Схема компаратора с гистерезисом на lm393: LM393. Описание, datasheet, схема включения, аналог

Содержание

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

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.

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Принцип работы

Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.


Фото — схема работы компаратора

Схема включения, по которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Используя аналоговый сигнал во + входе, именуемым «неинвертируемым», и выходе, который называется под названием «инвертируемый», устройство использует два аналогичных разнополярных сигнала. При этом если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, то выход будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, которую нужно включить. Но, если вход находится на отрицательном уровне, то сигнал будет равняться «0», из-за чего, коллектор будет находиться в закрытом виде.

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Назначение

Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.


Фото — компараторы для компьютера

Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.


Фото — ОУ компаратор

Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».


Обозначение на схемах

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

  1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
  2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Компараторы — название произошло от принципа работы – сравнения. Так функционируют приборы, производящие измерения способом сравнивания с эталоном: весы с одинаковыми плечами, электрические потенциометры.

По своей принципиальной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы с механической конструкцией применяются для проверки конечных мер длины. Компараторы для таких целей впервые применены во Франции в 1792 году, об этом имеется информация в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время появления метрической системы Франции. Точность таких замеров компаратора рычагами доходила до 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача рассмотреть компараторы, применяющиеся в современное время в электротехнике для напряжения.

Принцип работы и виды интегральных компараторов

Компаратор с двумя входами и одним выходом. Причем один из входов является прямым, а другой инверсным. На эти входы поступает напряжение, которые устройство сравнивает. В зависимости от этого сравнения на своем выходе устройство устанавливает либо логический ноль, когда напряжение на инверсном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение входа прямого выше, чем на инверсном.

На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:
  • Диапазон напряжения питания.
  • Диапазон входных напряжений.
  • Максимальный ток на выходе компаратора.
  • Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе. Рассмотрим работу компаратора на простой схеме.

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.

Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.

Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.

При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.

При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.

Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.

Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.

Работа компаратора напряжения

В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.

С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.

Для тестирования устройства не нужно сложной схемы. Необходимо включить вольтметр на выход устройства, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.

Характеристики компараторов

При применении приборов нужно учесть характеристики, делящиеся на динамические и статические. Статические – это параметры установившегося режима. Это пороговая чувствительность. Она является наименьшей разностью сигналов входа. При ней возникает логический сигнал на выходе.

Некоторые компараторы оснащены выводами для смещающего напряжения, осуществляющего смещение характеристики передачи от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, то есть разница напряжений входа. Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Устройство

Схема прибора довольно сложная, большая и не слишком понятная. Рассмотрим простую функциональную схему по рисунку.

Показан дифференциальный каскад входа, схема уровневого смещения, логика выхода. Дифференциальный каскад производит основное усиление сигнала разности. Устройством смещения осуществляется оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбрать тип логики для работы. Такая настройка производится подстроченным резистором на выводах «балансировки».

Компаратор с памятью и стробированием

Современные инновационные компараторы оснащены стробирующим входом. Это значит, что сравнение сигналов входа осуществляется только при подаче импульса. Это дает возможность сравнить сигналы входа в необходимый момент.

Простая схема структуры устройства со стробированием.

Устройства по рисунку с парафазным выходом, подобно триггеру – прямой верхний выход, нижний (кружок) – инверсный. С – стробирующий вход. На рисунке а) стробирование сигналов входа осуществляется по высокому уровню входа С. На обозначении входа С изображают знак инверсии маленьким кружком.

Рисунке б) стробирующий вход с чертой /. Это значит, что стробирование проходит по восходящему импульсу. Стробирующий сигнал – разрешение сравнения. Итог сравнения появляется на выходе при действии импульса стробирования. На некоторых устройствах есть память (с триггером). Они сохраняют результат до следующего импульса.

Время импульса стробирования (фронта) должно хватать для того, чтобы сигнал входа успевал проходить через дифференциальный каскад до срабатывания ячейки памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помеха изменяет состояние устройства за время импульса.

Классификация

Компараторы делятся на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. В практической деятельности чаще применяются устройства общего применения.

Такие устройства имеют особенности и свойства, привлекающие к себе внимание. Они потребляют небольшую мощность, могут работать при малом напряжении питания. В одном корпусе можно разместить 4 устройства. Эта группа иногда дает возможность производить полезные устройства.

Это простой преобразователь сигнала в унитарный цифровой код, который можно преобразовать в двоичный, цифровым преобразованием. На схеме имеется 4 компаратора. Напряжение опорное подается на инвертирующие входы по делителю резистивного типа. При одинаковых резисторах на инвертирующих входах устройства напряжение будет равно n * Uоп / 4, n – номер устройства. Напряжение входа подается на неинвертирующие входы, которые соединены вместе.

В итоге сравнения напряжения входа с опорным, на компараторных выходах образуется цифровой унитарный код напряжения входа.

Похожие темы:
  • Реле приоритета. Виды и особенности. Принцип действия
  • Реле напряжения. Принцип действия, виды, применения
  • Электронные весы. Виды и устройство. Работа и применение
  • Переключатель фаз. Виды и работа. Применение и как выбрать

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Программирование и компаратор

Компоратор используется не только как часть электрической схемы ШИМ и т. д., его часто используют для создания отдельных программ или их компонентов. Например, устройство часто используется для создания java-коллекций.

  1. Чтобы работать, Вам понадобится специальная программа Maven. Для начала Вам нужно создать проект, для полноценной работы необходимо подключение к интернету. Создаете новый проект, в структуре выберете два компонента: comparator и pojo. Наличие проверяется при помощи утилиты JUnit 4.11;
  2. Установите pom.xml и создайте новый файл. Прерывание процесса недопустимо, поэтому очень важно на каждом этапе сохранять. После осуществляется создание и настройка POJO, где указываются нужные настройки. Параметры зависят от требований к конкретной библиотеке. Это могут быть даты рождения, общая информация по проживанию и т. д.;
  3. И только после создается компаратор. Это класс, который используется для поверки данных и их распределения по нужным папкам. Использование данного класса необходимо, если нужно отсортировать определенную информацию по заданным параметрам (цвета, размеры, даты). Благодаря этому обеспечивается защита данных и их классификация по определенному принципу.

Купить готовый компаратор можно в любом магазине радиотехнических приборов и электротехники. Цена прибора варьируется в зависимости от его назначения и количества каналов.

Общая информация

Компаратор сравнивает два напряжения, откуда происходит название. При необходимости формируется либо условный сигнал в виде двоичного кода, либо знак разницы выдаётся иным способом:

  1. Крутой перепад напряжения (фронт или спад).
  2. Импульс с заданными характеристиками.
  3. Сменой полярности выходного напряжения.
  4. Двоичным кодом в системе логики данного набора микросхем.

Компаратор территориально входит в аналого-цифровой преобразователь, способен применяться и отдельно. От элемента напрямую зависит точность, как и от разрядности. К характеристикам компаратора относят:

  • Чувствительность.
  • Быстродействие.
  • Стоимость.
  • Долговечность.
  • Стабильность.
  • Нагрузочная способность.
  • Входное сопротивление и пр.

Большинство компараторов реализуется на базе операционных усилителей, данные в справочниках приводятся совместные. Это достигается за счёт введения обратной связи, что придумано в 30-е годы XX века.

Проектирование гистерезиса компаратора

уравнения (1) е (2) Они могут помочь решить, если сопротивление хочет создать напряжение порога гистерезиса VH и VL. Единственное значение (RX) Требуется быть выбраны произвольно.

В этой иллюстрации, RX был определен 47K, чтобы помочь уменьшить потребление тока. Резус Рассчитанное 270,25k, следовательно, была осуществлена ​​немедленно стандартное значение 270K.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Триггер Шмитта

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


Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
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


Триггер Шмитта на операционном усилителе.

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

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

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.

Гистерезис с практическим примером

В эти дни я посвященные конструкции зарядного устройства, одна ниже упрощенная версия, используемая мной на макете, чтобы установить на фактическое поле значений, которые будут использоваться. Запрограммированный первоначально установлен таким образом, что выходной сигнал операционного усилителя становится высоким, когда pin3 напряжения выходит чуть выше значения стабилитрона pin2. Когда это происходит, PIN6 становится высокой и достигает следующий потенциал к напряжению питания. Это означает, что резистор обратной связи РЧ (в альт) Это практически параллельно с заданным сопротивлением в верхней половине потенциометра (показано в розовом цвете)

Это означает, что контактное напряжение 3 еще больше увеличивается. в настоящее время, когда напряжение батареи падает, шпилька 6 не отвечает, так как штифт 3 Он должен упасть стать гораздо ниже, чем штифт 2, Это означает, что уровень заряда батареи должен идти вниз относительно долго, чтобы штифт 3 упасть ниже штифта 2. Это заставило задержку между переключателем ОУ ВКЛ и ВЫКЛ в связи с резистором обратной связи называется гистерезис в операционном усилителе. После того, как PIN6 переключается на низком уровне этот раз РЧ расположена параллельно с нижней половиной потенциометра (зеленый) в результате чего порог pin3 еще ниже, и, таким образом, избегая, что несколько мВ изменения батареи может из снова переключить выходной.

На чертеже, зеленый светодиод на означает, что аккумулятор заряжен, а красный означает, что она заряжается. Этот операционный выходной усилитель может управлять теперь зарядкой батареи в автономном режиме без вмешательства схемы п дезактивации активации п.

Привет из A_X_C и AMILCARE

Примеры и использование устройств уточнения веса

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.

Конструкция компаратора

КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:

  • LM No 339;
  • LM No 311;
  • MAX No 934;
  • К554СА3.

Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.

Фотореле контроля

Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.


Фотореле

Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.

Зарядный блок

Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена


Зарядный блок

Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.

Кварцевый генератор

Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32. 768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.


Генератор

При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.

Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.

Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

Примеры программирования микроконтроллеров, создание схем на микроконтроллерах, микроконтроллеры для начинающих

Новостная лента

Microchip расширяет экосистему Arduino-совместимой отладочной платформы chipKIT

Компания Microchip сообщила о расширении экосистемы отладочной платформы chipKIT. В состав Arduino-совместимой платформы chipKIT вошла высокоинтегрированная отладочная плата с Wi-Fi модулем и плата расширения для управления электродвигателями, разработанные компанией Digilent. Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 28590

Дата добавления: 02.10.2014

MicroView — супер миниатюрная Arduino-совместимая отладочная плата с OLED дисплеем

На портале Kickstarter представлен проект супер миниатюрной отладочной платформы Arduino, выполненной в форм-факторе 16-выводного корпуса DIP и имеющей встроенный OLED дисплей с разрешением 64×48 точек. Несмотря на то, что отладочная плата является полностью завершенным решением, она может устанавливаться на макетную плату или непосредственно впаиваться в печатную плату для расширения функционала и управления внешней периферией.

Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 27934

Дата добавления: 17.04.2014

Размеры самого миниатюрного в мире ARM-микроконтроллера Freescale сократила еще на 15%

Freescale Semiconductor совершила новый технологический прорыв, добавив к семейству Kinetis самый миниатюрный и энергоэффективный в мире 32-разрядный микроконтроллер Kinetis KL03 с архитектурой ARM. Основанный на микроконтроллере предыдущего поколения Kinetis KL02, новый прибор получил дополнительную периферию, стал намного проще в использовании, и при этом сократился в размерах до 1.

6 × 2.0 мм. Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 1871

Дата добавления: 17.04.2014

Как вырастить микросхему с помощью белка

Без кремния немыслимо производство полупроводников, где он буквально нарасхват. При этом, естественно, большое значение имеют чистота вещества и строение кристаллов кремниевых соединений. Исследователи из Университета Лидса (Великобритания) предлагают способ выращивания таких кристаллов с помощью молекулярной биологии. По их мнению, это позволит создавать электронные микросхемы более высокого качества.

Подробнее >>>

Источник: http://www.newscientist.com/

Просмотров: 3019

Дата добавления: 06.03.2014

Открытие нового раздела на сайте MCULAB.RU

На нашем сайте открыт новый раздел. Раздел посвящён моделированию различных схем по сопряжению микроконтроллеров и датчиков. Освещается схемотехника подключения к МК внешних устройств. В данной области до сих пор отсутствует систематизация, поэтому сделана попытка создать банк типовых решений, который в дальнейшем может дополняться, уточняться, расширяться. Подробнее >>>

Источник: /

Просмотров: 129718

Дата добавления: 04. 02.2014

На сайте представлены примеры программирования, которые будут полезны как для опытного разработчика схем на микроконтроллерах, так и для новичка. Особо рассматривается

программирование микроконтроллеров для начинающих пользователей. Программные примеры программирования разбиты на различные разделы. Основную массу составляют примеры программирования микроконтроллеров avr и микроконтроллеров microchip. Пользователю предлагается познакомиться с различными примерами программирования и различными средами программирования: MicroLab, AVRStudio, MikroC, FloweCode. Представлены схемы на микроконтроллерах ведущих производителей: PIC и AVR. Рассматривается огромное количество схем для начинающих разработчиков. Если Вы начинающий радиолюбитель, то для Вас мы приготовили раздел микроконтроллеры для начинающих.

Современные микроконтроллеры относятся к классу микропроцессорных устройств. В основе принципа действия таких элементов лежит исполнение последовательного потока команд, называемого программой. Микроконтроллер получает программные команды в виде отдельных машинных кодов. Известно, что для создания и отладки программ, машинные коды подходят плохо, так как трудно воспринимаются человеком. Этот факт привел к появлению различных языков программирования и огромного количества различных компиляторов.

В основе языков программирования микроконтроллеров лежат классические языки для компьютеров. Единственным отличием становится ориентированность на работу со встроенными периферийными устройствами. Архитектура микроконтроллеров требует, например, наличия битово-ориентированных команд. Последние выполняют работу с отдельными линиями портов ввода/вывода или флагами регистров. Подобные команды отсутствуют в большинстве крупных архитектур. Например, ядро ARM, активно применяемое в микроконтроллерах, не содержит битовых команд, вследствие чего разработчикам пришлось создавать специальные методы битового доступа.

Популярное в разделе «MikroC»

Популярное в разделе «FloweCode»

Популярное в разделе «MicroLab»

Популярное в разделе «AVR Studio»

Популярное в разделе «Теоретические основы эл-ки»

Популярное в разделе «Основы МП техники»

Популярное в разделе «Аналоговый и цифровой сигнал»

Популярное в разделе «Цифровая схемотехника»

Примеры программирования микроконтроллеров будут представлены на хорошо всем известном языке Си. А перед тем как постигать азы программирования микроконтроллеров и схемотехнику устройств на микроконтроллерах, авторам предлагается ещё раз вспомнить основы микропроцессорной техники, основы электроники, полупроводниковую электронику, аналоговую и цифровую схемотехнику, а так же азы аналогового и цифрового представления сигнала. Для тех, кому хочется получить новые знания в области современного программирования, можно будет познакомиться с графическим языком программирования LabView.

Выбор языка программирования зависит от множества факторов. В первую очередь, типо решаемых задач и необходимым качеством кода. Если Вы ведёте разработку малых по объёму и несложных программ, то можно использовать практически любой язык. Для компактного кода подойдет Ассемблер, а если ставятся серьезные задачи, то альтернативы С/С++ практически нет. Также необходимо учитывать доступность компилятора. В итоге самым универсальным решением можно назвать связку Ассемблера и C/C++.

Для простого освоения языков, можно воспользоваться примерами программ для микроконтроллера. Использование примеров программирования упростит и ускорит процесс освоения программирования микроконтроллеров.

Схемы на микроконтроллерах позволят начинающим разработчикам освоить тонкости проектирования, моделирования и программирования микроконтроллеров.

Что такое LM393 IC: конфигурация контактов, схема и ее работа

IC LM393 имеет два встроенных операционные усилители которые имеют внутреннюю частотную компенсацию. Эти микросхемы специально разработаны для выполнения различных задач с использованием одного источник питания . Он также может правильно выполнять свои функции с разделенным блоком питания. Подача стока не зависит от количества источника питания. Одна из наиболее важных особенностей этой ИС — это то, что она включает землю в синфазном входном напряжении. Применения этой ИС в основном включают различные области в реальной жизни, а также промышленные, АЦП (аналого-цифровые преобразователи) , электрические системы с питанием от батареи, ограничивающие компараторы генераторов задержки и т. д. В этой статье обсуждается обзор микросхемы LM393 и ее работы.



Что такое микросхема LM393?

LM393 — это напряжение двойной независимой точности Интегральная схема работает с одинарным или раздельным питанием. Эти микросхемы содержат два независимых компаратора напряжения для работы от одного источника питания с большим разнообразием напряжений. Работа с двумя источниками питания также возможна, если разница между двумя напряжениями питания составляет от 2 до 36 вольт, а VCC составляет минимум 1,5 вольта больше положительного, чем напряжение i / p. Основные характеристики этой ИС в основном включают следующее.


  • Одиночное напряжение питания составляет от 2,0 до 36 В постоянного тока.
  • Диапазон раздельного питания составляет от +1,0 В постоянного тока или -1,0 В до +18 В или -18 В постоянного тока.
  • Независящее от низкого напряжения питания тока утечки составляет 0,4 мА
  • Входной ток смещения низкий, 25 нА.
  • Входной ток смещения низкий, 5 нА.
  • И диапазон дифференциального входа, и напряжение источника питания эквивалентны
  • Выходное напряжение хорошо подходит для уровней логики ECL, MOS, DTL, TTL и CMOS.
  • Болты для электростатического разряда на входах для повышения шероховатости устройства без нарушения его работы

Конфигурация выводов IC LM393

Эта ИС включает в себя 8 контактов, и каждый контакт этой ИС имеет отличные друг от друга функции. Восемь контактов этой ИС перечислены ниже.



Конфигурация выводов микросхемы LM393

  • Контакт 1 (OUTA): выход A
  • Pin2 (In A-): инвертирование входа A
  • Pin3 (In A +): неинвертирующий вход A
  • Pin4 (GND): Земля
  • Контакт 5 (INB +): неинвертирующий вход B
  • Контакт 6 (INB-): инвертирование входа B
  • Контакт 7 (OUTB): выход B
  • Контакт 8 (Vcc): Источник напряжения
LM393 IC Корпус и размеры

Пакеты LM393 представлены для разных форм аналогичной ИС.



  • Пакет LM 393IC — SOIC (8), номер детали — LM393N.
  • Эти ИС доступны в разных корпусах с разными размерами для легкого разделения.
  • Корпус и размеры LM 393 IC будут SOIC (8) и 4,9 X 3,91.
Рейтинги ИС LM393

Рейтинги LM393 IC в основном включают в себя величину тока, напряжения и требуемую мощность для этой конкретной IC.

  • Входное напряжение этой ИС колеблется от -0,3 В до 36 В.
  • Дифференциальное напряжение i / p составляет 36 В
  • Температура свинца 2600С
  • Рассеиваемая мощность 660 мВт.
  • Температура хранения от -65 0C / Вт до 150 0C / Вт.

Схема ночного освещения на базе микросхемы LM393

Эта схема использует фоторезистор для управления цепью делитель напряжения . Когда эта схема поглощает яркий свет, выходное устройство отключается. Когда схема поглощает темноту, выходное устройство отключается. Эта схема работает по принципу компаратора напряжения. Если инвертирующая клемма напряжения IC выше, чем неинвертирующая клемма, то активируется выходное устройство. Аналогично, если инвертирующий вывод напряжения IC ниже, чем неинвертирующий вывод, то выходное устройство деактивируется. Здесь эта схема использует светодиод в качестве устройства вывода.

Необходимые компоненты этой схемы в основном включают IC LM393, a фоторезистор или датчик света , резисторы 33кОм и 330Ом, потенциометр , ВЕЛ, аккумулятор для питания . Эта ИС имеет два входа питания, а именно Vcc и GND, где Vcc — источник положительного напряжения, который может быть выше 36 В, а GND — провод заземления источника напряжения. Силовая дорожка может быть укомплектована этими двумя выводами и обеспечивать питание для этой операции.

Схема ночного освещения с использованием LM393

IC LM393 включает в себя два операционных усилителя, и каждый операционный усилитель имеет два входа, а также один выход. Эти микросхемы работают независимо, обеспечивая собственный выход. Но в этой схеме используется только один операционный усилитель а другой операционный усилитель не будет подключен. Оба операционных усилителя необходимы только тогда, когда мы используем сложные схемы для контроля множества уровней. Эта схема проверяет только один уровень, поэтому в ней используется один операционный усилитель.

После подачи питания на ИС сравните значения напряжения. Если напряжение инвертирующей клеммы выше, чем неинвертирующее, то выход операционного усилителя будет падать на землю, и ток будет проходить от положительного источника питания к GND. Аналогично, если напряжение инвертирующей клеммы ниже, чем неинвертирующей, тогда операционный усилитель выход будет оставаться при положительном напряжении питания (Vcc), и ток не будет протекать, потому что нет разницы потенциалов на нагрузке.

Таким образом, когда напряжение инвертирующего терминала высокое, нагрузка будет включена. Когда напряжение инвертирующего терминала низкое, нагрузка отключается. Здесь светодиод используется как нагрузка. Схема ночника с использованием LM393 показана ниже. В этой схеме в качестве нагрузки используется светодиод, а для обнаружения света используется фоторезистор. Сопротивление фоторезистора в основном зависит от попадания света на поверхность. Когда фоторезистор обнаруживает темноту, сопротивление фоторезистора будет высоким, а когда фоторезистор обнаружит яркий свет, его сопротивление будет уменьшено.

Итак, если мы подключим схему делителя напряжения, используя фоторезистор, а также постоянный резистор. Если он обнаруживает темноту, то фоторезистор будет использовать большее напряжение, потому что он имеет меньшее сопротивление в темноте. Точно так же, если он обнаруживает яркий свет, фоторезистор будет использовать меньшее напряжение.

Если ОУ неинвертирующий вход терминала является хорошим источником напряжения, а напряжение фоторезистора переходит на высокий уровень, чем опорное напряжение, если подвергается воздействию темноте, и низко, чем опорное напряжение при воздействии света, мы разработали схема компаратора который действует по-разному, потому что когда есть ночь, тогда есть свет. Таким образом, светодиод будет гореть в темноте и выключаться при ярком свете.

Таким образом, речь идет об ИС LM393 и ее применении. Микросхема LM393 представляет собой маломощный, однополярный дифференциальный компаратор с низким напряжением смещения. Как правило, общий компаратор IC это крошечный вольтметр с включенными переключателями. Он используется для расчета напряжений на двух разных выводах и сравнивает разницу в величине напряжения. Если напряжение на первом выводе выше, чем на втором выводе, переключатель сработает. Но если первая клемма имеет более низкое напряжение, чем вторая клемма, переключатель деактивируется. Вот вам вопрос, каково применение микросхемы LM393?

Знакомство с компараторами на примере чипа LM339


Микросхема lm339n и ее применение схема


Схема индикатора температуры на счетверённом компараторе LM339N, предназначена для индикации нагрева теплоотводов в мощных усилителях низкой частоты, фазовых регуляторов мощности. Также его можно использовать для световой сигнализации перегрева электродвигателей, трансформаторов сварочных аппаратов, двигателей внутреннего сгорания с воздушным охлаждением.
Интегральная микросхема LM339N представляет собой счетверённый прецизионный компаратор напряжения. Микросхема выполнена в стандартном корпусе DIP-14, имеет широкий диапазон питающего напряжения — двуполярное от ±1 В до ±18 В, однополярное от 2 до 36 В. Функциональная схема одного компаратора микросхемы показана на рис. 2.

Используя эту микросхему, легко построить, например, различные узлы индикации со светодиодной шкалой.

В недалёком прошлом построение устройств со светодиодными шкалами вызывало определённые трудности, связанные с тем, что несколько одновременно включенных светодиодов потребляли от источника питания значительный ток, иногда достигающий сотен миллиампер.

В настоящее время, с появлением сверхярких светодиодов, которые достаточно ярко светят уже при токе менее 1 мА, можно создавать линейные светодиодные шкалы с простым управлением, потребляющие ток менее 20 мА при 10 и более одновременно включенных светодиодах.

В качестве датчика температуры работает терморезистор R1 с отрицательным ТКС — чем больше температура его корпуса, тем меньше сопротивление. Работает устройство следующим образом. Допустим, напряжение на входе «+», вывод 7 компаратора DA1.1 больше, чем на входе «-«, вывод 6 DA1.1. В этом случае на выходе компаратора, вывод 1 будет высокий уровень напряжения, светодиод HL1 не светится.

При нагреве корпуса терморезистора R1 напряжение на его выводах понижается, также понижается напряжение на выводе 7 DA1. Когда напряжение на входе «+» DA1.1 станет меньше напряжения на входе «-» DA1.1, на выходе этого компаратора высокий уровень напряжения сменится на низкий, светодиод HL1 зелёного цвета свечения засветится.

Если движки подстроенных резисторов R2 -R5 настроены так, что, начиная с R2, на движке каждого следующего подстроечного резистора напряжение меньше, чем у предыдущего, то при нагреве корпуса терморезистора светодиоды HL1-HL4 будут последовательно зажигаться. Сначала загорится светодиод зелёного цвета HL1, затем жёлтого HL2, красного HL3.

Светодиод HL4 красный мигающий, вспышки которого по замыслу должны сигнализировать критический нагрев контролируемого объекта. Стабилитрон VD1 уменьшает напряжение питания мигающего светодиода до безопасного для него уровня. Светодиод HL5 синего цвета свечения светит постоянно, он обозначает начало шкалы.

Конденсаторы С2, С3, С4 и дроссель L1 выполняют функцию фильтра питания микросхемы. Резисторы R10 — R13 осуществляют небольшую отрицательную обратную связь по постоянному напряжению, что позволяет наблюдать относительно плавное зажигание или погасание светодиодов при изменении температуры. Если вы желаете, чтобы светодиоды зажигались на полную яркость и погасали мгновенно, то резисторы R10 — R13 нужно исключить.

Вместо компаратора LM339N можно применить аналогичные LM339AN, LM239AN, LM239A, MC3302N, LM139N. Светодиоды можно взять любые доступные сверхяркие, например, из серий КИПД40, L-1513, L-1503, L-7104, L-7113, L-7143. Стабилитрон КС175А можно заменить на Д814А1, 2С175Ж, 2С483Г, 1N4737A.

При напряжении питания устройства менее 9 В этот стабилитрон можно не устанавливать. Оксидные конденсаторы — аналоги К50-35, К53-19. Неполярные — К10-17, К10-50, КМ-5. Дроссель L1 — любой малогабаритный маломощный.

При отсутствии можно заменить резистором сопротивлением 1,0. 2,2 Ом. Переменные резисторы — малогабаритные импортные в закрытом корпусе. Также подойдут высоконадёжные отечественные СП4-1 или малогабаритные многооборотные СПЗ-39. Терморезистор ММТ-1, ММТ-4 или другой малогабаритный сопротивлением 4,3. 10 кОм при 25 °С.

Чем меньше размер терморезистора, тем быстрее он будет реагировать на резкое изменение температуры контролируемого объекта. При отсутствии подходящего терморезистора его можно заменить сборкой из 8. 12 включенных параллельно германиевых точечных диодов серий Д9, Д18. Сопротивление резистора R1 подбирают так, чтобы при номинальной рабочей температуре напряжение на выводах терморезистора R1 было равным примерно половине от напряжения питания.

Светодиоды располагают в конструкции в виде шкалы, начинающейся со светодиода HL5, после которого последовательно установлены HL1 — HL4. Если последовательно с мигающим светодиодом HL4 вместо резистора R17 установить пьезокерамический или электромагнитный излучатель звука с встроенным генератором, например, НРА24АХ, то устройство, в такт со вспышками светодиода HL4 будет издавать прерывистый сигнал тревоги.

Индикатор температуры желательно питать стабилизированным напряжением. Если, например, в модернизированном усилителе отсутствует стабилизатор напряжения +12. +18 В, то его можно изготовить дополнительно, например, на микросхеме КР142ЕН8В, 7815. При напряжении питания +15 В и погашенных светодиодах HL1 — HL4 устройство потребляет от источника питания ток около 8 мА.

Индикатор напряжения на lm339 схемы самоделки

Светодиодный индикатор на универсальных поликомпараторных микросхемах, содержащих в одном корпусе по несколько аналоговых компараторов общего назначения. Микросхема LM339, которая в одном корпусе DIP-14 содержит четыре компаратора с полевыми входами. Используя одну LM339 можно сделать четырехпороговый индикатор постоянного напряжения.

На рисунке 1 показана схема такого индикатора с линейной зависимостью измерения. Инверсные входы всех компараторов соединены вместе, — их общая точка является входом индикатора. На прямые входы подается опорное постоянное напряжение +Uomax через резистивный делитель, обеспечивающий распределение этого напряжения так, чтобы получить необходимый закон измерения. В данном случае резисторы делителя R2-R5 выбраны одинаковыми, поэтому и зависимость линейная.

Максимальная величина измеряемого напряжения (величина порога, при котором включается светодиод HL4) равна напряжению +Uomax (опорное напряжения максимума). Это напряжение желательно стабилизировать хотя-бы обычным параметрическим стабилизатором. Минимальная величина (порог при котором загорается HL1) зависит от сопротивления резистора R5 или от величины опорного напряжения минимума (Uomin).

Например, если нужно производить измерения в каком-то остро зажатом узком интервале напряжений, например, от 10 до 11V, то +Uomax должно быть равно 11V, а Uomin = 10V, при этом сопротивление R5 нужно исключить из схемы. Либо выбрать Uomin равным нулю (как на рисунке 1) и установить R5 такой величины, чтобы напряжение на нем было равно 10V.

Сопротивления R10-R13 нужны для придания компараторным схемам небольшого гистерезиса, улучшающего четкость работы индикатора. Индикаторная шкала состоит из четырех светодиодов HL1-HL4, подключенных к выходам компараторов через токоограничительные резисторы R14-R17.

Чтобы измерять переменное напряжение, например, в схеме индикации аудиосигнала, можно на входе сделать детектор на диодах или операционном усилителе.

Индикатор температуры на четыре фиксированных уровня (LM339, LM325AH)

В некоторых случаях требуется определить, что температура какого-либо объекта находится в некоторых заданных пределах, либо не ниже или не выше определенного предела. Здесь предлагается схема очень точного четырехпорогового индикатора температуры со светодиодной индикацией.

Причем, пороги включения индикаторных светодиодов можно устанавливать для каждого светодиода произвольно и даже в любом порядке без какого-либо вторжения в схему прибора. Это можно даже сделать непосредственно на объекте, при помощи обычного мультиметра и отвертки для регулировки подстроечных резисторов. Дело в том, что данный прибор измеряет температуру с помощью датчика LM235AH, который, по сути является стабилитроном, напряжение стабилизации которого линейно зависит от температуры.

Список элементов.

R1 = 2,2 кОм 1W R2 = 82 Ом 1/4W R3 = 220 Ом 1/4W R4 = 4,7 кОм 1/4W R5, R6, R13, R20, R21 = 10 кОм 1/4W R7 = 0,47 Ом 5W R8, R11 = 27 кОм 1/4W R9, R19 = 2,2 кОм 1/4W R10 = 270 кОм 1/4W R12, R18 = 56кОм 1/4W R14 = 1,5 кОм 1/4W R15, R16 = 1 кОм 1/4W R17 = 33 Ом 1/4W R22 = 3,9 кОм 1/4W RV1 = 100K триммер P1, P2 = 10KOhm линейный потенциометр C1 = 3300 uF/50V электролитический C2, C3 = 47uF/50V электролитический C4 = 100нФ полиэстр C5 = 200нФ полиэстр C6 = 100пФ керамический C7 = 10uF/50V электролитический C8 = 330пФ керамический C9 = 100пФ керамический D1, D2, D3, D4 = 1N5402,3,4 диод 2A — RAX GI837U D5, D6 = 1N4148 D7, D8 = 5,6V зенеревский D9, D10 = 1N4148 D11 = 1N4001 диод 1A Q1 = BC548, NPN транзистор или BC547 Q2 = 2N2219 NPN транзистор — (Заменяют на КТ961А — все работает) Q3 = BC557, PNP транзистор или BC327 Q4 = 2N3055 NPN силовой транзистор (заменить на КТ 827А) U1, U2, U3 = TL081, опер. усилитель D12 = LED диод

В итоге я самостоятельно собрал лабораторный блок питания, но столкнулся на практике с тем, что считаю нужным подправить. Ну во первых это силовой транзистор Q4 = 2N3055 его нужно в срочном порядке вычеркнуть и забыть. Не знаю как других устройствах, но в данном регулируемом блоке питания он не подходит. Дело в том, что данный тип транзисторов выходит из строя моментально при коротко замыкании и ток в 3 ампера не тянет совершенно!!! Я не знал в чем дело пока не поменял его на наш родной совковый КТ 827 А. После установки на радиатор я и горя не знал и больше не возвращался к этому вопросу.

Что же касается остальной схемотехники и деталей, то трудностей нет. За исключением трансформатор — мотать пришлось. Ну это чисто из-за жадности, пол ведра их стоит в углу — не покупать же =))

Ну и чтобы не нарушать старую добрую традицию, я выкладываю результат своей работы на общий суд пришлось по шаманить с колонкой, но в целом получилось не дурно :

Собственно лицевая панель — вынес потенциометры в левую часть в правой разместились амперметр и вольтметр + светодиод красного цвета, для индикации ограничения по току.

На следующей фотографии вид сзади. Тут я хотел показать способ монтажа кулера с радиатором от материнской платы. На этот радиатор с обратной стороны примостился силовой транзистор.

Вот и он, силовой транзистор КТ 827 А. Смонтирован на заднюю стенку. Пришлось просверлить отверстия под ножки, смазать все контактные части теплопроводной пастой и закрепить на гайки.

Вот они….внутренности! Собственно все в куче!

Советуем изучить Селективность

Немного крупнее внутрь корпуса

Лицевая панель с другой стороны

Поближе, тут видно как смонтирован силовой транзистор и трансформатор.

Плата блока питания сверху; тут я схитрил и транзисторы маломощные упаковал снизу платы. Тут их не видно, так что не удивляйтесь если не найдете их.

Вот и трансформатор. Перемотал на 25 вольт выходного напряжения ТВС-250 Грубо, кисло, не эстетично зато все работает как часы =) Вторую часть не использовал. Оставил место для творчества.

Ну вот как-то так. Немного творчества и терпения. Блок работает замечательно уже 2 год. Для написания данный статьи мне пришлось его разобрать и заново собрать. Это просто ужас! Но все для вас, дорогие читатели!

Нет лучше чем один раз увидеть, чем 100 раз услышать, таким видео приятно поделиться, видео сборки и теста блока питания:

Принципиальная схема

Напряжение на датчике LM235AH в зависимости от температуры можно определить по формуле: U = (273 + t°C)0,01. Например, если температура 20°С, то напряжение будет: (273+20)0,01 =2,93V.

Рис. 1. Принципиальная схема индикатора температуры на 4 уровня измерения.

Если некий из светодиодов должен загораться при таком напряжении, то на соответствующей контрольной точке должно быть установлено подстроечным резистором именно такое напряжение. Просто, подключаем между этой контрольной точкой и общим минусом мультиметр в режиме вольтметра и подстроечным резистором устанавливаем напряжение, рассчитанное по выше приведенной формуле.

А теперь рассмотрим схему прибора. Основу прибора составляет микросхема LM339, в которой есть четыре одинаковых компаратора. На соединенные вместе инверсные входы компараторов поступает напряжение с датчика температуры VD2, поскольку датчик температуры LM235AH работает аналогично стабилитрону, то на него поступает ток от источника питания через резистор R6. Как уже сказано выше, напряжение на LM235AH непосредственно и линейно зависит от температуры среды, в которой находится датчик.

На прямые входы компараторов, каждому от своего, поступает напряжение от соответствующего подстроечного резистора R2-R5, а на них поступает напряжение от параметрического стабилизатора на стабилитроне VD1 и резисторе R1.

Напряжение, поступающее на прямой вход компаратора регулируется соответствующим переменным резистором и контролируется на соответствующей контрольной точке.

Например, если нужно чтобы светодиод HL2 загорался при превышении температуры 20°С, то нужно подключить мультиметр к контрольной точке КТ2 и подстроечным резистором R3 установить на ней напряжение 2,93В. Аналогичным образом на требующиеся значения температуры можно настроить и остальные компараторы.

Напряжение источника питания 9V, но это не критично, может быть от 6 до 30В, и может быть нестабильным, на точность прибора это никак не влияет, потому что точность зависит не от питания, а от стабильности напряжения на входах компараторов. Здесь напряжение на прямых входах стабилизировано стабилитроном VD1, а напряжение на датчике тоже стабильно и зависит только от температуры, а не от напряжения питания всей схемы. При использовании стабилитрона КС147А максимальная измеряемая температура +197°С.

Испытания блока питания

Как оказалось, большая часть измеренного шума исходит от дисплея V/A метр. Импульсный регулятор, который стоит в этом дисплее, подает много шума обратно в источник питания. Для решения этих проблем вернемся к использованию LM7824, который был частью набора, и применим его вместо D10, стабилитрона 10 В, который использовался для создания питания для U3, U5 и Q3.

Чтобы противодействовать просачиванию шума с дисплея, используем D10 для уменьшения питания и для питания дисплея.

Также переместим токовый шунт дисплея с выходной клеммы за пределы токовой петли обратной связи. Это уменьшило еще немного шума и сделало настройку более точной. Поскольку шунт находился внутри контура обратной связи, напряжение на шунте при более высоких токах создавало ошибку. Небольшое, потому что шунт всего 25 мОм, но все же создавало.

Чтобы максимально устранить большие токи на печатной плате, подключим коллекторы Q4 и Q3 непосредственно к точке, где объединяются катоды D1 и D2 и конденсаторы фильтра C1 и C2.

Ещё установим дополнительные подстроечники, чтобы установить максимальное выходное напряжение (RV2) и максимальный выходной ток (RV3)

Важно установить максимальный предел тока. Конденсатор C16 используется тоже для устранения шума

Поскольку светодиоды D14 и D15 теперь подключены к шинам 24 В, их резисторы ограничения тока (R27 и R23) должны удвоиться в значении.

Наконец, выходной конденсатор C7 был увеличен с 10 мкФ до 470 мкФ. Вот окончательная схема с последними изменениями:

Время нарастания питания теперь составляет около 5 мсек, а время спада составляет чуть более 2 мсек при максимальном напряжении и токе, измеренных с помощью динамической электронной нагрузки.

Со всеми этими модификациями выходной шум теперь составляет 18 мВ по всему спектру напряжения и тока и, что более важно, остается на этом уровне в режиме CC / CL. Трансформатор, который в итоге установлен, это 15-0-15 В при 3,5 А

Выбран диодный мост с напряжением 600 В на 10 A, который можно установить на радиатор охлаждения. Немного излишне, но это из-за пусковых токов к конденсаторам основного фильтра. Два 3300 мкФ не подходят для таких токов, поэтому установлены 2 х 10 000 мкФ на напряжение 63 В

Трансформатор, который в итоге установлен, это 15-0-15 В при 3,5 А. Выбран диодный мост с напряжением 600 В на 10 A, который можно установить на радиатор охлаждения. Немного излишне, но это из-за пусковых токов к конденсаторам основного фильтра. Два 3300 мкФ не подходят для таких токов, поэтому установлены 2 х 10 000 мкФ на напряжение 63 В.

Корпус укомплектован главным выключателем, предохранителем и индикатором питания. Также подается с трансформатора AC 15-0-15 на гнезда на передней панели, чтобы использовать переменку для различных целей.

Позже удалось найти простой, но эффективный способ объединить два стабилизатора и создать источник питания с напряжением +30 0 -30 В или источник +60 В.

Принцип прост: если вы подключите выход 0 В одного источника питания к выходу +0-30 В второго, то фактически можете создать источник питания +30 0 -30 В или 0-60 В. Нужно отрегулировать оба измерителя напряжения для установки таких значений, но если хотите измерить цепь с переменным напряжением, нужен механизм отслеживания.

Хитрость заключается в том, чтобы сделать настройку напряжения одного источника в зависимости от настройки другого. После экспериментов с разными способами в итоге остановились на следующей схеме:

Переключатель R41 должен быть установлен так, чтобы настройка напряжения на главном устройстве совпадала с выходным напряжением на ведомом устройстве. Сигнал идущий к выключателю будет близко к опорному напряжению 11V2.

Слева направо: Q4, Q3 и LM7812. Q4 и Q3 изолированы, радиатор LM заземлен, поэтому не нуждается в нем.

Наилучшая точность отслеживания может быть достигнута, если оба источника питания установлены на 30 В в режиме +/-, как на схеме. Затем можно переключить переключатель в режим слежения и настраивать R41 до тех пор, пока ведомый не покажет 30 В. Вы заметите, что отслеживание является довольно точным (около 1%) до тех пор, пока не опуститесь ниже 5 В, затем оно все больше рассинхронизируется до примерно 200 мВ при 1 В. Это должно быть связано с разницей в линейности усиления обоих операционных усилителей U2. В принципе эта точность достаточно хороша.

Советуем изучить Магнитный пускатель ПМЛ

Учтите, что нужно установить оба предела тока независимо для обоих источников, но если стабилизатор «мастер» переходит в режим ограничения тока, ведомый будет следовать его примеру независимо от своей настройки.

Детали и конструкция

Данную схему можно питать и более низким напряжением. Например, может быть очень заманчиво использовать для её питания зарядное устройство-блок питания для «гаджетов», питающихся через USB-порт.

У таких блоков питания номинальное напряжение 5V. Но, в этом случае, стабилитрон VD1 должен быть на напряжение не более 4V. Например, КС139. В этом случае возможно питание от 5-вольтового источника, но максимальная измеряемая температура будет всего 117°С.

Если требуется большая точность задания порогов нужно чтобы подстроечные резисторы были многооборотными. Микросхему LM339 можно заменить любым аналогом, или даже собрать эту схему на четырех отдельных компараторах. Светодиоды можно заменить любыми индикаторными.

Если предполагается напряжение питания более 20V желательно несколько увеличить сопротивления резисторов R7-R10 чтобы не возникало перегрузки по току выходов компараторов. Монтаж был выполнен на макетной печатной плате, поэтому рисунок дорожек печатной платы у автора отсутствует.

Данный индикатор напряжения можно использовать и для управления каким-то внешним устройством в зависимости от температуры. Для этого достаточно светодиоды на каналах, на которых должно происходить управление, заменить оптопарами. Например, оптосимисторами или, так называемыми, твердотельными реле, включив их светодиоды вместо индикаторных.

Если датчик будет расположен на значительном удалении от платы индикатора, то соединение лучше сделать экранированным кабелем, и между соединенными вместе инверсными входами компараторов и общим минусом питания включить конденсатор на 0,01-0,1 мкФ.

Варианты БП для самостоятельного монтажа

Блок питание выбирается исходя из того, какие схемы предполагается им запитывать. Если это устройства с низким потреблением тока, то и БП не обязательно делать мощный: вполне можно обойтись источником с током на 5 ампер. Рассмотрим несколько вариантов схем, а также как собирать самодельные блоки питания.

Простой БП 0-30 В

Одна из несложных схем источника питания с регулировкой выходного напряжения приводится на схеме.

Устройство выполнено всего на трех транзисторах и отличается высокой точностью напряжения на выходе благодаря использованию компенсационной стабилизации, а также применением недорогих элементов.

Изделие собирается на печатной плате и после монтажа практически сразу начинает функционировать. Главное, подобрать стабилитрон, который должен соответствовать максимальному напряжению на выходе.

Для корпуса подойдет любой пластиковый или металлический короб, который окажется под рукой, например, от компьютерного БП.

В такой корпус без проблем поместится трансформатор на 100 Вт и печатная плата. Имеющийся вентилятор можно оставить, подключив в разрыв его питания сопротивление для снижения оборотов.

Для измерения потребляемого нагрузкой тока, задействуем стрелочный амперметр, устанавливая его на переднюю панель из пластиковой коробки.

Вольтметр можно использовать цифровой.

Советуем изучить Методика и формулы для расчета трансформаторного блока питания

Завершив монтаж, проверяем выходное напряжение, изменяя положение переменного резистора.

Минимальное значение должно быть около нуля, максимальное – 30 В. Подсоединив нагрузку около 0,5 А, проверяем просадку напряжения на выходе – она должна быть минимальной.

Мощный импульсный БП

Рассмотрим схему блока питания с регулировкой по току и напряжению. Такие устройства иногда еще называют лабораторными, поскольку они подходят не только для запитки электронных схем, но и для заряди АКБ.

Этот БП обеспечивает регулировку напряжения в диапазоне 0-30 В и тока 0-10 А. Источник можно разделить на три части:

  1. Внутренняя схема питания, состоящая из источника напряжения на 12 В и ток минимум 300 мА. Назначение этого источника – запитка схемы БП.
  2. Блок управления. Выполнен на микросхеме TL494 с простым драйвером. Резистор R4 позволяет регулировать максимальный порог напряжения, R2 – ток.
  3. Силовая часть. Большую часть схемы можно задействовать из старого компьютерного блока питания. Для намотки трансформатора управления подойдет ферритовое кольцо R16*10*4,5, на котором наматывают провод МГТФ 0. 07 мм² в количестве 30 витков одновременно в 3 провода. L1 мотают на кольце от того же БП, удалив старую обмотку и намотав медный провод диаметром 2 мм и длиной 2 м. Для L2 подойдет дроссель на ферритовом стержне.

Для размещения элементом схемы изготавливают печатную плату.

Если сборка выполнена правильно, блок питания начинает работать сразу. Чтобы была возможность управлять вентилятором по температуре, можно собрать простую схему на lm317.

На Ардуино

Радиолюбители с опытом иногда собирают блоки питания под управлением Ардуино. Таким образом удается создать контролируемый источник питания с такими режимами: может «отдыхать», функционировать в режиме экономии либо работать на ток в 10 А и разное выходное напряжение, если это требуется.

«Умный» блок питания представлен на схеме.

Для запитки микропроцессора ATmega задействуется импульсный стабилизатор. Благодаря наличию постоянного и стабилизированного напряжения 5 В блок питания можно оснастить разъемом USB, что позволит подзаряжать какие-либо устройства.

Печатную плату можно сделать по образцу.

Внешний вид устройства и внутреннее расположение компонентов представлено на фото.

Блок питания от 0 до 30 В на 10 ампер можно собрать своими руками по любой из представленных схем, а как именно сделать такое устройство, пошагово рассмотрено в инструкциях с фото-примерами. Для сборки простого источника питания потребуются начальные значения в области радиоэлектроники, умение обращаться с паяльником и минимальный перечень радиокомпонентов.

Знакомство с компараторами на примере чипа LM339

Ранее мы с вами познакомились с такими интегральными схемами, как таймер 555, счетчик 4026, логические вентили, а также сдвиговые регистры и декодеры. Теперь же пришло время узнать о компараторах. Несмотря на кажущуюся простоту, компараторы — куда более интересные устройства, чем может показаться на первый взгляд. Читайте далее, и сможете убедиться в этом самостоятельно.

Крайне наглядная картинка, объясняющая работу компаратора, была найдена мной в книге Чарльза Платта Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих. С некоторыми изменениями эта иллюстрация приведена ниже:

Компаратор имеет два входа, обозначаемые знаками минус (инвертирующий вход) и плюс (неинвертирующий вход), и один выход. Для нормальной работы выход компаратора обязательно должен быть подключен к плюсу источника питания через подтягивающий резистор. Почему нельзя было сделать это просто внутри микросхемы, скоро станет понятно.

Используется компаратор следующим образом. На инвертирующий вход подается эталонное напряжение. Когда напряжение на втором, неинвертирующем, входе больше эталонного, выход компаратора имеет высокое напряжение. Если же напряжение на неинвертирующем входе ниже эталонного, выход компаратора имеет низкое напряжение. Проще говоря, компаратор сравнивает два значения напряжения и на выходе говорит, какое больше. Входы компаратора можно использовать и наоборот, тогда выход компаратора будет инвертирован.

Индикатор заряда для Li-ion аккумуляторов

Всем привет, мы давно не делали индикаторы разряда автомобильного аккумулятора. Но в этой статье мы будем делать такой, же индикатор только для одной банки LI-ION аккумуляторов с напряжением 3,7 вольт. Такие индикаторы конечно можно купить и на рынке, но, а для тех, кто не прочь поработать руками и мозгами, двигаемся дальше.

Данная схема мало чем отличается от стандартных индикаторов заряда для автомобильных аккумуляторов, но некоторые отличия все же есть. Схема этого индикатора построена на базе компаратора LM-339.

Микросхема LM339 содержит четыре отдельных компаратора, каждый из них имеет два входа и один выход.

Если меняется напряжение на одном входе, это моментально приводит к изменению состояния выхода компаратора.

В случаем микросхемы LM 339 на выходе может быть либо вообще ничего, либо масса или минус питания. Такой компаратор называется с открытым коллектором, поэтому светодиоды подключены катодами к компаратору.

На некоторых входах компаратора нужно формировать стабильное или опорное напряжение.

Как правило, для этих целей используется стабилитрон, но дело в том, что мы собираемся контролировать напряжение на низковольтном источнике. Сам стабилитрон также должен быть низковольтным. Точнее говоря напряжение стабилизации стабилитрона должно быть меньше чем напряжение максимально разряженного аккумулятора.

В случае же обычных LI-ION аккумуляторов это около 3-х вольт. Исходя из выше написанного, для сборки необходимо найти стабилитрон с напряжением стабилизации на 2,5 и меньше вольт. (в нашем случае был использован стабилитрон на 3,3 вольт ).

Решение такое – использовать светодиод в качестве источника опорного напряжения. Для красных, желтых и зеленых светодиодов минимальное напряжение свечения – в пределах 2 вольт, только светодиод уже подключается в прямом направлении в отличие от стабилитрона. Резистивные делители на входах компаратора пришлось пересчитать под литиевый аккумулятор. Была сделана новая плата, рассчитанная для работы с банками 3,7 вольт. Еще один момент на плате есть две перемычки, обозначенные желтыми линиями.

Диод VD1 защищает микросхему, в случае если вы перепутаете полярность подключения к аккумулятору.

Как нам известно, напряжение полностью заряженного литий-ионного аккумулятора должно быть в районе 4,2 вольт, поэтому делители подобраны в очень узком диапазоне, при том использованы резисторы с погрешностью всего в 1 %., что гарантирует высокоточную работу индикатора. На плате имеем 4 индикаторных светодиода (цвета могут быть разными).

Для проверки работоспособности индикатора, его необходимо вначале подключить к лабораторному источнику питания, с выставленным напряжением 4,2 вольт имитируя полностью заряженный литий ионный аккумулятор.

Как видно, все светодиоды горят. Далее постепенно снижаем напряжение, имитируя разряд аккумулятора, и сразу видим поочередное потухание светодиодов при определенных напряжениях. Все работает.

Такой индикатор можно пристроить под какую-нибудь самоделку или использовать в качестве пробника для литиевых банок.

Вот и все, Не забывайте поделиться с друзьями и посвить лайк тем самым, вы поддержите проект.

Индикаторы разряда автомобильного аккумулятора ВАРИАНТ – 1 , ВАРИАНТ – 2 , ВАРИАНТ – 3.

Прикрепленные файлы – СКАЧАТЬ

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Эта статья содержит основную информацию о работе компараторов напряжения построенных на интегральных микросхемах и может быть использована в качестве справочного материала для построения различных схем.

В электронике, компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.

Компаратор, как правило, построен на дифференциальном усилителе с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)

Примеры работы компаратора приведены на основе микросхемы LM339 (счетверенный компаратора напряжений) и LM393 (сдвоенный компаратор напряжения). Эти две микросхемы по своему функционалу идентичны. Компаратор напряжения LM311 так же может быть использован в данных примерах, но он имеет ряд функциональных особенностей.

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Принцип работы

Работает схема индикатора заряда аккумулятора на светодиодах следующим образом. Застабилизированное с помощью резистора R7 и стабилитрона VD2 напряжение 6,2 вольт поступает на резистивный делитель, собранный из R8-R12. Как видно из схемы между каждой парой этих резисторов формируются опорные напряжения разного уровня, которые поступают на прямые входы компараторов. В свою очередь, инверсные входы объединены между собой и через резисторы R5 и R6 подключены к клеммам аккумуляторной батарее (АКБ).

В процессе заряда (разряда) аккумулятора постепенно изменяется напряжение на инверсных входах, что приводит к поочередному переключению компараторов. Рассмотрим работу операционного усилителя OP1, который отвечает за индикацию максимального уровня заряда АКБ. Зададим условие, если заряженный аккумулятор имеет напряжение 13,5 В, то последний светодиод начинает гореть. Пороговое напряжение на его прямом входе, при котором засветится этот светодиод, рассчитаем по формуле: UOP1+ = UСТ VD2 – UR8, UСТ VD2 =UR8+ UR9+ UR10+ UR11+ UR12 = I*(R8+R9+R10+R11+R12) I= UСТ VD2 /(R8+R9+R10+R11+R12) = 6,2/(5100+1000+1000+1000+10000) = 0,34 мА, UR8 = I*R8=0,34 мА*5,1 кОм=1,7 В UOP1+ = 6,2-1,7 = 4,5 В

Это означает, что при достижении на инверсном входе потенциала величиной более 4,5 вольт компаратор OP1 переключится и на его выходе появится низкий уровень напряжения, а светодиод засветится. По указанным формулам можно рассчитать потенциал на прямых входах каждого операционного усилителя. Потенциал на инверсных входах находят из равенства: UOP1- = I*R5 = UБАТ – I*R6.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Печатная плата и детали сборки

Печатная плата изготавливается из одностороннего фольгированного текстолита размером 40 на 37 мм, которую можно скачать здесь. Она предназначена для монтажа DIP элементов следующего типа:

  • резисторы МЛТ-0,125 Вт с точностью не менее 5% (ряд Е24) R1, R2, R3, R4, R7, R9, R10, R11– 1 кОм, R5, R8 – 5,1 кОм, R6, R12 – 10 кОм;
  • диод VD1 любой маломощный с обратным напряжением не ниже 30 В, например, 1N4148;
  • стабилитрон VD2 маломощный с напряжением стабилизации 6,2 В. Например, КС162А, BZX55C6V2;
  • светодиоды LED1-LED5 – индикаторные типа АЛ307 любого цвета свечения.

Данную схему можно использовать не только для контроля напряжения на 12 вольтовых аккумуляторах. Пересчитав номиналы резисторов, расположенных во входных цепях, получаем светодиодный индикатор на любое желаемое напряжение. Для этого следует задаться пороговыми напряжениями, при которых будут включаться светодиоды, а затем воспользоваться формулами для пересчёта сопротивлений, приведенные выше.

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

  1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
  2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Входное напряжение смещения и гистерезис

Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.

Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.

Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.

Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).

Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…

Операционный усилитель | Электроника для всех

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления 😉 И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

Uout=(U2-U1)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

Uout = (0 — U1)*К = — К*U1
Uout’ = (-K*U1 — U1)*K1

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1. 4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

Uout = U1*(1+R1/R2)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

Uout = — Uin * R1/R2

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

Uout = U2*K2 — U1*K1

K2 = ((R3+R4) * R6 ) / (R6+R5)*R4
K1 = R3/R4

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Uout = R3/R4 (U2 — U1).

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Сумматор инвертирующий

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Uout = -1(R3*U1/R1 + R3*U2/R2)

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И Uout = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Uout = U1*K1 + U2*K2

K1 = R5/R1
K2 = R5/R2

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками 🙂

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

Компаратор

В электронике , A Компаратор представляет собой устройство , которое сравнивает два напряжения или тока и выдает цифровой сигнал , указывающий , что больше. Имеет две аналоговые входные клеммы V + {\ Displaystyle V _ {+} \,} а также V — {\ Displaystyle V _ {-} \,} и один двоичный цифровой выход V о {\ Displaystyle V _ {\ rm {o}} \,} . Выход в идеале

Рисунок 1. Иллюстрация того, как работает компаратор.
V о знак равно { 1 , если  V + > V — 0 , если  V + < V — {\ displaystyle V _ {\ rm {o}} = {\ begin {case} 1, & {\ mbox {if}} V _ {+}> V _ {-} \\ 0, & {\ mbox {if}} V_ {+}

Компаратор состоит из специализированного дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления . Они обычно используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в АЦП последовательного приближения , а также в генераторах релаксации .

Дифференциальное напряжение

Дифференциальные напряжения должны оставаться в пределах, указанных производителем. Ранние интегрированные компараторы, такие как семейство LM111, и некоторые высокоскоростные компараторы, такие как семейство LM119, требуют диапазонов дифференциальных напряжений, существенно меньших, чем напряжения источника питания (± 15 В против 36 В). [1] Компараторы Rail-to-Rail допускают любые дифференциальные напряжения в пределах диапазона источника питания. При питании от биполярного (двухканального) источника питания

V S — ≤ V + , V — ≤ V S + {\ Displaystyle V_ {S -} \ leq V _ {+}, V _ {-} \ leq V_ {S +}}

или при питании от униполярного источника питания TTL / CMOS :

0 ≤ V + , V — ≤ V c c {\ displaystyle 0 \ leq V _ {+}, V _ {-} \ leq V _ {\ rm {cc}}}

Специальные компараторы типа «rail-to-rail» с входными pnp- транзисторами, такие как семейство LM139, позволяют входному потенциалу упасть на 0,3 В ниже отрицательной шины питания, но не позволяют ему подниматься выше положительной шины. [2] Специальные сверхбыстрые компараторы, такие как LMH7322, позволяют входному сигналу колебаться ниже отрицательной шины и выше положительной шины, хотя и с небольшим запасом всего 0,2 В. [3] Дифференциальное входное напряжение (напряжение между двумя входами ) современного компаратора rail-to-rail обычно ограничивается только полным размахом подачи питания.

Компаратор напряжения операционного усилителя

Простой компаратор операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) имеет хорошо сбалансированный разностный вход и очень высокий коэффициент усиления . Это соответствует характеристикам компараторов и может быть заменено в приложениях с низкими требованиями к производительности. [4]

Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше. Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализуется с использованием специальной микросхемы компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. На схемах компараторов и схемах операционных усилителей используются одни и те же символы.

На рисунке 1 выше показана схема компаратора. Прежде всего обратите внимание, что схема не использует обратную связь. Схема усиливает разницу напряжений между Vin и VREF и выводит результат на Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout поднимется до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне. Если Vin ниже VREF, то Vout упадет до своего отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

На практике эту схему можно улучшить, включив диапазон напряжения гистерезиса, чтобы снизить ее чувствительность к шумам. Например, схема, показанная на Рисунке 1, будет обеспечивать стабильную работу, даже когда сигнал Vin несколько зашумлен.

Это происходит из-за разницы в характеристиках операционного усилителя и компаратора, использование операционного усилителя в качестве компаратора имеет ряд недостатков по сравнению с использованием специального компаратора. [5]

  1. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Следовательно, операционный усилитель обычно имеет длительное время восстановления после насыщения. Почти все операционные усилители имеют внутренний конденсатор компенсации, который накладывает ограничения на скорость нарастания для высокочастотных сигналов. Следовательно, операционный усилитель создает неаккуратный компаратор с задержками распространения, которые могут достигать десятков микросекунд.
  2. Поскольку операционные усилители не имеют внутреннего гистерезиса, для медленных входных сигналов всегда необходима внешняя сеть гистерезиса.
  3. Спецификация тока покоя операционного усилителя действительна только при активной обратной связи. Некоторые операционные усилители показывают повышенный ток покоя, когда входы не равны.
  4. Компаратор предназначен для создания хорошо ограниченных выходных напряжений, которые легко взаимодействуют с цифровой логикой. Совместимость с цифровой логикой должна быть проверена при использовании операционного усилителя в качестве компаратора.
  5. Некоторые многосекционные операционные усилители могут демонстрировать экстремальное взаимодействие канал-канал при использовании в качестве компараторов.
  6. Многие операционные усилители имеют встречные диоды между входами. Входы операционных усилителей обычно следуют друг за другом, так что это нормально. Но входы компаратора обычно не совпадают. Диоды могут вызвать неожиданный ток через входы.

За работой

Выделенный компаратор напряжения обычно будет быстрее, чем операционный усилитель общего назначения, используемый в качестве компаратора, и может также содержать дополнительные функции, такие как точное внутреннее опорное напряжение, регулируемый гистерезис и вход с синхронизацией.

Специальная микросхема компаратора напряжения, такая как LM339, предназначена для взаимодействия с цифровым логическим интерфейсом ( TTL или CMOS ). Выход представляет собой двоичное состояние, которое часто используется для передачи сигналов реального мира в цифровые схемы (см. Аналого-цифровой преобразователь ). Если на пути прохождения сигнала присутствует источник постоянного напряжения, например, от регулируемого по постоянному току устройства, компаратор является просто эквивалентом каскада усилителей. Когда напряжения почти равны, выходное напряжение не будет попадать на один из логических уровней, поэтому аналоговые сигналы попадут в цифровую область с непредсказуемыми результатами. Чтобы сделать этот диапазон как можно меньшим, каскад усилителей имеет высокий коэффициент усиления. Схема состоит в основном из биполярных транзисторов . Для очень высоких частот входное сопротивление каскадов низкое. Это снижает насыщение медленных биполярных транзисторов с большим PN переходом , что в противном случае привело бы к длительному времени восстановления. Небольшие быстрые диоды Шоттки , подобные тем, которые используются в схемах с двоичной логикой, значительно улучшают производительность, хотя производительность по-прежнему отстает от схем с усилителями, использующими аналоговые сигналы. Скорость нарастания не имеет значения для этих устройств. Для приложений во флэш-АЦП сигнал, распределенный по восьми портам, соответствует усилению по напряжению и току после каждого усилителя, а резисторы в этом случае действуют как регуляторы уровня.

LM339 выполняет это с помощью выхода с открытым коллектором . Когда инвертирующий вход находится под более высоким напряжением, чем неинвертирующий вход, выход компаратора подключается к отрицательному источнику питания. Когда неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий вход, выход «плавающий» (имеет очень высокое сопротивление относительно земли). Коэффициент усиления операционного усилителя в качестве компаратора определяется этим уравнением V (выход) = V (вход)

Основные характеристики

Хотя базовую задачу компаратора понять легко, то есть сравнение двух напряжений или токов, при выборе подходящего компаратора необходимо учитывать несколько параметров:

Скорость и мощность

Хотя в целом компараторы «быстрые», их схемы не защищены от классического компромисса между скоростью и мощностью. В высокоскоростных компараторах используются транзисторы с большим соотношением сторон экрана и, следовательно, они потребляют больше энергии. [6] В зависимости от приложения выберите либо высокоскоростной компаратор, либо энергосберегающий. Например, компараторы с нано-питанием в компактных корпусах в масштабе чипа (UCSP), DFN или SC70, таких как MAX9027 , LTC1540 , LPV7215 , MAX9060 и MCP6541 , идеально подходят для портативных приложений со сверхнизким энергопотреблением. Аналогичным образом, если компаратор необходим для реализации схемы релаксационного генератора для создания высокоскоростного тактового сигнала, тогда могут оказаться подходящими компараторы, имеющие задержку распространения в несколько наносекунд. ADCMP572 (выход CML), LMH7220 (выход LVDS), MAX999 (выход CMOS / выход TTL), LT1719 (выход CMOS / выход TTL), MAX9010 (выход TTL) и MAX9601 (выход PECL) являются примерами некоторых хороших высокоскоростных компараторов. .

Гистерезис

Компаратор обычно меняет свое выходное состояние, когда напряжение между его входами пересекает примерно ноль вольт. Небольшие колебания напряжения из-за шума, всегда присутствующего на входах, могут вызвать нежелательные быстрые изменения между двумя состояниями выхода, когда разница входного напряжения близка к нулю. Чтобы предотвратить такие колебания на выходе, во многие современные компараторы встроен небольшой гистерезис в несколько милливольт. [7] Например, LTC6702 , MAX9021 и MAX9031 имеют внутренний гистерезис , снижающий их чувствительность к входному шуму. Вместо одной точки переключения гистерезис вводит две: одна для повышающихся напряжений и одна для падающих напряжений. Разница между значением отключения верхнего уровня (VTRIP +) и значением отключения нижнего уровня (VTRIP-) равна напряжению гистерезиса (VHYST).

Если компаратор не имеет внутреннего гистерезиса или если входной шум превышает внутренний гистерезис, тогда можно построить внешнюю сеть гистерезиса, используя положительную обратную связь от выхода к неинвертирующему входу компаратора. Результирующая схема триггера Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал. Некоторые компараторы, такие как LMP7300 , LTC1540 , MAX931 , MAX971 и ADCMP341, также обеспечивают управление гистерезисом через отдельный вывод гистерезиса. Эти компараторы позволяют добавлять программируемый гистерезис без обратной связи или сложных уравнений. Использование специального вывода гистерезиса также удобно при высоком импедансе источника, поскольку входы изолированы от цепи гистерезиса. [8] При добавлении гистерезиса компаратор не может разрешить сигналы в пределах диапазона гистерезиса.

Тип выхода

Компаратор с КМОП-синхронизацией с низким энергопотреблением

Поскольку компараторы имеют только два выходных состояния, их выходы либо близки к нулю, либо близки к напряжению питания. Биполярные компараторы Rail-to-Rail имеют выход с общим эмиттером, который создает небольшое падение напряжения между выходом и каждой шиной. Это падение равно напряжению между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора. Когда выходные токи малы, выходные напряжения КМОП компараторов Rail-to-Rail, которые основаны на насыщенном MOSFET, находятся в диапазоне ближе к напряжениям шины, чем их биполярные аналоги. [9]

По выходным сигналам компараторы можно также классифицировать как с открытым стоком или как двухтактные . В компараторах с выходным каскадом с открытым стоком используется внешний подтягивающий резистор к положительному источнику питания, который определяет высокий логический уровень. Компараторы с открытым стоком больше подходят для проектирования систем смешанного напряжения. Поскольку выход имеет высокий импеданс для высокого логического уровня, компараторы с открытым стоком также можно использовать для подключения нескольких компараторов к одной шине. Двухтактный выход не требует подтягивающего резистора и может также истощать ток, в отличие от выхода с открытым стоком.

Внутренняя ссылка

Наиболее частое применение компараторов — это сравнение напряжения и стабильного опорного напряжения. Большинство производителей компараторов также предлагают компараторы, в которых опорное напряжение встроено в микросхему. Объединение опорного сигнала и компаратора в одной микросхеме не только экономит место, но и потребляет меньше тока питания, чем компаратор с внешним опорным сигналом. [9] Доступны ИС с широким диапазоном опорных значений, например MAX9062 ( опорное напряжение 200 мВ), LT6700 ( опорное напряжение 400 мВ), ADCMP350 ( опорное напряжение 600 мВ), MAX9025 (опорное напряжение 1,236 В), MAX9040 (опорное напряжение 2,048 В), TLV3012 ( 1,24 В опорного напряжения) и TSM109 (опорного напряжения 2,5 В).

Непрерывный по сравнению с тактовым

Непрерывный компаратор будет выводить либо «1», либо «0» каждый раз, когда на его вход подается высокий или низкий сигнал, и будет быстро меняться при обновлении входов. Однако во многих приложениях выходы компаратора требуются только в определенных случаях, например, в аналого-цифровых преобразователях и памяти. Путем стробирования компаратора только через определенные интервалы можно достичь более высокой точности и меньшей мощности с тактовой (или динамической) структурой компаратора, также называемой компаратором с фиксацией. Часто компараторы с фиксацией используют сильную положительную обратную связь для «фазы регенерации», когда тактовый сигнал высокий, и имеют «фазу сброса», когда тактовый сигнал низкий. [10] В этом отличие от компаратора непрерывного действия, который может использовать только слабую положительную обратную связь, поскольку период сброса отсутствует.

Приложения

Нулевые детекторы

Детектор нуля определяет, когда заданное значение равно нулю. Компараторы идеально подходят для сравнительных измерений с обнаружением нуля, поскольку они эквивалентны усилителю с очень высоким коэффициентом усиления с хорошо сбалансированными входами и контролируемыми пределами выхода. Схема детектора нуля сравнивает два входных напряжения: неизвестное напряжение и опорное напряжение, обычно обозначаемое как v u и v r . Опорное напряжение обычно находится на неинвертирующем входе (+), а неизвестное напряжение обычно на инвертирующем входе (-). (На принципиальной схеме входы будут отображаться в соответствии с их знаком по отношению к выходу, когда один вход больше другого.) Если входы почти не равны (см. Ниже), выход будет либо положительным, либо отрицательным, например ± 12 В. В случае нулевого детектора цель состоит в том, чтобы обнаружить, когда входные напряжения почти равны, что дает значение неизвестного напряжения, поскольку опорное напряжение известно.

При использовании компаратора в качестве детектора нуля точность ограничена; выходной сигнал равен нулю, когда величина разности напряжений, умноженная на коэффициент усиления усилителя, находится в пределах напряжения. Например, если коэффициент усиления равен 10 6 , а пределы напряжения составляют ± 6 В, то выходной сигнал будет равен нулю, если разность напряжений меньше 6 мкВ. Это можно назвать фундаментальной погрешностью измерения. [11]

Детекторы перехода через ноль

Для этого типа детектора компаратор обнаруживает каждый раз, когда импульс переменного тока меняет полярность. Выход компаратора меняет состояние каждый раз, когда импульс меняет свою полярность, то есть выход HI (высокий) для положительного импульса и LO (низкий) для отрицательного импульса квадратирует входной сигнал. [12]

Осциллятор релаксации

Компаратор может быть использован для создания релаксационного генератора . Он использует как положительные, так и отрицательные отзывы. Положительная обратная связь представляет собой конфигурацию триггера Шмитта . Сам по себе триггер — это бистабильный мультивибратор . Однако медленная отрицательная обратная связь, добавляемая к триггеру RC-цепью, заставляет цепь автоматически колебаться. То есть добавление RC-цепи превращает гистерезисный бистабильный мультивибратор в нестабильный мультивибратор . [13]

Переключатель уровня

National Semiconductor LM393

Для этой схемы требуется только один компаратор с выходом с открытым стоком, как в LM393 , TLV3011 или MAX9028 . Схема обеспечивает большую гибкость в выборе напряжения для преобразования с использованием подходящего напряжения подтягивания. Он также позволяет преобразовывать биполярную логику ± 5 В в униполярную логику 3 В с помощью компаратора, такого как MAX972 . [9]

Аналого-цифровые преобразователи

Когда компаратор выполняет функцию определения того, находится ли входное напряжение выше или ниже заданного порога, он, по сути, выполняет 1-битное квантование . Эта функция используется почти во всех аналого-цифровых преобразователях (таких как флэш , конвейер, последовательное приближение , дельта-сигма модуляция , сворачивание, интерполяция, двойной наклон и другие) в сочетании с другими устройствами для достижения многобитового квантования. [14]

Детекторы окон

Компараторы также могут использоваться как детекторы окон. В оконном детекторе компаратор используется для сравнения двух напряжений и определения, находится ли данное входное напряжение ниже или выше напряжения.

Детекторы абсолютного значения

Компараторы могут использоваться для создания детекторов абсолютных значений. В детекторе абсолютного значения два компаратора и цифровой логический вентиль используются для сравнения абсолютных значений двух напряжений. «Иранманеш, С., Родригес-Виллегас, Э. (2016). КМОП-реализация схемы компаратора абсолютных значений малой мощности. IEEE NEWCAS, июнь 2016». DOI : 10.1109 / NEWCAS.2016.7604807 . S2CID  10810576 .

Внешние ссылки

Зачем гистерезис в компараторах | Причины задания

Выберите продукцию из спискаНормирующие преобразователи измерительные …НПСИ-ТП нормирующий преобразователь сигналов термопар и напряжения …НПСИ-237-ТП нормирующий преобразователь сигналов термопар и напряжения, IP65 …НПСИ-ТС нормирующий преобразователь сигналов термосопротивлений …НПСИ-237-ТС нормирующий преобразователь сигналов термосопротивлений, IP65 …НПСИ-150-ТП1 нормирующий преобразователь сигналов термопар и напряжения …НПСИ-150-ТС1 нормирующий преобразователь сигналов термометров сопротивления …НПСИ-110-ТП1 нормирующий преобразователь сигналов термопар и напряжения …НПСИ-110-ТС1 нормирующий преобразователь сигналов термометров сопротивления . ..НПСИ-250/500-УВ1 преобразователь сигналов термопар, термосопротивлений и потенциометров…НПСИ-250/500-УВ1.2 преобразователь сигналов термопар, термосопротивлений и потенциометров, разветвитель «1 в 2» …НПСИ-230-ПМ10 нормирующий преобразователь сигналов потенциометров …НПСИ-200-ГРТП модули гальванической развязки токовой петли…НПСИ-200-ГР1/ГР2 модули гальванической развязки токового сигнала (4…20) мА…НПСИ-200-ГР1.2 модуль разветвления 1 в 2 и гальванической развязки сигнала (4…20) мА…НПСИ-ДНТВ нормирующий преобразователь действующих значений напряжения и тока…НПСИ-ДНТН нормирующий преобразователь действующих значений напряжения и тока …НПСИ-200-ДН/ДТ нормирующие преобразователи действующих значений напряжения и тока…НПСИ-МС1 преобразователь мощности, напряжения, тока, коэффициента мощности…НПСИ-500-МС3 измерительный преобразователь параметров трёхфазной сети с RS-485 и USB …НПСИ-500-МС1 измерительный преобразователь параметров однофазной сети с RS-485 и USB …НПСИ-УНТ нормирующий измерительный преобразователь унифицированных сигналов с сигнализацией. ..НПСИ-237-УНТ нормирующий измерительный преобразователь унифицированных сигналов с сигнализацией, IP65 …НПСИ-ЧВ/ЧС нормирующие преобразователи частоты, периода, длительности сигналов, частоты сети…ПНТ-х-х нормирующий преобразователь сигналов термопар…ПСТ-х-х нормирующий преобразователь сигналов термосопротивлений…ПНТ-a-Pro нормирующий преобразователь сигналов термопар программируемый…ПCТ-a-Pro нормирующий преобразователь сигналов термосопротивлений программируемый…ПНТ-b-Pro нормирующий преобразователь сигналов термопар программируемый…ПCТ-b-Pro нормирующий преобразователь сигналов термосопротивлений программируемыйБарьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности)…КА5003Ех барьеры искрозащиты, разветвители 1 в 2 сигналов термопар, термометров сопротивления и потенциометров, 1-канальные, USB, RS-485…КА5004Ех барьеры искрозащиты, сигналы термопар, термометров сопротивления и потенциометров, сигнализация, USB, RS-485…КА5011Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приёмники аналогового сигнала (4…20) мА, 1-канальные, HART . ..КА5022Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приёмники аналогового сигнала (4…20) мА, 2-канальные…КА5013Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приемники-разветвители 1 в 2 аналогового сигнала (4…20) мА, 1-канальные, HART, шина питания …КА5031Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приёмники аналогового сигнала (4…20) мА, 1-канальные, HART …КА5032Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приёмники аналогового сигнала (4…20) мА, 2-канальные, HART …КА5131Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), передатчики аналогового сигнала (4…20) мА, 1-канальные, HART …КА5132Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), передатчики аналогового сигнала (4…20) мА, 2-канальные…КА5241Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приёмники дискретных сигналов, 1-канальные…КА5242Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приёмники дискретных сигналов, 2-канальные…КА5262Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приёмники дискретных сигналов, 2-канальные. ..КА5232Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приёмники дискретных сигналов, 2-канальные…КА5234Ех барьеры искрозащиты (барьеры искробезопасности), приёмники дискретных сигналов, 4-канальныеКонтроллеры, модули ввода-вывода…MDS AIO-1 Модули комбинированные ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов…MDS AIO-1/F1 Модули комбинированные функциональные ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов…MDS AIO-4 Модули комбинированные ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов…MDS AIO-4/F1 Модули комбинированные ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, 4 ПИД регулятора…MDS AI-8UI Модули ввода аналоговых сигналов тока и напряжения…MDS AI-8TC Модули ввода сигналов термопар, тока и напряжения…MDS AI-8TC/I Модули ввода сигналов термопар, тока и напряжения с индивидуальной изоляцией между входами…MDS AI-3RTD Модули ввода сигналов термосопротивлений и потенциометров…MDS AO-2UI Модули вывода сигналов тока и напряжения…MDS DIO-16BD Модули ввода-вывода дискретных сигналов. ..MDS DIO-4/4 Модули ввода-вывода дискретных сигналов …MDS DIO-12h4/4RA Модули ввода-вывода дискретных сигналов высоковольтные…MDS DIO-8H/4RA Модули ввода-вывода дискретных сигналов высоковольтные…MDS DI-8H Модули ввода дискретных сигналов высоковольтные…MDS DO-8RС Модули вывода дискретных сигналов …MDS DO-16RA4 Модули вывода дискретных сигналов …MDS IC-USB/485 преобразователь интерфейсов USB и RS-485…MDS IC-232/485 преобразователь интерфейсов RS-232 и RS-485…I-7561 конвертер USB в RS-232/422/485…I-7510 повторитель интерфейса RS-485/RS-485…I-7520 преобразователь интерфейса RS-485/RS-232Измерители-регуляторы технологические…МЕТАКОН-6305 многофункциональный ПИД-регулятор с таймером выдержки…МЕТАКОН-4525 многоканальный ПИД-регулятор…МЕТАКОН-1005 измеритель технологических параметров, щитовой монтаж, RS-485…МЕТАКОН-1015 измеритель, нормирующий преобразователь, щитовой монтаж, RS-485…МЕТАКОН-1105 измеритель, позиционный регулятор, щитовой монтаж, RS-485…МЕТАКОН-1205 измеритель-регулятор, нормирующий преобразователь, контроллер, щитовой монтаж, RS-485. ..МЕТАКОН-1725 двухканальный измеритель-регулятор, нормирующий преобразователь, щитовой монтаж, RS-485…МЕТАКОН-1745 четырехканальный измеритель-регулятор, нормирующий преобразователь, щитовой монтаж, RS-485…МЕТАКОН-512/522/532/562 многоканальные измерители-регуляторы…Т-424 универсальный ПИД-регулятор…МЕТАКОН-515 быстродействующий универсальный ПИД-регулятор…МЕТАКОН-513/523/533 ПИД-регуляторы…МЕТАКОН-514/524/534 ПДД-регуляторы…МЕТАКОН-613 программные ПИД-регуляторы…МЕТАКОН-614 программные ПИД-регуляторы…СТ-562-М источник тока для ПМТ-2, ПМТ-4Регистраторы видеографические…ИНТЕГРАФ-1100 видеографический безбумажный 4/8/12/16 канальный регистратор данных …ИНТЕГРАФ-1000/1010 видеографические безбумажные 8/16 канальные регистраторы данных …ИНТЕГРАФ-3410 видеографический безбумажный регистратор-контроллер термообработки… DataBox Накопитель-архиваторСчётчики, реле времени, таймеры…ЭРКОН-1315 восьмиразрядный одноканальный счётчик импульсов, поддержка RS-485, щитовой монтаж. ..ЭРКОН-315 счётчик импульсов одноканальный, поддержка RS-485, щитовой монтаж…ЭРКОН-325 счетчик импульсов двухканальный, поддержка RS-485, щитовой монтаж…ЭРКОН-415 тахометр-расходомер…ЭРКОН-615 счетчик импульсов реверсивный многофункциональный, поддержка RS-485, щитовой монтаж…ЭРКОН-714 таймер астрономический…ЭРКОН-214 одноканальное реле времени, цифровая индикация, монтаж на DIN-рельс или на панель…ЭРКОН-224 двухканальное реле времени, цифровая индикация, монтаж на DIN-рельс или на панель…ЭРКОН-215 реле времени программируемое одноканальное, поддержка RS-485, щитовой монтаж, цифровая индикацияБлоки питания и коммутационные устройства…PSM-120-24 блок питания 24 В (5 А, 120 Вт)…PSM-72-24 блок питания 24 В (3 А, 72 Вт)…PSM-36-24 блок питания 24 В (1,5 А, 36 Вт)…PSL низковольтные DC/DC–преобразователи на DIN-рейку 3 и 10 Вт…PSM-4/3-24 многоканальный блок питания 24 В (4 канала по 0,125 А, 3 Вт)…PSM-2/3-24 блок питания 24 В (2 канала по 0,125 А, 3 Вт)…PSM/4R-36-24 блок питания и реле, 24 В (1,5 А, 36 Вт). ..БП-24/12-0,5 блок питания 24В/12В (0,5А)…ФС-220 фильтр сетевой…БПР блок питания и реле…БКР блок коммутации реверсивный (пускатель бесконтактный реверсивный)…БР4 блок реле…PS3400.1 блок питания 24 В (40 А) …PS3200.1 блок питания 24 В (20 А)…PS3100.1 блок питания 24 В (10 А)…PS3050.1 блок питания 24 В (5 А)…PS1200.1 блок питания 24 В (20 А)…PS1100.1 блок питания 24 В (10 А)…PS1050.1 блок питания 24 В (5 А)Программное обеспечение…SetMaker конфигуратор……  История  версий…MDS Utility конфигуратор…RNet программное обеспечение…OPC-сервер для регулятров МЕТАКОН…OPC-сервер для MDS-модулей

Продолжаем серию статей, посвященных компараторам в измерительных приборах НПФ КонтрАвт. Ранее мы дали определение компараторам и привели основные функции компараторов.
В данной статье мы разберем для чего в компараторах вводят гистерезис.

В нашей первой статье мы упомянули, что в области порогов h и H в поведении компаратора может наблюдаться гистерезис и состояние выхода компаратора в этом случае зависит не только от соотношения измеренного сигнала и порогов, но и от предшествующей истории, т. е. от того, каким путем измеренный сигнал приближается к порогам.

                                                                              Рисунок 1. Пример функции компаратора

Для чего же вводят гистерезис в компараторы?

 

Зачем нужен гистерезис в компараторах

Причина № 1

Как правило, измеренный сигнал имеет как регулярную составляющую (постоянную или плавно меняющуюся), так и случайную, вызванную действием внешних случайных электромагнитных помех.

В отсутствие гистерезиса (или при слишком малой величине его зоны), при подходе измеренного сигнала к пороговому значению случайная компонента вызывает многократное срабатывание компаратора, что нежелательно в системе (обгорание и износ контактов пускателя, хаотические срабатывания различных устройств и проч.).

                                                    Рисунок 2. Работа компаратора без гистерезиса

 

Однако, если выбрать зону гистерезиса (H-h) чуть больше, чем размах случайных изменений измеренного сигнала, то компаратор будет срабатывать только один раз, повторных возвратов в исходное состояние не будет. Таким образом, исключаются случайные срабатывания компаратора, его состояния фиксируются более четко.

                                          Рисунок 3. Работа компаратора с оптимальной зоной гистерезиса

 

На практике с этим чаще всего сталкиваются в системах сигнализации и регулирования.

В задаче сигнализации отсутствие гистерезиса приводит к многократному срабатыванию сигнализации вблизи порога (см. рисунок 2). Если сигнализация управляет смежными устройствами и системами, то ложные и частые срабатывания будут крайне нежелательны. Кроме того, они вводят в заблуждение оператора. Наличие гистерезиса с оптимальной зоной обеспечивает однозначное срабатывание сигнализации (cм. рисунок 3).

В задачах позиционного регулирования гистерезис предотвращает частое и хаотическое переключение силового коммутационного элемента при переходе через уставку за счет шумоподобного изменения измеренного сигнала (рисунок 2). В случае больших мощностей это негативно сказывается как на электросети, так и на работе электромагнитных пускателей (обгорание контактов, износ, залипание контактов, неуправляемый нагрев, сокращение ресурса и т. п.) Наличие гистерезиса также делает переключение более четким (cм. рисунок 3).

 

Причина № 2

Существует и другая причина, по которой следует применять гистерезис в системах двухпозиционного регулирования.

Свойства системы могут быть таковы, что период срабатывания позиционного регулятора будет слишком малым. Это (так же как и влияние помех) приводит к частому срабатыванию коммутационных элементов с названными ранее последствиями.

В этих случаях специально увеличивают зону гистерезиса, чтобы увеличить период переключения. Однако, надо учитывать, что увеличение зоны гистерезиса ( > 0 + зона гистерезиса) неизбежно приводит к увеличению размаха колебаний, ухудшает точность регулирования. В таких ситуациях вопрос выбора величины зоны гистерезиса — это вопрос компромисса между точностью регулирования и повышением надежности и ресурса системы.

                  Рисунок 4. Пример увеличения периода переключения компаратора гистерезисом

 

Причина № 3

Существует ряд производственных задач, в которых введение гистерезиса в работу компаратора позволяет реализовать логику работы системы управления.

Например, в системах водоснабжениями (типа “Башня Рожновского”) точность вообще не играет ключевой роли, важно, что исполнительный механизм — насос — “не любит” частого включения/выключения.

При этом накопитель позволяет реализовать необходимое редкое включение/выключение насоса с помощью гистерезиса.

                                                Рис 5. Пример использования гистерезиса в системах с накопителем

 

Выводы:

Таким образом, введение гистерезиса в компараторах необходимо в следующих случаях:

  1. Для устранения многократного срабатывания компаратора под действием быстрых случайных помех, как следствие устранения хаотических срабатываний различных устройств в системе, увеличение ресурса коммутационных и исполнительных устройств.
  2. Преднамеренное увеличение периода переключения компаратора в задачах позиционного регулирования. Обеспечивает увеличение ресурса и надежности системы, но ухудшается точность регулирования.
  3. Для реализация различных алгоритмов работы систем автоматики.

В следующих публикациях мы подробнее разберем прочие особенности работы компараторов. Следите за обновлениями материалов!




Лечение нестабильности компаратора с гистерезисом

О компараторах

ИС компаратора предназначены для сравнения напряжений, которые появляются на их входах, и для вывода напряжения, представляющего знак чистой разности между ними. В схеме компаратора, если дифференциальное входное напряжение выше, чем входное напряжение смещения (V OS ), плюс требуемый перегруз, выходное напряжение колеблется до напряжения, представляющего логических 1. По сути, компаратор можно рассматривать как как одноразрядный аналого-цифровой преобразователь.Помимо того, что компараторы являются ключевыми компонентами аналого-цифровых преобразователей, компараторы также широко используются в детектировании уровня, управлении включением-выключением, схемах восстановления тактовой частоты, оконных детекторах и триггерах Шмитта.

Операционные усилители (операционные усилители) могут использоваться — и часто — используются в качестве компараторов либо в разомкнутом контуре, либо в режиме с высоким коэффициентом усиления, но лучше использовать специальные интегральные схемы, оптимизированные для этой цели. Выходной каскад компаратора выполнен более гибким, чем выходной каскад операционного усилителя .В операционных усилителях используются двухтактные выходы, которые обычно колеблются как можно ближе к шинам питания, в то время как некоторые компараторы могут иметь выход с открытым коллектором и заземленным эмиттером. Это позволяет источнику подтягивающего напряжения для выходного каскада изменяться в широком диапазоне, позволяя компараторам взаимодействовать с различными логическими семействами или схемами нагрузки. Уменьшение сопротивления подтягивающего резистора, обеспечивающее увеличение тока, приведет к повышению скорости переключения и помехозащищенности, но за счет увеличения рассеиваемой мощности. Компараторы часто имеют защелку , которая позволяет стробировать вход в нужное время, и функцию отключения , которая экономит энергию, когда компаратор не нужен.

Созданные для максимально быстрого сравнения двух уровней за счет работы по существу «без обратной связи», компараторы обычно не имеют внутренних компенсационных конденсаторов Миллера или интегрирующих схем и, следовательно, имеют очень широкую полосу пропускания. Из-за этого компараторы обычно конфигурируются без отрицательной обратной связи (или с очень небольшими значениями, если требуется контролируемый высокий коэффициент усиления).

Отсутствие отрицательной обратной связи означает, что, в отличие от схем на операционных усилителях, входное сопротивление не умножается на коэффициент усиления контура. В результате входной ток изменяется при переключении компаратора. Следовательно, импеданс возбуждения вместе с паразитными обратными связями может играть ключевую роль в влиянии на стабильность схемы. В то время как отрицательная обратная связь имеет тенденцию удерживать усилители в пределах их линейной области, положительная обратная связь приводит их в состояние насыщения.

Какова роль гистерезиса?

Даже без фактической схемы обратной связи емкостные отклонения от выхода к входу (обычно неинвертирующий вход) или соединение выходных токов с землей (к которой часто подключается неинвертирующий вход) могут привести к выходу из строя схемы компаратора. нестабильный.Защита узлов с высоким импедансом и пристальное внимание к компоновке и заземлению могут помочь свести к минимуму эти эффекты связи. Запирание также полезно.

Но предотвратить нестабильность этими мерами удается не всегда. Часто эффективным решением является использование положительной обратной связи для введения небольшого гистерезиса. Это имеет эффект разделения восходящих и нисходящих точек переключения, так что после начала перехода вход должен подвергнуться значительному реверсированию, прежде чем может произойти обратный переход.

При обработке медленно меняющихся сигналов даже с небольшим количеством наложенного шума компараторы имеют тенденцию производить несколько выходных переходов или скачков, когда входной сигнал пересекает и повторно пересекает пороговую область (рис. 1). Шумные сигналы могут возникать в любом приложении, особенно в промышленных условиях. Когда сигнал пересекает пороговую область, шум усиливается за счет усиления разомкнутого контура, в результате чего выходной сигнал кратковременно колеблется взад-вперед. Это неприемлемо для большинства приложений, но обычно его можно устранить, введя гистерезис.

Рисунок 1. Шум вызывает множественные переходы.

Где использовать гистерезис

Помимо снижения шума компаратора, гистерезис системы используется в управлении включением-выключением, чтобы избежать слишком частого включения насосов, печей и двигателей. В самых простых приложениях контроллер включает и выключает привод, когда системный параметр падает ниже или выше контрольной уставки. При гистерезисе привод остается включенным до тех пор, пока параметр не поднимется несколько выше уставки, переключается, а затем остается выключенным до тех пор, пока параметр не упадет до значения ниже уставки.Уровни, при которых происходит переключение, называются верхним и нижним пороговыми напряжениями, V th и V tl . Примером гистерезиса уставки является домашний термостат, в котором для включения и выключения печи используется некий компаратор. Допуск гистерезиса для нескольких градусов изменения температуры адекватно уменьшает ненужные циклы для домашних условий. На рис. 2 показана типичная схема ИС компаратора, используемого для контроля температуры.

Рис. 2. Схема регулирования температуры с эталоном/датчиком REF-02 и компаратором AD8561.Гистерезис вводится по мере необходимости через резистор положительной обратной связи R4.

Разработка схем компараторов с гистерезисом

Гистерезис применяется путем подачи на положительный вход небольшой доли выходного напряжения (находящегося на верхнем или нижнем пределе). Это напряжение добавляет ко входу смещение, чувствительное к полярности, увеличивая пороговый диапазон.

С выбранным компаратором разработчик должен определить, использовать ли его в инвертирующей или неинвертирующей конфигурации, т.е.e., будет ли положительный овердрайв переключать выход на отрицательный или положительный предел. Некоторые компараторы имеют положительный и отрицательный выходы, что придает большую гибкость их использованию в системе. Гистерезис можно применить, подключив положительную входную клемму к отводу делителя напряжения с двумя резисторами между положительным выходом и опорным источником; количество возвращаемого выходного напряжения зависит от отношения сопротивлений. Это освобождает инвертирующий вход для прямого подключения входного сигнала, как на рисунке 2.

Если сигнал подается на неинвертирующий вход , импеданс его источника должен быть достаточно низким, чтобы оказывать незначительное влияние либо на масштабирование входа, либо на коэффициент гистерезиса. Чтобы получить максимальную производительность от устройства, гистерезис должен быть достаточно большим, чтобы преодолеть V OS (по всей рабочей температуре) плюс требуемый перегруз, как указано в техническом описании производителя. Увеличение овердрайва уменьшает задержку распространения части.Требуемый уровень овердрайва увеличивается с температурой окружающей среды.

На рисунках 3 и 4 показано использование гистерезиса с двойным питанием. На рисунке 3 сигнал подается на инвертирующий вход. График выхода и входа показывает окрестности точки переключения. R2 обычно намного выше по сопротивлению, чем R1. Если бы R 2 было бесконечным, гистерезиса не было бы, и устройство переключалось бы при V ref . Гистерезис определяется выходными уровнями и отношением сопротивлений R 1 /(R 1 +R 2 ), а напряжение точки переключения немного смещено от V ref на коэффициент затухания R 2 /(R 1 +R 2 ).

Рис. 3. Компаратор с инвертирующим входом, двойное питание.

На рис. 4 сигнал подается на неинвертирующий вход через R1. Поскольку входной сигнал немного ослаблен, гистерезис будет немного больше, чем в инвертирующем случае.

Рис. 4. Компаратор с неинвертирующим входом, двойное питание.

Если опорное напряжение находится посередине между высоким и низким выходным напряжением компаратора (как в случае с симметричным источником питания и заземлением), введение гистерезиса сдвинет верхний и нижний пороги на одинаковое расстояние от опорного.Если опорное значение ближе к одному выходу, чем к другому, пороговые значения будут расположены асимметрично относительно опорного напряжения.

В операциях компаратора с однополярным питанием возникает необходимость смещения задания, чтобы схема работала полностью в пределах первого квадранта. На рис. 5 показано, как этого можно добиться. Резисторный делитель (R2 и R1) создает положительное опорное напряжение, которое сравнивается с входным. Уравнения для расчета порогов постоянного тока показаны на рисунке.

Рисунок 5. Компараторы в однополярном режиме.

Размещение конденсатора на резисторе обратной связи в приведенных выше конфигурациях приведет к появлению полюса в цепи обратной связи. Это имеет «пусковой» эффект увеличения гистерезиса на высоких частотах. Это может быть очень полезно, когда входной сигнал представляет собой относительно медленно меняющийся сигнал в присутствии высокочастотного шума. На частотах выше f(p) = 1/(2πC f R f ) гистерезис приближается к V th = V cc и V tl = 0 В.На частотах ниже f(p) пороговые напряжения остаются такими, как показано в уравнениях.

Для компараторов, имеющих дополнительные (Q и Q) выходы, положительная обратная связь и, следовательно, гистерезис могут быть реализованы двумя способами. Это показано на рисунке 6. Преимущество рисунка 6b состоит в том, что положительное соотношение вход-выход может быть получено без нагрузки на источник сигнала.

Рис. 6. Компараторы с дополнительным выходом. а. Выгруженная ссылка. б. Незагруженный ввод.

На рис. 7 показана схема сравнения биполярного сигнала с землей с использованием схемы с однополярным питанием.

Рис. 7. Компаратор с однополярным питанием и биполярным входом.

Переменные, влияющие на гистерезис

Напряжение смещения, входные токи смещения и конечное усиление в линейной области компаратора ограничивают точность порогов переключения, V th и V tl . Входной ток смещения обычно не представляет проблемы, так как в большинстве приложений используются небольшие резисторы истока, чтобы воспользоваться преимуществами высокой скорости компараторов. Хотя это снижает рассеиваемую мощность, высокое сопротивление источника увеличивает задержку распространения компаратора.Для поддержания требуемой овердрайва на низком уровне смещение должно быть как можно меньше. Усилители с разомкнутым контуром можно использовать вместо компараторов, когда в конструкции требуются чрезвычайно низкие смещения.

На точность точки срабатывания (с гистерезисом) также влияют различия между устройствами V oh и V ol . Одним из возможных способов решения проблемы является использование программируемого эталона, но этот процесс может стать дорогостоящим и трудоемким. Лучшим способом, хотя и несколько громоздким, является использование схемы прецизионных зажимов, чтобы удерживать выход на фиксированном уровне, когда он становится высоким (рис. 8).

Рис. 8. Схема прецизионных клещей.

Заключение

Разработчики могут использовать гистерезис, чтобы избавить схемы компаратора от нестабильности, вызванной шумом. Гистерезис надежен и может применяться предсказуемо, используя небольшое количество положительной обратной связи.

Компаратор с гистерезисом (триггер Шмитта) Калькулятор

Обзор

Компаратор с гистерезисом имеет нелинейный отклик с различными пороговыми напряжениями переключения в зависимости от того, переходит ли входной сигнал от низкого к высокому или от высокого к низкому. Схема использует положительную обратную связь для создания нелинейного отклика. Входное напряжение перехода от низкого к высокому называется высоким пороговым напряжением (V TH ). Точно так же переходное входное напряжение с высокого уровня на низкий называется низким пороговым напряжением (V TL ). Этот калькулятор предполагает, что выход может переключаться с положительной шины питания (V P ) на отрицательную шину питания (V N ).

Схема

В одном распространенном методе разработки компаратора с гистерезисом используется операционный усилитель и положительная обратная связь от выхода к входу, как показано на следующем рисунке.Гистерезис этой схемы зависит от соотношения резисторов (R 2 / R 1 ), опорного напряжения (V ref ), положительного (V p ) и отрицательного (V n ) напряжения питания.

Уравнения

$$V_{TH} = (\frac{1 + R}{R})V_{REF} — (\frac{1}{R})V_{N}$$

$$V_{TL} = (\frac{1 + R}{R})V_{REF} — (\frac{1}{R})V_{P}$$

$$V_{REF} = V_N + (\frac{R}{1 + R})(V_{TH} — V_{N})$$

$$R = (\frac{(V_P — V_N)}{V_{TH} — V_{TL})}$$,

где:

В P = положительное напряжение питания

В Н = отрицательное напряжение питания

В TH = высокое пороговое напряжение

В TL = низкое пороговое напряжение

В REF = опорное напряжение

R = коэффициент сопротивления (R 2 / R 1 )

Приложения

Гистерезис часто добавляется к схемам компаратора для минимизации выходного шума или нежелательных выходных переходов, возникающих при медленно меняющихся или зашумленных входных сигналах. Например, традиционная схема компаратора с одной точкой переключения (т. е. без гистерезиса) будет «болтать» из-за посторонних выходных переходов, когда вход находится рядом с точкой переключения. Триггеры Шмитта могут устранить эту болтовню. Триггеры Шмитта также используются для подавления дребезга выходных сигналов механических переключателей и создания генераторов релаксации.

Дополнительное чтение

Руководство по добавлению дополнительного гизерезиса к компараторам

Аннотация: Аналоговые компараторы всегда находятся в тени своего более популярного родственника, вездесущего операционного усилителя.Разработчики могут опираться на множество рекомендаций по применению операционных усилителей, но не компараторов. Одним из следствий этого дефицита является то, что клиенты обращаются в службу поддержки приложений Maxim за помощью при добавлении гистерезиса компаратора. В этом примечании объясняется, как добавить гистерезис к некоторым распространенным схемам компаратора, чтобы обеспечить повышенную помехоустойчивость и стабильность.

Обсуждение гистерезиса компаратора начинается с определения этого слова. Как и многие другие научные слова, оно происходит от греческого. В данном случае это означает отставать или следовать, или оказывать сопротивление изменению предыдущего состояния.Мы используем его в технике для описания операции, которая не является симметричной, т. е. ее путь от А к В не такой же, как от В к А. Гистерезис встречается в явлениях магнетизма и непластической деформации, а также в электронных схемах, таких как компараторы.

Гистерезис предназначен для большинства компараторов, обычно со значением от 5 мВ до 10 мВ. Внутренний гистерезис помогает компаратору избежать колебаний из-за небольшого количества паразитной обратной связи. Хотя этого достаточно для предотвращения автоколебаний компаратора, такой внутренний гистерезис может быть легко перекрыт любым внешним шумом большей амплитуды.В этом случае вы можете улучшить производительность, добавив внешний гистерезис.

Сначала рассмотрим передаточную функцию для идеального компаратора без внутреннего гистерезиса ( Рисунок 1 ). Напротив, передаточная характеристика реального компаратора (, рис. 2, ) показывает изменение выходного сигнала, которое требует увеличения входного напряжения примерно на 2 мВ (V IN ).


Рис. 1. Передаточная характеристика идеального компаратора.


Рис. 2.Передаточная характеристика для практического компаратора.

Для операционных усилителей без обратной связи, которые часто используются в качестве компараторов, небольшое количество шума или помех в сочетании с входным сигналом может вызвать нежелательные быстрые изменения между двумя состояниями выхода ( рис. 3 ). Замена компаратора с гистерезисом может предотвратить быстрые изменения выходного сигнала и колебания. Или вы можете создать внешний гистерезис, подав положительную обратную связь на компаратор. Поскольку положительная обратная связь гарантирует быстрый переход выхода из одного состояния в другое, выход компаратора проводит незначительное количество времени в неопределенном состоянии.


Рис. 3. Неопределенные и быстро меняющиеся выходы компараторов без гистерезиса.

В качестве примера рассмотрим простую схему в , рис. 4 , с передаточной характеристикой, показанной в , рис. 5, , с линейным изменением напряжения, начинающимся с нуля, приложенным к инвертирующему входу компаратора. Резисторный делитель R1-R2 обеспечивает положительную обратную связь. Когда вход начинает увеличиваться из точки 1 ( Рисунок 6 ), выход находится на уровне V CC и остается на этом уровне до тех пор, пока вход не преодолеет положительный порог: V TH+ = V CC R2/(R1 + Р2).В этот момент выход резко меняется с V CC на V SS , потому что инвертирующий вход более положительный, чем неинвертирующий вход. Выход остается низким до тех пор, пока вход не преодолеет новый порог в точке 5: V TH- = V SS R2/(R1 + R2). В это время выход сразу переключается на V CC , поскольку положительный (неинвертирующий) вход имеет более высокий потенциал, чем инвертирующий.


Рис. 4. Простая схема с гистерезисом.


Рисунок 5. Передаточная характеристика схемы, показанной на рисунке 4.


Рис. 6. Формы входных/выходных сигналов для схемы на рис. 4.

Передаточная функция V OUT по сравнению с V IN для схемы на рис. изменение входа не менее 2В TH . Таким образом, в отличие от отклика на Рисунке 3 (операционный усилитель без гистерезиса), любой небольшой уровень шума или помех менее 2 В TH не может вызвать быстрое изменение выходного сигнала.Для конкретного приложения положительное и отрицательное пороговые напряжения могут быть установлены на желаемые значения путем подходящего выбора цепи обратной связи.

Другие конфигурации доступны для добавления гистерезиса с различными пороговыми напряжениями. В схеме (рис. 7) используются два полевых МОП-транзистора и цепь резисторов для регулировки или смещения порогового уровня в любом направлении. В отличие от выхода компаратора на рис. 4, этот выход не нагружен сетью резисторов обратной связи. Выход реагирует на изменения ввода, как показано на Рисунок 8 .


Рис. 7. Добавление гистерезиса с помощью внешних МОП-транзисторов и резисторов.


Рис. 8. Формы входных/выходных сигналов для схемы на рис. 7.

Различные внутренние конфигурации выходов компаратора требуют различных реализаций внешнего гистерезиса. Компараторы с внутренним двухтактным выходом, например, могут использовать резистор положительной обратной связи непосредственно между выходом и неинвертирующим входом. Сеть резисторного делителя подает входной сигнал на неинвертирующий вход компаратора, а инвертирующий вход фиксируется на некотором опорном уровне ( рис. 9 ).


Рис. 9. Добавление гистерезиса к компаратору с двухтактным выходом.

Как уже отмечалось, компаратор с внутренним гистерезисом имеет одну точку срабатывания для возрастающего входного напряжения (V THR ) и одну для падающего входного напряжения (V THF ), что соответствует V Th2 и V Th3 на рисунке 8. Разница между этими точками срабатывания представляет собой полосу гистерезиса (V HB ). Когда входные напряжения компаратора равны, гистерезис вызывает быстрое перемещение одного входа относительно другого, тем самым удаляя входные напряжения из области, где возникают колебания. На рис. 10 показано поведение компаратора при фиксированном напряжении, подаваемом на инвертирующий вход, и переменном напряжении, подаваемом на неинвертирующий вход. (Перестановка входов дает аналогичную цифру, но с инвертированным выходом.)


Рис. 10. Формы входных/выходных сигналов для схемы на рис. 9. расчеты двух известных случаев, в которых выход находится на одном или другом краю (две направляющие питания).

Рассмотрим компаратор с внутренним гистерезисом 4 мВ и двухтактной конфигурацией выхода, такой как Maxim MAX9015, MAX9017 и MAX9019. Эти компараторы предназначены для систем с однополярным питанием, в которых двумя шинами являются V CC и 0V. Следующая процедура позволяет выбрать или рассчитать компоненты на основе требований и заданных данных, таких как напряжение на шине питания, напряжение диапазона гистерезиса (V HB ) и опорное напряжение (V REF ):

Шаг 1.

Выберите R3. Ток через R3 в точке срабатывания равен (V REF — V OUT )/R3. Рассмотрение двух возможных выходных состояний при решении R3 дает две формулы:
R3 = V REF /IR3 и R3 = (V CC — V REF )/IR3.
Выберите меньшее из двух результирующих номиналов резисторов. Например, для V CC = 5 В, IR3 = 0,2 мкА и компаратора MAX9117 (V REF = 1,24 В) номиналы двух резисторов составляют 6,2 МОм и 19 МОм. Поэтому для R3 следует выбрать стандартное значение 6.2 МОм.

Шаг 2.

Выберите необходимый диапазон гистерезиса (V HB ). Для этого примера выберите 50 мВ.

Шаг 3.

Рассчитайте R1 по следующей формуле:
Для этого примера введите значение

Шаг 4.

Выберите точку срабатывания для V IN на подъеме (V THR ), чтобы:

Это пороговое напряжение, при котором компаратор переключает свой выход с низкого уровня на высокий, когда V IN поднимается выше точки срабатывания. Для этого примера выберите V THR = 3V.

Шаг 5.

Рассчитайте R2 следующим образом:

Для этого примера выберите стандартное значение 44,2 кОм.

Шаг 6.

Проверьте напряжения срабатывания и гистерезис следующим образом: V IN повышение = 2,992 В, что эквивалентно V REF , умноженному на R1, деленному на параллельную комбинацию R1, R2 и R3:

V IN падение = 2,942В. Следовательно, гистерезис = V THR — V THF = 50 мВ.

Наконец, для компараторов с выходами с открытым стоком и встроенным диапазоном гистерезиса 4 мВ (MAX9016, MAX9018, MAX9020) требуется внешний подтягивающий резистор ( рис. 11 ).Дополнительный гистерезис можно создать с помощью положительной обратной связи, но формулы немного отличаются от формул для двухтактных выходов. Гистерезис = V THR — V THF = 50 мВ. Используйте следующую процедуру для расчета номиналов резисторов:

Шаг 1.

Выберите R3. Входной ток смещения на IN_+ меньше 2 нА, поэтому для минимизации ошибок, вызванных входным током смещения, ток через R3 должен быть не менее 0,2 мкА. Ток через R3 в точке срабатывания равен (V REF — V OUT )/R3.Рассмотрение двух возможных выходных состояний при решении R3 дает две формулы:
R3 = V REF /IR3 и R3 = [(V CC — V REF )/IR3] — R4.
Используйте меньшее из двух результирующих номиналов резисторов. Например, для V CC = 5 В, IR3 = 0,2 мкА, R4 = 1 МОм и компаратора MAX9118 (V REF = 1,24 В) номиналы двух резисторов равны 6,2 МОм и 18 МОм. Поэтому для R3 выберите стандартное значение 6,2 МОм.

Шаг 2.

Выберите необходимый диапазон гистерезиса (V HB ).

Шаг 3.

Рассчитайте R1 по следующему уравнению:

Для этого примера введите значение

Шаг 4.

Выберите точку срабатывания для V IN нарастания (V THR ) так, чтобы

V THR — это пороговое напряжение, при котором компаратор переключает свой выход с низкого уровня на высокий, когда V IN поднимается выше точки срабатывания. Для этого примера выберите V THR = 3V.

Шаг 5.

Рассчитайте R2 следующим образом:

Для этого примера выберите стандартное значение 49.9кОм.

Шаг 6.

Проверьте напряжения срабатывания и гистерезис следующим образом:


Рисунок 11. Добавление гистерезиса к компаратору с выходом с открытым стоком.

Гистерезис операционных усилителей — расчеты и рекомендации по проектированию

В большинстве схем автоматических зарядных устройств в этом блоге вы, возможно, видели операционные усилители с функцией гистерезиса, включенной для некоторых важных функций. В следующей статье объясняется значение и методы проектирования функции гистерезиса в схемах на операционных усилителях.

Чтобы точно узнать, что такое гистерезис, вы можете обратиться к этой статье, в которой гистерезис объясняется на примере реле. Эта схема работает с использованием делителя напряжения (Rx и Ry), чтобы установить минимальное пороговое напряжение.

Компаратор оценивает и сравнивает входной сигнал или напряжение (Vln) с установленным пороговым напряжением (Vth).

Напряжение питания входа компаратора, которое необходимо сравнить, подключается к инвертирующему входу, в результате чего выход будет иметь инвертированную полярность.

Каждый раз, когда Vin > Vth, выход должен приближаться к отрицательному источнику питания (GND или низкий логический уровень для показанной схемы). и когда Vln < Vth, выход будет близок к положительному источнику питания (Vcc = 5 В или высокий логический уровень в этом примере).

Это простое решение позволяет определить, превышает ли подлинный сигнал, например, температуру, заданный пороговый предел.

Тем не менее, использование этой техники может привести к затруднениям. Помехи на входном сигнале потенциально могут привести к переключению входа выше и ниже установленного порога, вызывая несогласованные или флуктуирующие выходные результаты.

Компаратор без гистерезиса

На рис. 3 показана выходная характеристика компаратора без гистерезиса при колебаниях входного напряжения.

Пока напряжение входного сигнала достигает установленного предела (по сети делителя напряжения) (Vth = 2.5В), он настраивается как выше, так и ниже минимального порога несколько раз.

В результате выход также колеблется в соответствии с входом. В реальных схемах этот нестабильный выходной сигнал может легко вызвать неблагоприятные проблемы.

В качестве иллюстрации представьте себе, что входной сигнал является температурным параметром, а выходной отклик — важным приложением, основанным на температуре, которое интерпретируется микроконтроллером.

Колебания отклика выходного сигнала могут не передавать микроконтроллеру достоверную информацию и могут привести к «запутанным» результатам для микроконтроллера на критических пороговых уровнях.

Кроме того, представьте, что выход компаратора требуется для работы двигателя или клапана. Это непоследовательное переключение в пределах пороговых значений может привести к многократным включениям/выключениям клапана или двигателя в течение критических пороговых ситуаций.

включать гистерезис, который, в свою очередь, полностью устраняет дрожание выходного сигнала во время переключения пороговых значений.

Гистерезис использует пару отдельных пределов порогового напряжения, чтобы избежать флуктуирующих переходов, как видно в обсуждаемой схеме.

Подача входного сигнала должна превысить верхний порог (VH) для переключения на низкий выход или ниже нижнего установленного порогового предела (VL) для переключения на высокий выход.

Компаратор с гистерезисом

На рис. 4 показан гистерезис компаратора. Резистор Rh фиксируется на пороговом уровне гистерезиса.

Каждый раз, когда на выходе высокий логический уровень (5 В), Rh остается параллельно Rx. Это подталкивает дополнительный ток к Ry, повышая пороговое предельное напряжение (VH) до 2.7В. Входной сигнал, скорее всего, должен превысить VH=2,7 В, чтобы побудить выходной отклик перейти к низкому логическому уровню (0 В).

Пока на выходе низкий логический уровень (0 В), Rh устанавливается параллельно с Ry. Это снижает ток в Ry, снижая пороговое напряжение до 2,3 В. Входной сигнал должен опуститься ниже VL=2,3 В, чтобы установить на выходе высокий логический уровень (5 В).

Выход компаратора с флуктуирующим входным сигналом

На рис. 5 показан выход компаратора с гистерезисом при флуктуирующем входном напряжении.Предполагается, что уровень входного сигнала превысит верхний пороговый предел (VH = 2,7 В), чтобы выход операционного усилителя опустился до низкого логического уровня (0 В).

Кроме того, уровень входного сигнала должен опускаться ниже нижнего порога, чтобы выход операционного усилителя плавно поднимался до высокого логического уровня (5 В).

Возмущение в этом примере может быть незначительным и поэтому может быть проигнорировано благодаря гистерезису.

Но при этом в случаях, когда уровни входного сигнала превышали расчетный диапазон гистерезиса (2.7В — 2,3В) может привести к возникновению дополнительных флуктуирующих выходных переходных характеристик.

Чтобы исправить это, необходимо расширить настройку диапазона гистерезиса в достаточной степени, чтобы устранить индуцированные помехи в данной конкретной модели схемы.

В разделе 2.1 представлено решение для определения компонентов для фиксации пороговых значений в соответствии с требованиями выбранного вами приложения.

Конструкция гистерезисного компаратора

Уравнения (1) и (2) могут помочь при выборе резисторов, необходимых для создания пороговых напряжений гистерезиса VH и VL.Для произвольного выбора требуется одно значение (RX).

На этом рисунке для RX установлено значение 100k, чтобы уменьшить потребляемый ток. Rh был рассчитан равным 575k, соответственно было введено немедленное стандартное значение 576k. Подтверждение уравнений (1) и (2) представлено в Приложении A.

Rh / Rx = VL / VH — VL

Обсуждение гистерезиса на практическом примере

Возьмем в качестве примера зарядное устройство IC 741. цепи и узнайте, как резистор с гистерезисом обратной связи позволяет пользователю установить отключение полного заряда и восстановление низкого заряда реле за счет некоторой разницы в напряжении.Если бы гистерезис не был введен, реле быстро переключалось бы ВКЛ. ВЫКЛ. на уровне отсечки, вызывая серьезную проблему в системе.

Вопрос был задан одним из преданных читателей этого блога господином Майком.

Почему используется эталонный стабилитрон

Вопрос: 

1) Привет, эта схема очень гениальна!

Но у меня есть несколько вопросов об операционных усилителях компаратора;

Почему для опорного напряжения используются стабилитроны 4,7? Если мы не хотим, чтобы 12 вольт падали ниже 11 для разряда, почему такое низкое значение стабилитрона?

Резистор обратной связи, идущий к виртуальной точке заземления, представляет собой резистор номиналом 100 кОм? Если да, то почему было выбрано это значение?

Спасибо за любую помощь!

2) Также извиняюсь, забыл, зачем там 4. 7 стабилитронов на базе транзисторов BC 547?

3) Также мой последний вопрос на сегодня по этой схеме. Красные/зеленые светодиоды индикации; как светят? Я имею в виду, что красный светодиод подключается через резистор к верхней + шине, подключается к выходу операционного усилителя, затем последовательно идет вниз к зеленому светодиоду.

Казалось бы, они оба должны быть включены одновременно, поскольку они включены последовательно в обеих цепях.

Это как-то связано с цепью обратной связи и виртуальной землей? О, я думаю, я могу видеть.Итак, когда операционный усилитель выключен, верхний красный светодиод

Ток проходит через резистор обратной связи (таким образом, он «включен») к виртуальной точке заземления? Но как его отключить, когда у операционного усилителя есть выход? Когда операционный усилитель получает выход, я вижу, что он переходит к зеленому светодиоду, но как в этом состоянии красный светодиод выключается?

Еще раз спасибо за любую помощь!

My Reply

4. 7 не является фиксированным значением, его также можно изменить на другие значения, предустановка контакта № 3 в конечном итоге настраивает и калибрует порог в соответствии с выбранным значением стабилитрона.

Вопрос

Итак, опорное напряжение соответствует стабилитрону на выводе 2 (операционный усилитель, вид сверху) правильно? Резистор обратной связи 100 кОм и потенциометр создают значение гистерезиса (имеется в виду, что разница между контактами 2 и 3 заставляет операционный усилитель колебаться высоко до напряжения + шины)?

Операционный усилитель в этой конфигурации всегда пытается заставить контакты 2 и 3 получать одинаковое значение через резистор обратной связи, правильно (ноль, так как делитель обратной связи @ 0, а контакт 3 @ земля)?

Я видел этот контроллер солнечного зарядного устройства, сделанный без обратной связи, просто с использованием нескольких операционных усилителей с контактами опорного напряжения и потенциометром на другом.

Я просто пытаюсь понять, как в этом случае работает гистерезис. Я не понимаю математики в этой схеме. Абсолютно ли необходима предустановленная обратная связь 100k 10k?

В других схемах на операционных усилителях не используется обратная связь, просто используйте их в режиме конфигурации компаратора с опорным напряжением на инвертированном/неинвертированном выводе, и когда оно превышено, операционный усилитель переключается на напряжение на шине

Что такое обратная связь делает? Я понимаю формулу усиления операционного усилителя, в данном случае это 100 кОм/10 кОм x разность напряжений от значения напряжения POT (предустановленного) и 4.7 стабилитрон?

Или это триггер Шмидта с гистерезисной схемой UTP LTP

Я все еще не получаю обратной связи с 100k/10k; большинство компараторов операционных усилителей, которые я видел, просто используют операционные усилители в режиме насыщения, не могли бы вы объяснить, почему обратная связь и усиление для этого?

Хорошо, я дурак; предустановка 10K используется для разделения напряжения от 12-вольтовой шины, верно? Так когда же его заданное значение по данным POT wiper больше? чем стабилитрон 4,7 В, мы качаем операционный усилитель высоко? до сих пор не получил обратную связь 100 кОм и почему она используется в схеме компаратора

Почему используется резистор обратной связи

Мой ответ

Пожалуйста, обратитесь к приведенному выше примеру рисунка для понимания того, как резистор обратной связи работает в схеме ОУ

I Я уверен, что вы знаете, как работают делители напряжения? Как только обнаруживается полный порог заряда

, в соответствии с предустановленной настройкой вывода № 3 напряжение на выводе № 3 становится чуть выше, чем напряжение стабилитрона на выводе № 2, это заставляет выход операционного усилителя переключиться на уровень питания от его предыдущий ноль вольт. … это означает, что оно мгновенно изменяется, скажем, от 0 до 14 В.

В этой ситуации мы можем теперь предположить, что обратная связь подключена между «плюсовым питанием» и контактом № 3… когда это происходит, резистор обратной связи начинает подавать эти 14 В на контакт № 3, что означает, что он дополнительно усиливает заданное напряжение и добавляет несколько дополнительных вольт в зависимости от значения его сопротивления, технически это означает, что эта обратная связь становится параллельной с предустановленным резистором, который установлен между его центральным плечом и положительным плечом.

Итак, предположим, что во время перехода контакт № 3 был 4.8 В, и это переключило выход на уровень питания и позволило питанию вернуться к контакту № 3 через резистор обратной связи, что привело к тому, что контакт № 3 стал немного выше, скажем, на 5 В … из-за этого контакта № 3. напряжению потребуется больше времени, чтобы вернуться ниже уровня значения стабилитрона 4,7 В, потому что оно было повышено до 5 В . .. это называется гистерезисом.

Оба светодиода никогда не загорятся, потому что их соединение соединено с контактом № 6 операционного усилителя, который будет либо при 0 В, либо при напряжении питания, что обеспечит загорание либо красного светодиода, либо зеленого, но никогда вместе.

Что такое гистерезис

Вопрос

Спасибо за ответы на все мои вопросы, особенно на вопрос об обратной связи, которая кажется немного продвинутой конфигурацией, так что для меня это новинка, будет ли работать эта опция схемы низкого напряжения; 14 вольт на не инвертированном, 12 вольт стабилитрона на инвертированном эталонном выводе.

Как только напряжение на шине 14 В пост. тока падает до 12, выход операционного усилителя отключается. Это активирует низковольтную часть цепи. В вашем случае потенциометр на 10 кОм просто «регулирует», «делит» или приводит 14-вольтовую шину к напряжению, близкому к 4.7zener? Вы все еще контролируете 14 В постоянного тока.

Я имею в виду, что как только оно достигает 11 В постоянного тока и т. д., вам нужен коэффициент, при котором операционный усилитель будет высоким. если вы замените 4,7 на другое значение стабилитрона, делитель потенциометра установит новое соотношение, но потенциометр все еще «следует» или в соотношении с шиной 14 В постоянного тока? Вместо того, чтобы подавать 14 В постоянного тока на один вывод операционного усилителя, вы пропускаете его через делитель, но соотношение по-прежнему контролирует небольшое падение, скажем, с 14 В постоянного тока до 11 В постоянного тока через потенциометр 10K, которое упадет до 4,7 В?

Я просто пытаюсь понять, как схема закрывает «разброс» от 11 В постоянного тока (где мы хотим, чтобы была уставка низкого напряжения) и опорного напряжения 4.7 В постоянного тока. большинство схем компараторов, которые я видел, имеют только опорное напряжение постоянного тока на выводе 2, например, 6 В постоянного тока. и напряжение рельса, скажем, 12 В постоянного тока. Затем потенциометр устанавливает делитель от этой шины 12 В постоянного тока, падает, скажем, до 6 В постоянного тока через среднюю точку делителя. Как только напряжение на контакте 3 приближается к эталонному значению 6 В постоянного тока на контакте 2, операционный усилитель колеблется в соответствии с его конфигурацией (инвертированный или неинвертированный)

Возможно, здесь я ошибаюсь — в других схемах, которые я смотрел. , напряжение на шине предполагается жестким, но в этом случае оно упадет. Это падение (от 14 В постоянного тока до 11 В постоянного тока) нарушает коэффициент делителя напряжения 10 000?

И вы используете это соотношение для ссылки на 4.7 стабилитрон? поэтому, если у вас есть потенциометр 10 кОм в его среднем положении 5 кОм, этот делитель установит 14 В постоянного тока на 7 В постоянного тока (R2 / R1 + R2), если шина 14 перейдет на 11 В постоянного тока, среднее положение делителя теперь будет 5,5, так что это зависит от того, где находится стеклоочиститель, я начинаю его понимать?

Мы просто регулируем стеклоочиститель до тех пор, пока 4,7 не будет соответствовать делителю напряжения и нужному падению напряжения?

, то есть в этой схеме используются обычные принципы компаратора операционных усилителей, но с добавленным эффектом гистерзиса для контроля уставки низкого напряжения?

Мой ответ

Да, вы все правильно поняли.

Стабилитрон на 12 В также будет работать, но это заставит операционный усилитель переключаться между 12 В и 12,2 В, система обратной связи позволяет операционному усилителю переключаться между 11 В и 14, В, это главное преимущество использования гистерезисного резистора обратной связи.

Аналогично, в моем случае, если бы резистор обратной связи был удален, операционный усилитель начал бы часто колебаться между уровнем отсечки 14,4 В и уровнем возврата 14,2 В. потому что в соответствии с настройкой предустановки 10K операционный усилитель отключался при 14,4 В, и как только напряжение батареи падало на несколько милливольт, операционный усилитель снова выключался, и это продолжалось непрерывно, вызывая постоянное включение / выключение. переключение реле.

Однако описанная выше ситуация была бы нормальной, если бы вместо реле использовалось транзистор.

Вопрос

Обычно то, что я вижу в компараторах, представляет собой фиксированное напряжение, как у вас на контакте 2, обычно через делитель напряжения или стабилитрон и т. д., затем на контакте 3 переменное напряжение от источника — потенциометра — земли в конфигурации с очистителем ( горшок) посередине и стеклоочиститель найдет уставку контакта 2.

В вашем случае 4.7 фиксированное напряжение стабилитрона и качайте операционный усилитель примерно на его рельсы, согласно его конфигурации, где сбивает с толку то, что дворник 10K в вашей схеме устанавливается в 14.4 вольта? Тогда это должно отключить стабилитрон 4,7? Я не понимаю совпадения?

Как настроить точки срабатывания порога

Мой ответ

Сначала мы устанавливаем верхний порог отключения через потенциометр, подавая 14,4 В от переменного источника питания с отключенным резистором обратной связи.

После того, как вышеперечисленное установлено, мы подключаем правильно выбранный гистерезисный резистор в слот, а затем начинаем уменьшать напряжение, пока не обнаружим, что операционный усилитель отключается при желаемом более низком уровне, скажем, 11 В.

идеально настраивает схему.

СЕЙЧАС, прежде чем подтверждать это практически, убедитесь, что сначала подключена батарея, а затем включено питание.

это важно для того, чтобы блок питания мог снизить уровень заряда батареи и начать с уровня, точно равного уровню разрядки батареи.

вот и все, после этого все идет гладко с операционным усилителем, следующим схеме отсечки, установленной пользователем.

Еще одна важная вещь заключается в том, что ток источника питания должен составлять около 1/10 Ач батареи, чтобы источник питания мог легко отключаться при первоначальном уровне заряда батареи.

Вопрос

Да, я думал, что без гистерезиса это не сработает. Если я поставлю 7 стабилитрон на вывод 2, через делитель напряжения 5к на выводе 3 поставлю Vin на 7 вольт, а в цепи разряженный аккумулятор, то как только аккумулятор зарядится до 14 вольт, реле сработает и потяните нагрузку, но нагрузка немедленно сбросит 7 на потенциометре, поэтому реле выпадет. Без гистерезиса теперь понятно, почему бы не работать, спасибо

Мой ответ

Даже без нагрузки батарея никогда не цепляется за 14. 4В и сразу попытается успокоиться примерно до 12,9В или 13В.

Когда операционный усилитель o/p колеблется в (+), он становится таким же хорошим, как шина питания, что означает, что резистор обратной связи соединяется с шиной питания, что также означает, что контакт № 3 дополнительно подвергается отдельному параллельному напряжению. к заданному сопротивлению верхней секции, соединенной с шиной питания.

Это добавленное напряжение от обратной связи заставляет контакт № 3 повышаться с 4,7 В до, скажем, 5 В … это меняет расчет для контакта 3/2 и заставляет операционный усилитель оставаться заблокированным до тех пор, пока 5 В не упадет ниже 4.7 В, что происходит только тогда, когда напряжение батареи падает до 11 В… без этого операционный усилитель постоянно переключался между 14,4 В и 14,2 В

Что такое полное напряжение зарядки и гистерезис

Следующее напряжение полного заряда свинцово-кислотных аккумуляторов и значение гистерезиса в системах зарядки аккумуляторов. Вопросы задавал г-н Гириш

Обсуждаем параметры зарядки аккумулятора
У меня есть пара вопросов, которые заставляют меня почесать голову:
1) Какое полное напряжение аккумулятора для стандартного свинцово-кислотного аккумулятора, при каком напряжении требуется аккумулятор отключить от зарядного устройства.Каким должно быть напряжение плавающего заряда свинцово-кислотного аккумулятора?
2) Имеет ли значение гистерезисный резистор в цепи компаратора? без него нормально будет работать? Я гуглил и нашел много запутанных ответов. Я надеюсь, что вы можете ответить. Проекты в пути.
С уважением.

Отключение при полной зарядке и гистерезис
Hi Girish,
1) Для 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи полный заряд от источника питания составляет 14,3 В (предел отсечки), плавающий заряд может быть наименьшим значением тока при этом напряжение, которое предотвращает саморазряд батареи, а также предотвращает перезарядку батареи.

Как правило, этот ток может составлять около Ач/70, что в 50-100 раз меньше, чем номинал Ач батареи.
Гистерезис требуется в операционных усилителях, чтобы они не создавали флуктуирующий выходной сигнал (ВКЛ/ВЫКЛ) в ответ на флуктуирующий входной сигнал, который контролируется операционным усилителем.

Например, если операционный усилитель без функции гистерезиса сконфигурирован для отслеживания ситуации перезарядки в системе зарядки аккумуляторов, то при полном уровне заряда, как только он отключает зарядное питание для аккумулятора, аккумулятор будет демонстрировать тенденцию к разрядке. сбросьте его напряжение и попытайтесь успокоиться в более низком положении напряжения.

Это можно сравнить с нагнетанием воздуха в трубку, пока есть давление нагнетания, воздух внутри трубки держится, но как только накачивание прекращается, трубка начинает медленно сдуваться… то же самое происходит и с батареей.

Когда это происходит, входное задание операционного усилителя возвращается, а его выходу предлагается снова включить зарядку, что снова подталкивает напряжение батареи к более высокому порогу отсечки, и цикл продолжает повторяться……. это действие создает быстрое переключение выхода операционного усилителя при пороге полного заряда.Это условие обычно не рекомендуется в любой системе компаратора, управляемой операционным усилителем, и это может привести к дребезгу реле.

Чтобы предотвратить это, мы добавляем гистерезисный резистор между выходным контактом и сенсорным контактом операционного усилителя, так что на пределе отсечки операционный усилитель отключает свой выход и фиксируется в этом положении, и до тех пор, пока сенсорный контакт входной сигнал действительно упал до небезопасного нижнего предела (при котором гистерезис операционного усилителя не может удерживать защелку), затем операционный усилитель снова включается.

Загрузите оригинальный контент здесь:

https://www.homemade-circuits.com/wp-content/uploads/2021/03/op-amp-hysteresis-calculations.pdf

Если у вас есть дополнительные сомнения относительно напряжения полного заряда свинцово-кислотных аккумуляторов и значения гистерезиса в системах зарядки аккумуляторов, не стесняйтесь размещать их в комментариях.

Схемы компараторов — обзор

Что такое операционный усилитель?

Вы понимаете, как работает операционный усилитель? Поверите ли вы, что операционные усилители были разработаны для того, чтобы упростить создание схемы? Вы, наверное, не думали, что в последний раз ломали голову над плохо себя ведущей макетной платой в лаборатории.

В сегодняшнем цифровом мире, кажется, обычной практикой является быстрое обсуждение темы операционных усилителей, давая учащимся пыль от часто используемых формул без реального объяснения цели или теории, лежащей в их основе. Затем, когда новый инженер впервые проектирует схему операционного усилителя, результатом становится полная путаница, когда схема работает не так, как ожидалось. Это обсуждение предназначено для того, чтобы дать некоторое представление о внутренностях операционного усилителя и дать читателю интуитивное понимание операционных усилителей.

И последнее замечание: обязательно сначала прочтите этот раздел! По моему мнению, одна из причин оп-фузии (путаницы с операционными усилителями), как я люблю это называть, заключается в том, что теория преподается не по порядку. Существует очень конкретный порядок изучения теории, поэтому, пожалуйста, разберитесь в каждом разделе, прежде чем двигаться дальше. Во-первых, давайте взглянем на символ операционного усилителя (см. рис. 3.8 на следующей странице).

Рисунок 3.8. Ваш основной операционный усилитель.

Имеется два входа, один положительный и один отрицательный, обозначенные знаками + и -.Есть один выход.

Входы имеют высокое сопротивление. Я повторяю. Входы имеют высокое сопротивление. Позвольте мне сказать это еще раз. Входы имеют высокое сопротивление! Это означает, что они (практически) не влияют на схему, к которой они подключены. Запишите это, потому что это очень важно. Мы поговорим об этом более подробно позже. Об этом важном факте обычно забывают, и он усугубляет путаницу, о которой я упоминал ранее.

Низкоомный выход.Для большинства анализов лучше всего рассматривать его как источник напряжения. Теперь представим операционный усилитель, как на рис. 3.9, двумя отдельными символами.

Рисунок 3.9. Что на самом деле находится внутри операционного усилителя?

Здесь вы видите блок суммирования и блок усиления. Возможно, вы помните похожие символы из своего курса теории управления. На самом деле они не просто похожи — они совершенно одинаковы. Теория управления работает для операционных усилителей. (Позже на эту тему будет больше информации.)

Во-первых, давайте обсудим блок суммирования.Вы заметите, что на суммирующем блоке есть положительный и отрицательный вход, как и на операционном усилителе. Признайте, что отрицательный вход представляет собой напряжение в этой точке, умноженное на -1. Таким образом, если у вас есть 1 В на положительном входе и 2 В на отрицательном входе, выход этого блока равен -1. Выход этого блока представляет собой сумму двух входов, где один из входов умножается на -1. Его также можно рассматривать как разницу двух входных данных, представленную следующим уравнением:

Ур.3.1Vs=(V+)-(V-)

Теперь мы подошли к блоку усиления. Переменная G внутри этого блока представляет величину усиления, которое операционный усилитель применяет к сумме входных напряжений. Это также известно как коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя . В этом случае мы будем использовать значение 50 000. Я слышу, как вы говорите: «Как же так? Схема усиления, которую я только что построил с помощью операционного усилителя, не работает так высоко!» Просто доверься мне на мгновение. Вскоре мы перейдем к приложениям усиления.Просто найдите коэффициент усиления без обратной связи в таблице данных производителя. Вы увидите, что этот уровень усиления или даже выше типичен для большинства операционных усилителей.

Теперь давайте проведем небольшой анализ. Что будет на выходе, если на положительный вход подать 2 В, а на отрицательный вход 3 В? Я рекомендую вам попробовать это на макетной плате. Я хочу, чтобы вы увидели, что операционный усилитель может и будет работать с разными входными напряжениями. Однако немного математики и немного здравого смысла также покажут нам, что произойдет.Например:

Уравнение. 3,2 В на выходе = 50 000 * (2-3), или -50 000 В

Теперь, если у вас нет операционного усилителя на 50 000 В, подключенного к биполярному источнику питания на 50 000 В, вы не увидите на выходе -50 000 В. Что вы увидите? Подумайте об этом за минуту до того, как будете читать дальше. Выход пойдет на минимальную рейку. Другими словами, он будет стараться стать как можно более негативным. Это имеет большой смысл, если вы думаете об этом таким образом. Выход должен перейти к −50 000 В и подчиняться предыдущей математике. Он не может добраться туда, поэтому он подойдет как можно ближе.Рельсы операционного усилителя подобны рельсам железнодорожных путей; поезд будет оставаться на своих рельсах, если это вообще возможно. Точно так же, если операционный усилитель будет вынужден выйти за пределы своих рельсов, произойдет катастрофа, и из микросхемы выйдет пресловутый волшебный дым. Рейка — это максимальное и минимальное напряжение, которое может выдать операционный усилитель. Как вы понимаете, это зависит от источника питания и выходных характеристик операционного усилителя. Хорошо, поменяй входы. Теперь верно следующее:

Ур. 3,3Ввых=50000*(3-2), или +50000В

Что теперь будет? Выход пойдет на максимальную рейку.Как узнать, где находятся выходные шины операционного усилителя? Как отмечалось ранее, это зависит от используемого вами источника питания и конкретного операционного усилителя. Вам нужно будет проверить техническое описание производителя для этой информации. Предположим, что мы используем LM324 с односторонним питанием +5 В. В этом случае выход будет очень близок к 0 В при попытке стать отрицательным и около 4 В при попытке стать положительным.

На этот раз я хотел бы кое-что отметить. Входы операционного усилителя не равны друг другу.Много раз я видел, как инженеры ожидали, что эти входные данные будут одинаковыми. На этапе анализа разработчик придумывает токи, поступающие на входы устройства, чтобы это произошло (помните, входы с высоким импедансом, практически нулевой ток). Потом когда пробует, то смущается, что он может мерить разные напряжения на входах.

В особом случае, который мы обсудим в следующем разделе, можно сделать предположение, что эти входы равны. Это , а не общий случай! Это распространенное заблуждение.Вы не должны попасть в эту ловушку, иначе вы вообще не будете разбираться в операционных усилителях.

В предыдущих примерах показано очень изящное применение операционных усилителей: схема компаратора. Это отличная маленькая схема для преобразования из аналогового мира в цифровой. Используя эту схему, вы можете определить, является ли один входной сигнал выше или ниже другого. Фактически многие микроконтроллеры используют схему компаратора в процессах аналого-цифрового преобразования. Схемы компараторов используются повсюду вокруг нас.Как вы думаете, как уличный фонарь узнает, когда достаточно темно, чтобы его включить? Он использует схему компаратора, подключенную к датчику освещенности. Как светофор узнает, что над датчиками находится автомобиль, чтобы включить цикл на зеленый? Вы можете поспорить, что там есть схема компаратора.

Правила большого пальца

Входы имеют высокое сопротивление; они оказывают незначительное влияние на цепь, к которой подключены.

На входы могут подаваться разные напряжения; они должны быть равны , а не .

Коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи составляет очень высокий.

Из-за высокого коэффициента усиления без обратной связи и ограничений по выходу операционного усилителя, если один вход выше другого, выход будет «зацикливаться» на своем максимальном или минимальном значении. (Это приложение часто называют схемой компаратора . )

Как обеспечить гистерезис (триггер Шмитта) для компаратора? | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

Как правило, компараторы * используются для определения того, является ли входное напряжение выше или ниже опорного напряжения. В шумной среде медленно изменяющееся входное напряжение или входное напряжение, близкое к пороговому, может привести к многократному пересечению выходом V OH или V OL . Этой нежелательной ситуации можно избежать, используя компаратор с зоной нечувствительности (ΔV) или, точнее, компаратор с разными порогами положительного (V IH ) и отрицательного (V IL ) порогов, как показано на рисунке. 1.
Эффект наличия двух пороговых значений в зависимости от предшествующего состояния называется характеристикой гистерезиса.

Хотя существует несколько типов схем, которые обеспечивают компаратор с гистерезисом (триггер Шмитта), их объединяет петля положительной обратной связи от выхода к входу компаратора. На рис. 2 показан простейший компаратор с гистерезисом. Предполагается, что компаратор имеет двухтактный выход с идеальными характеристиками (т. е. бесконечное входное сопротивление и нулевое выходное сопротивление), а выходное сопротивление эталонного источника питания равно нулю.

Предположим, что на вход IN (-) подается напряжение ниже В IL .В это время выходное напряжение равно V OH . Это напряжение подается обратно на вход IN (+) через R 2 . В то же время V ref также подается на вход IN (+) через R 1 . Поскольку компаратор имеет бесконечное входное сопротивление, напряжение IN (+) рассчитывается следующим образом:
V IN(+) = (V OH – V ref ) x R 1 / (R 1 + R 2 ) + V ref 090 90 90 90 (1) = V CC , уравнение 1 показывает, что выходное напряжение идеального компаратора выше, чем V ref .Поэтому, как только выход переходит в логический высокий уровень, выходу становится трудно вернуться в логический низкий уровень. Пусть напряжение IN (+) в это время равно V IH .
Далее предположим, что на вход IN (-) подается напряжение выше V IH . Затем V OUT переходит в низкий логический уровень (V OL ).

В настоящее время V IN(+) рассчитывается следующим образом:
V IN(+) = (V OL – V ref ) x R 1 / (R 1 + R 2 ) + V ref  0 7 VOL 0 8 (11) 900 меньше, чем V ref , первый член в правой части этого уравнения отрицательный.Следовательно, V IN(+) ниже, чем V ref .
Таким образом, как только выход переходит в логический низкий уровень, необходимо подать еще более низкое напряжение на V IN(+) , чтобы вернуть выходной сигнал в высокий логический уровень.
Таким образом, компаратор операционного усилителя с положительной обратной связью имеет гистерезис.

Из уравнений 1 и 2 диапазон гистерезиса (ΔV) рассчитывается как (V OH – V OL ) x R 1 / (R 1 + R 2 ) с центром вокруг V реф. .

операционных усилителей, схема компаратора | Renesas

Введение в электронные схемы: 3 из 3

На этом занятии мы рассмотрим операционные усилители («операционные усилители») и их использование в усилителях и компараторах.

Операционные усилители: вездесущие ИС с многочисленными приложениями

Операционный усилитель работает на аналоговом входе. Его можно использовать для усиления или ослабления этого входного сигнала, а также для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование.Благодаря широкому спектру применения операционные усилители встречаются в большинстве электрических схем.

Типичный операционный усилитель, показанный на рис. 1, оснащен неинвертирующим входом (Vin (+)), инвертирующим входом (Vin (-)) и выходом (Vout). Хотя это и не показано на схеме, операционный усилитель также имеет два входа питания (положительный и отрицательный), а также может включать вход смещения и другие клеммы.

Рис. 1. Схема операционного усилителя

Основная функция операционного усилителя заключается в значительном усилении разницы между двумя входными сигналами и выводе результата.Если вход на V (+) больше, чем на V (-), операционный усилитель будет усиливать и выводить положительный сигнал; если V (-) больше, операционный усилитель будет выводить усиленный отрицательный сигнал. Две другие особенности типичного операционного усилителя: (а) очень высокий входной импеданс и (б) очень низкий выходной импеданс.

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя очень высок, даже небольшие различия во входных сигналах быстро приведут выходное напряжение к его максимальному или минимальному значению. По этой причине операционные усилители обычно подключаются к отрицательной обратной связи.Давайте посмотрим на пример.

Основы операционных усилителей (1): схема инвертирующего усилителя

Схема, показанная на рис. 2, усиливает и инвертирует (обращает фазу) входной сигнал и выводит результат. В схеме используется отрицательная обратная связь: часть выходного сигнала инвертируется и возвращается на вход. В этом примере обратная связь возникает из-за того, что выход Vout подключен через резистор R2 к инвертирующему входу (-).

Давайте посмотрим, как работает эта схема.Если выход не подключен к силовому напряжению, то напряжения, подаваемые на инвертирующий (-) и неинвертирующий (+) входы, равны; два входа действуют так, как если бы они были закорочены друг на друга; мы можем представить воображаемый короткий. Поскольку разница напряжений между этим воображаемым коротким замыканием и неинвертирующим входом равна 0 В, точка A также будет иметь 0 В. По закону Ома мы имеем I 1  = Vin/R 1 .

Рисунок 2: Схема инвертирующего усилителя

Поскольку операционные усилители имеют чрезвычайно высокий входной импеданс, на инвертирующий вход (-) практически не поступает ток.Соответственно I 1  течет через точку A и R 2 ; это означает, что I 1 и I 2 практически равны. Тогда по закону Ома имеем Vout = −I 1  × R 2 , где I 1 отрицательно, так как I 2  вытекает из точки A, где напряжение равно 0. Взглянем на это по-другому. : любая попытка повысить входное напряжение на инвертирующем входе (-) приводит к инвертированному и сильно усиленному выходному напряжению, которое течет в обратном направлении, проходя через R 2 и подключаясь к инвертированному входу (-), тем самым подавляя рост напряжения на этом входе. Терминал.Система стабилизируется при выходном напряжении, которое доводит напряжение на инвертирующем входе (-) до 0 В, что эквивалентно напряжению на неинвертирующем входе.

Теперь давайте посмотрим, как мы можем использовать соотношение между входом и выходом, чтобы найти коэффициент усиления операционного усилителя. В частности, Vout/Vin = (-I 1  × R 2 ) / (I 1  × R 1 ) = -R 2 /R 1 . Коэффициент усиления отрицательный, поскольку фаза выходного сигнала противоположна фазе входного сигнала.

Важно отметить, что в приведенном выше уравнении усиление полностью определяется соотношением сопротивлений R 2  и R 1 . Соответственно, изменить коэффициент усиления можно просто заменой сопротивлений. Таким образом, несмотря на то, что сам операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления, правильное использование отрицательной обратной связи может уменьшить фактическое усиление до желаемого уровня.

Основы работы с операционными усилителями (2): схема неинвертирующего усилителя

В предыдущем разделе мы видели, как можно использовать операционный усилитель для реализации инвертирующего усилителя.На рис. 3 показано, как мы можем использовать его для создания неинвертирующего усилителя. Неинвертирующий усилитель отличается от инвертирующего по двум основным параметрам: (1) форма выходного сигнала находится в фазе с формой входного сигнала, и (2) входной сигнал поступает на неинвертирующий входной разъем (+). Но обратите внимание, что и в неинвертирующих, и в инвертирующих схемах используется отрицательная обратная связь.

Так как же работает эта схема? У нас все еще есть мнимое короткое замыкание, что означает, что неинвертирующий (+) и инвертирующий (-) входы находятся под напряжением Vin.Так что точка A также находится на Vin. Закон Ома говорит нам, что напряжение на R 1  Vin = R 1  × I 1 . А поскольку ни на один из входов операционного усилителя ток практически не поступает, отсюда следует, что I 1  = I 2 . А так как Vout представляет собой сумму напряжений на R 1 и R 2 , мы знаем, что Vout = R 2 × I 2 + R 1 × I 1 . Мы можем изменить эти выражения, чтобы найти усиление G, например: G = Vout/Vin = (1 + R 2 /R 1 )

Рисунок 3: Схема неинвертирующего усилителя

Поскольку этот усилитель сохраняет фазу, его часто можно найти в приложениях, в которых важны фазовые соображения.

Обратите также внимание, что если R 1 удалить из цепи, а R 2 установить на 0 Ом (или замкнуть накоротко), цепь станет повторителем напряжения с коэффициентом усиления 1. Этот тип схемы часто используется для буферизации. схемы и схемы преобразования импеданса.

Схема компаратора

Схема компаратора сравнивает два напряжения и выводит либо 1 (напряжение на положительной стороне; VDD на иллюстрации), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше.Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли ввод некоторого заданного значения. В большинстве случаев компаратор реализуется с использованием специальной микросхемы компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. На диаграммах компараторов и диаграммах операционных усилителей используются одни и те же символы.

На рис. 4 показана схема компаратора. Прежде всего обратите внимание, что в схеме не используется обратная связь. Схема усиливает разность напряжений между Vin и VREF и выводит результат на Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout поднимется до своего положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне.Если Vin ниже, чем VREF, то Vout упадет до отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

На практике эту схему можно улучшить, включив гистерезисный диапазон напряжения, чтобы уменьшить ее чувствительность к шуму. Схема, показанная на рис. 5, например, обеспечит стабильную работу даже при несколько зашумленном сигнале Vin.

Рисунок 4: Схема компаратора

Рисунок 5: Схема компаратора с гистерезисом

Цепь генератора с положительной обратной связью

Обратная связь относится к возврату части выхода схемы обратно на вход схемы с целью некоторого регулирования схемы.При отрицательной обратной связи более высокая обратная связь снижает выход схемы. При положительной обратной связи, как в приведенном здесь примере, более высокая производительность увеличивает производительность. Когда положительная обратная связь включена в схему с положительным усилением, схема становится генератором.

Существует множество типов генераторных цепей. На рис. 6 показан пример нестабильного мультивибрационного генератора.

Рисунок 6: Схема нестабильного мультивибратора

Эта схема называется нестабильной, потому что она нестабильна при обоих максимальных напряжениях, напряжении V L на положительной стороне и -V L на отрицательной стороне, и будет колебаться между этими двумя уровнями.Давайте посмотрим, как работает эта схема. Во-первых, обратите внимание, что выходное напряжение Vout проходит через R 2 и возвращается на неинвертирующий вывод операционного усилителя (+), образуя цепь положительной обратной связи. Обратите также внимание на то, что Vout, R 3 и C составляют схему RC-интегратора; или, другими словами, часть напряжения Vout будет постепенно заряжать конденсатор.

В начале цепь обратной связи быстро доводит Vout до максимального положительного выхода (равного V L ).Но схема интегратора R3 (R 3  и C) постепенно увеличивает напряжение на инвертирующем входе (-), пока через определенное время это напряжение не станет выше, чем напряжение на неинвертирующем входе (+). Когда это происходит, на дифференциальный вход подается отрицательное напряжение, быстро снижающее Vout до максимума на отрицательной стороне (-V L ).

Однако теперь, когда Vout находится на отрицательной стороне, схема интегратора R 3  начинает постепенно повышать отрицательное напряжение на инвертирующем выводе (-).И снова, через определенное время, это отрицательное напряжение становится больше, чем напряжение на неинвертирующем выводе (+), вызывая ввод положительного напряжения на дифференциальный вход, который быстро возвращает Vout обратно к своему максимуму положительной стороны ( В Л ). Эта последовательность продолжает повторяться, заставляя Vout колебаться вверх и вниз между V L и — V L .

Author:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.