Ako funguje komparátor: charakteristika a popis princípu činnosti, použitie obvodov na porovnávanie napätia

V elektronických zariadeniach možno často nájsť rôzne integrované obvody. Jedným z nich je porovnávač. Jeho aplikácie siahajú od signalizačných senzorov až po priemyselnú a automobilovú elektroniku. Keď viete, ako funguje komparátor, môžete nezávisle zostaviť rôzne zaujímavé obvody, napríklad nabíjačku, indikačnú jednotku alebo dokonca generátor.

Popis a obvody

Napriek zdanlivej jednoduchosti je porovnávač oveľa zaujímavejším zariadením, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať. V elektronike sa nazýva logický mikroobvod určený na porovnávanie dvoch elektrických signálov privedených na jeho vstup. V závislosti od výsledkov tohto merania sa mení prevádzkový režim zariadenia.

Pojem „komparátor“ pochádza z latinského slova „comparare“, ktoré sa do ruštiny doslova prekladá ako spôsob porovnávania. Konštrukčne môže byť zariadenie vyrobené v rôznych baleniach, napríklad DIP, SOIC, SSOP. Najjednoduchší typ porovnávacieho prvku má dva analógové vstupy a jeden digitálny výstup. Jeho činnosť je založená na diferenciálnom stupni s vysokým ziskom. Preto sú komparátory široko používané v zariadeniach určených na meranie alebo konverziu analógového signálu na digitálny (ADC).

Na schémach a v technickej literatúre je zariadenie graficky označené ako rovnoramenný trojuholník s tromi zvodmi. Na jednej strane sú závery podpísané znakmi «+» a «—», respektíve označujúci neinvertujúci vstup a invertujúci, a na druhej strane - je znázornený výstup, ktorý je označený symbolom Uout.

Pri priamom vstupe («+») mikroobvodu bude úroveň signálu väčšia ako na inverznej («—»), potom sa na jeho výstupe vytvorí stabilná hodnota. V závislosti od schematického riešenia komparátora môže mať táto hodnota tvar logickej nuly alebo jednotky. V digitálnej elektronike signál sa počíta ako jednotka, ktorej úroveň napätia je päť voltov a jej absencia sa považuje za nulovú. To znamená, že výstupný stav zariadenia je určený ako vysoký alebo nízky. Ale v praxi sa hodnota rozdielu potenciálu do 2,7 V berie ako logická nula.

Jeden zo vstupných signálov do prístroja sa nazýva referenčné alebo prahové napätie. Práve s touto hodnotou sa porovnáva veľkosť signálu na druhom vstupe. Referenčné napätie môže byť privedené na inverzné aj priame vstupy. V závislosti od toho sa komparátory nazývajú invertujúce alebo neinvertujúce. Keď zariadenie pracuje s jedným referenčným napätím, nazýva sa to jednoprahové, a ak s iným, nazýva sa to viacvstupové.

Charakteristiky prístroja

V podstate si zariadenie možno predstaviť ako jednoduchý voltmeter alebo ADC. Komparátor, ako každé elektronické zariadenie, má množstvo technických charakteristík, ktoré možno rozdeliť do dvoch typov: statické a dynamické.

Statické parametre zahŕňajú nasledujúce charakteristiky:

1. Limitná citlivosť označuje prahové hodnoty signálu, ktoré zariadenie identifikuje na vstupe a mení potenciál svojho výstupu na logickú nulu alebo jednotku.
2. Veľkosť posunutia je určená prenosovým momentom zariadenia vzhľadom na ideálnu polohu.
3. Vstupný prúd je jeho maximálna hodnota, ktorá môže prejsť akýmkoľvek výstupom bez poškodenia zariadenia.
4. Výstupný prúd - hodnota prúdu, ktorý sa objaví na výstupe, keď sa zariadenie dostane do stavu jednoty.
5. Rozdiel v prúdoch je hodnota zistená odčítaním hodnôt prúdov, ktoré tečú, keď sú vstupy skratované.
6. Hysterézia - rozdiel úrovní vstupného signálu, čo vedie k zmene stabilného stavu na výstupe.
7. Pomer odmietnutia spoločného režimu je určený pomerom bežného režimu k diferenciálnemu signálu, ktorý spôsobí prepnutie komparátora.
8. Vstupná impedancia je impedancia vstupu.
9. Minimálna a maximálna prevádzková teplota - rozsah, v ktorom sa nemenia technické parametre zariadenia.

Dôležitou dynamickou charakteristikou je spínací čas tn. Je určená časovým intervalom od začiatku porovnávania vstupného signálu do okamihu, kedy na výstupe komparátora nastane opačný stabilný stav. Tento čas je určený jednou hodnotou prahového napätia a jeho skokom na opačnom vstupe. Tento časový interval je rozdelený na dve časti – oneskorenie a vzostup.

Všetky relevantné parametre komparátora sú prezentované ako prechodná odozva. Toto je graf v kartézskom rovinnom súradnicovom systéme, v ktorom os X udáva čas v nanosekundách a os Y udáva vstupné a výstupné napätie vo voltoch.

Zariadenie a princíp činnosti

Obvod zariadenia je založený na diferenciálnom operačnom zosilňovači s pomerne vysokým ziskom. Jeho rozdiely s jednoduchým lineárnym zosilňovačom sú v implementácii vstupného a výstupného stupňa.

Vstup zariadenia odoláva širokému rozsahu signálu až po hodnoty napájacieho zdroja a celý rozsah napätia v bežnom režime. Výstup komparátora je kompatibilný s technológiami TTL a ECL vďaka možnosti vykonania tohto stupňa na tranzistore s otvoreným kolektorom. Zariadenie nevyužíva negatívnu spätnú väzbu ako v operačnom zosilňovači, ale naopak, výstup je krytý kladným článkom, ktorý tvorí hysterézny prenos charakteristický.

Dvojprahový komparátor sa nazýva Schmittov spúšťač alebo ternárny. Pre porovnanie používa dve napätia. Signály v binárnom komparátore sú rozdelené do troch rozsahov:

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

Uref - napätie dolného a horného spínacieho prahu, Uout - úroveň výstupného signálu, Uin - napätie na vstupe zariadenia.

Vnútorným obvodom zariadenia je zosilňovač zostavený na tranzistoroch VT1-VT2, ktorý je zaťažený kaskádou VT5-VT6, zapojenou v obvode so spoločným emitorom. Prídavný kľúč VT4 ovláda režim kolektora vstupného signálu. A cez tranzistor VT7 pracujúci v diódovom režime je riadená úroveň signálu na VT8, čo umožňuje dosiahnuť jeho nezávislosť od zmien napájacieho napätia. Klávesy VT5 a VT6 sú pripojené k Zenerovej dióde VD1. Preto sa cez opakovač VT8 vstupný signál privádza na výstup z kolíka kolektora VT6.

Ak vstupný signál nepresiahne jeden volt, potom je tranzistor VT6 zatvorený a VT5 je v režime nasýtenia. Výstupný signál nebude môcť prekročiť štyri volty, pretože väčšia hodnota otvorí diódu. S opačným znamienkom sa VT6 nasýti a výstupné napätie bude nulové. Moderné zariadenia používajú stroboskopický výstup alebo západkové klopné obvody, teda prvky, ktoré riadia výstup komparátora pri detekcii synchronizačného impulzu. Výsledky porovnania sa môžu objaviť v dvoch formách: počas záblesku alebo v prestávkach medzi impulzmi.

Jednoduché konštrukcie

V praxi našli komparátory napätia široké uplatnenie v elektronických obvodoch rôznych smerov. V predajniach rádií nájdete pomerne veľké množstvo rôznych mikroobvodov. ale najbežnejšie používané mikroobvody medzi rádioamatérmi sú:

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

Sú k dispozícii na predaj a ich cena je viac ako demokratická. Tieto komparátory majú široký rozsah vstupného napätia a môžu pracovať s unipolárnymi a bipolárnymi zdrojmi.

Na výstup zariadenia je možné pripojiť akúkoľvek záťaž s odberom prúdu zvyčajne nepresahujúcim 50 mA. Môže to byť relé, rezistor, LED, optočlen alebo akýkoľvek akčný člen, ale s prvkami obmedzujúcimi prúd. Je možné pripojiť aj indukčnú záťaž, ale v tomto prípade je väčšinou shuntovaná diódami. Na prevádzku zariadenia sa používajú napájacie zdroje s výstupným napätím 5-36 voltov.

Ovládanie foto relé

Takéto relé je zostavené povrchovou montážou. Môže byť použitý v bezpečnostnom systéme alebo na ovládanie úrovne osvetlenia. Práca obvodu je nasledovná. Vstupné napätie ide na delič pozostávajúci z R1 a fotodiódy VD3. Ich spoločný bod pripojenia cez obmedzovacie diódy VD1 a VD2 je pripojený na vstupy komparátora DA1. Vďaka tomu nie je na vstupe zariadenia žiadny potenciálny rozdiel, čo znamená, že citlivosť zariadenia je maximálna.

Aby bol signál na výstupe invertovaný, bude potrebné na vstupe vytvoriť rozdiel len jeden milivolt. Vzhľadom na to, že kondenzátor C1 a rezistor R1 sú pripojené k inverznému vstupu, hodnota napätia na ňom sa zvýši s krátkym oneskorením rovnajúcim sa času nabíjania kondenzátora.

Tento čas však stačí na to, aby sa na výstupe objavila logická jednotka, ktorá prebuduje prevádzkový režim relé pripojeného ako záťaž. Len čo sa osvetlenie opäť zmení, situácia sa zopakuje. Nasmerovaním fotorelé na nejaké miesto sa teda v prípade zmeny jeho osvetlenia prejaví na vstupoch komparátora rozdiel napätia. V súlade s tým sa zmení aj činnosť relé, ku ktorému je možné pripojiť rôzne záťaže.

Nabíjacia jednotka

Hotová napájacia jednotka z prevádzkyschopných prvkov začne okamžite pracovať. Jeho nastavenia sú zredukované len na nastavenie nominálneho nabíjacieho prúdu a prahových hodnôt prevádzky komparátora. Keď je zariadenie zapnuté, rozsvieti sa zelená LED dióda, čo indikuje napájanie. Počas nabíjania by mala neustále svietiť červená LED dióda, ktorá zhasne, akonáhle sa batéria nabije.

Napájané napätie z napájacieho zdroja je regulované R2 a nabíjací prúd je nastavený R4. Nastavenie sa vykonáva pomocou 150 Ohm rezistora zapojeného paralelne s kontaktmi držiaka batérie. Samotná batéria sa do nej nevkladá. Tranzistor VT1 je nainštalovaný na radiátore, namiesto toho môžete použiť analóg KT814B.

Takýto obvod bude musieť byť zostavený na doske plošných spojov, ale nakoniec by jeho veľkosť nemala presiahnuť 50 x 50 mm.

Jednoduchší obvod môžete zostaviť pomocou princípu činnosti stabilizátora prúdu. Referenčné napätie sa privádza na vstup LM358 cez zenerovu diódu. Druhý vstup mikroobvodu je pripojený za prúdovým snímačom. Ak je na výstup komparátora pripojená vybitá batéria, prúd v obvode sa začne zvyšovať a časť napätia klesne na nízkoodporovom odpore.

Medzi dvoma vstupmi mikroobvodu bude rozdiel napätia. Obvod začne kompenzovať tento rozdiel zvýšením výstupného prúdu. V procese nabíjania batérie sa napätie na vstupe začne znižovať, čo povedie k zníženiu prúdu v obvode. Hneď ako sa batéria nabije, tranzistor VT1 sa zatvorí a záťaž sa vypne. Nabíjací prúd je obmedzený zmenou odporu R1.

Kryštálový oscilátor

Takýto generátor pravouhlých impulzov, zostavený podľa schémy na domácom komparátore K544C3, pracuje s hodinovou frekvenciou 32768 Hz. Obvod bude pracovať v rozsahu vstupného napätia 7 až 11 voltov. Frekvenciu nastavuje quartz ZQ1, ale aby zariadenie fungovalo nad 50 kHz, bude potrebné znížiť odpor R5 a R6.

Keď je druhá svorka uzavretá neutrálnym vodičom, výstup komparátora sa zapne podľa obvodu s otvoreným kolektorom, v ktorom je záťaž R7. Nastavenie frekvencie sa vykonáva pomocou C1. Vďaka odporu R4 sa generátor automaticky spustí. Zmenou odporu R2 sa mení pracovný cyklus impulzov.

Výberom nádob C1 a C2 možno generátor použiť ako bezdotykový snímač kvapalín. Na to budete musieť použiť mikrokontrolér so softvérom ako detektor. Aj keď je možné použiť iný komparátor, ktorý zaznamená zmeny usmernené napäťovými diódami.

Napäťový komparátor je teda určený na porovnávanie úrovní signálov na jeho vstupoch. Ak sa začnú líšiť, potom v závislosti od tohto rozdielu výstup zariadenia zmení svoj stav. Vývojári túto vlastnosť využívajú pri navrhovaní rôznych elektrických spotrebičov.