kaskadą VT5-VT6, połączoną we wspólnym obwodzie emitera. Dodatkowy klucz VT4 steruje trybem kolektora sygnału wejściowego. A poprzez tranzystor VT7, działający w trybie diodowym, kontrolowany jest poziom sygnału na VT8, co umożliwia osiągnięcie jego niezależności od zmian napięcia zasilania. Klucze VT5 i VT6 są podłączone do diody Zenera VD1. Dlatego za pośrednictwem wzmacniacza VT8 sygnał wejściowy jest podawany na wyjście z pinu kolektora VT6.

Jeśli sygnał wejściowy nie przekracza jednego wolta, tranzystor VT6 jest zamknięty, a VT5 jest w trybie nasycenia. Sygnał wyjściowy nie będzie mógł przekroczyć czterech woltów, ponieważ większa wartość spowoduje otwarcie diody. Przy przeciwnym znaku VT6 nasyci się, a napięcie wyjściowe osiągnie zero. Nowoczesne urządzenia wykorzystują wyjście strobujące lub przerzutniki zatrzaskowe, czyli elementy sterujące wyjściem komparatora po wykryciu impulsu synchronizacji. Wyniki porównania mogą występować w dwóch postaciach: podczas stroboskopu lub w przerwach między impulsami.

Proste konstrukcje

W praktyce komparatory napięcia znalazły szerokie zastosowanie w obwodach elektronicznych różnych kierunków. W sklepach radiowych można znaleźć dość dużą liczbę różnych mikroukładów. Ale najczęściej używane mikroukłady wśród radioamatorów to:

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

Są dostępne w sprzedaży, a ich koszt jest więcej niż demokratyczny. Te komparatory mają szeroki zakres napięcia wejściowego i mogą współpracować z zasilaczami unipolarnymi i bipolarnymi.

Do wyjścia urządzenia można podłączyć dowolne obciążenie o poborze prądu zwykle nieprzekraczającym 50 mA. Może to być przekaźnik, rezystor, dioda LED, transoptor lub dowolny aktuator, ale z elementami ograniczającymi prąd. Możliwe jest również podłączenie obciążenia indukcyjnego, ale w tym przypadku jest ono zwykle bocznikowane przez diody. Do działania urządzenia stosowane są zasilacze o napięciu wyjściowym 5-36 woltów.

Sterowanie przekaźnikiem foto

Taki przekaźnik jest montowany przez montaż powierzchniowy. Może być stosowany w systemie bezpieczeństwa lub do kontroli poziomu oświetlenia. Praca obwodu jest następująca. Napięcie wejściowe trafia do dzielnika składającego się z R1 i fotodiody VD3. Ich wspólny punkt połączenia poprzez diody ograniczające VD1 i VD2 jest podłączony do wejść komparatora DA1. Dzięki temu na wejściu urządzenia nie ma różnicy potencjałów, co oznacza, że ​​czułość urządzenia jest maksymalna.

Aby sygnał na wyjściu został odwrócony, konieczne będzie stworzenie różnicy na wejściu tylko jednego miliwolta. Ze względu na to, że kondensator C1 i rezystor R1 są podłączone do wejścia odwrotnego, wartość napięcia na nim wzrośnie z krótkim opóźnieniem równym czasowi ładowania kondensatora.

Ale ten czas wystarczy, aby na wyjściu pojawiła się jednostka logiczna, która odbuduje tryb pracy przekaźnika podłączonego jako obciążenie. Gdy tylko oświetlenie znowu się zmieni, sytuacja się powtórzy. Zatem kierując fotoprzekaźnik w jakieś miejsce, w przypadku zmiany jego oświetlenia, na wejściach komparatora pojawi się różnica napięć. W związku z tym zmieni się również działanie przekaźnika, do którego można podłączyć różne obciążenia.

Jednostka ładująca

Kompletny zasilacz z elementów sprawnych zaczyna działać natychmiast. Jego ustawienia ograniczają się jedynie do ustawienia nominalnego prądu ładowania i progów pracy komparatora. Gdy urządzenie jest włączone, zapala się zielona dioda LED, wskazujący zasilanie. Podczas ładowania czerwona dioda LED powinna świecić światłem ciągłym, która zgaśnie zaraz po naładowaniu akumulatora.

Doprowadzone napięcie z zasilacza jest regulowane przez R2, a prąd ładowania jest ustawiany przez R4. Ustawienie odbywa się za pomocą rezystora 150 Ohm połączonego równolegle ze stykami oprawki baterii. Sama bateria nie jest do niego wkładana. Tranzystor VT1 jest zainstalowany na grzejniku, zamiast tego można użyć analogu KT814B.

Taki obwód będzie musiał być zmontowany na płytce drukowanej, ale ostatecznie jego rozmiar nie powinien przekraczać 50 x 50 mm.

Możesz zmontować prostszy obwód, korzystając z zasady działania stabilizatora prądu. Napięcie odniesienia jest dostarczane na wejście LM358 przez diodę Zenera. Drugie wejście mikroukładu jest podłączone za czujnikiem prądu. Jeśli rozładowany akumulator zostanie podłączony do wyjścia komparatora, prąd w obwodzie zacznie wzrastać, a część napięcia spadnie na rezystorze o niskiej rezystancji.

Między dwoma wejściami mikroukładu wystąpi różnica napięcia. Obwód zacznie kompensować tę różnicę, zwiększając natężenie wyjściowe. W trakcie ładowania akumulatora napięcie na wejściu zacznie spadać, co doprowadzi do zmniejszenia prądu w obwodzie. Jak tylko akumulator zostanie naładowany, tranzystor VT1 zamknie się, a obciążenie wyłączy się. Prąd ładowania jest ograniczony przez zmianę rezystancji R1.

Oscylator kwarcowy

Taki generator impulsów prostokątnych, zmontowany zgodnie ze schematem na komparatorze domowym K544C3, działa z częstotliwością zegara 32768 Hz. Obwód będzie działał w zakresie napięcia wejściowego od 7 do 11 woltów. Częstotliwość jest ustawiana przez kwarc ZQ1, ale aby urządzenie pracowało powyżej 50 kHz, konieczne będzie zmniejszenie rezystancji R5 i R6.

Gdy drugi zacisk jest zamknięty przewodem neutralnym, wyjście komparatora włącza się zgodnie z obwodem otwartego kolektora, w którym R7 jest obciążeniem. Regulacja częstotliwości odbywa się za pomocą C1. Dzięki rezystorowi R4 generator uruchamia się automatycznie. Zmieniając rezystancję R2, zmienia się cykl pracy impulsów.

Wybierając pojemniki C1 i C2 generator może służyć jako bezdotykowy czujnik cieczy. W tym celu będziesz musiał użyć mikrokontrolera z oprogramowaniem jako detektora. Chociaż możliwe jest zastosowanie innego komparatora, który zarejestruje zmiany wyprostowane przez diody napięciowe.

Zatem komparator napięcia jest przeznaczony do porównywania poziomów sygnałów na jego wejściach. Jeżeli zaczynają się różnić, to w zależności od tej różnicy wyjście urządzenia zmienia swój stan. Deweloperzy wykorzystują tę właściwość podczas projektowania różnych urządzeń elektrycznych.