Srovnávací obvody využívající IC 741, IC 311, IC 339

Základní funkcí komparátoru obvodu je porovnat dvě úrovně napětí na jeho vstupních pinech a vytvořit výstup, který ukazuje, které vstupní napětí má větší potenciál než ostatní.

V tomto článku se podrobně naučíme, jak správně navrhovat komparační obvody pomocí populárních integrovaných obvodů, jako jsou IC 741, IC 311 a IC LM339

Rozdíl mezi komparátorem a operačním zesilovačem

IC 741 je ideálním příkladem jediného operačního zesilovače a IC LM311 lze považovat za dobrý příklad vyhrazeného jediného komparátoru.

Obě tyto jednotky najdete uvnitř se stejným symbolem zařízení ve tvaru trojúhelníku, který běžně rozpoznáváme a používáme pro kreslení komparátorových obvodů. Výstupní odezva těchto dvou forem komparátorů však může mít několik zásadních rozdílů.

Ačkoli operační zesilovač a komparátor lze konfigurovat pro porovnání rozdílových signálů na jejich vstupních pinech, hlavní rozdíly mezi těmito dvěma protějšky jsou:

• V napájeném stavu bude výstup operačního zesilovače kladný nebo záporný v závislosti na úrovních napětí vstupního kolíku, ale nikdy nemůže být otevřený. Naproti tomu výstup komparátoru může být otevřený nebo uzemněný (záporný) nebo plovoucí.
• Výstup operačního zesilovače může fungovat bez jakýchkoli pull up nebo pull down rezistorů, ale komparátor bude vždy vyžadovat externí pull-up nebo pull down rezistor, aby výstupní stupeň fungoval normálně.
• Operační zesilovač lze použít k vytvoření obvodů zesilovače s vysokým ziskem, pro takové aplikace nelze použít komparátor.
• Odezva přepínání výstupu operačního zesilovače je obvykle pomalejší ve srovnání s komparátorem IC.

Klasický design komparátorového obvodu lze vidět na následujícím obrázku:

Zde výstup odpovídá „vysokým“ digitálním signálem, kdykoli je napětí na neinvertujícím (+) vstupu vyšší než invertující (-) vstup. Naproti tomu výstup přemění nízký digitální signál, kdykoli je neinvertující vstupní napětí nižší než invertující vstupní napětí.

S odkazem na výše uvedený obrázek výše vidíme standardní připojení komparačního obvodu, který má jeden vstup (v tomto příkladu invertující vstup) nakonfigurovaný s referenčním napětím a druhý vstupní kolík, který je neinvertujícím vstupem připojeným k napětí vstupního signálu .

Během doby, kdy je Vin udržováno na nižším napětí, než je referenční napětí +2 V, zůstává výstup nízký kolem -10 V. Pokud je Vin zvýšen těsně nad +2 V, výstup okamžitě změní stav a otočí se vysoko kolem + 10 V. Tato změna stavu na výstupu z -10 V na +10 V naznačuje, že Vin se stal vyšší než referenční +2 V.

Hlavní složkou uvnitř jakéhokoli komparátoru je obvod operačního zesilovače, který je nastaven na velmi vysoký zisk napětí. Abychom mohli přesně studovat práci komparátoru, můžeme si vzít příklad IC 741, jak je uvedeno níže:

Zde vidíme, že invertující vstupní pin2 (-) je odkazován na zem nebo na úroveň 0 V. Na pin3, který je neinvertujícím vstupem operačního zesilovače, je přiveden sinusový signál. Tento střídavě se měnící sinusový signál způsobí, že se výstup přepne mezi vysokým a nízkým výstupním stavem, jak je uvedeno na pravé straně obrazu.

Když se vstup Vin pohybuje dokonce o milivolt nad 0 V referencí, rozdíl je zesílen interním operačním zesilovačem IC s vysokým ziskem, což způsobí, že výstup bude vysoký na úrovni kladné sytosti výstupu. Tato podmínka je udržována tak dlouho, dokud signál Vin zůstane nad referenční hodnotou 0 V.

Nyní, jakmile úroveň signálu poklesne o stín pod referenční hodnotu 0 V, je výstup řízen na nižší úroveň sytosti. Tato podmínka je opět zachována, pokud vstupní signál Vin zůstává pod referenční úrovní 0 V.

Výše uvedené vysvětlení a křivka na obrázku jasně ukazují digitální odezvu výstupu pro lineárně se měnící vstupní signál.

U normálních aplikací nemusí být referenční úroveň na 0 V, ale může to být jakákoli kladná úroveň podle požadavku. A v případě potřeby může být reference také připojena buď ke kladnému nebo zápornému napájecímu vedení, zatímco vstupní signál je aplikován na druhý vstupní kolík.

Použití IC 741 jako komparátoru

V následujícím příkladu se naučíme, jak efektivně použijte operační zesilovač jako komparátor

Na obrázku vidíme obvod operačního zesilovače pracující s kladnou referencí nastavenou na jeho invertujícím vstupním pinu (-). Výstup je připojen pomocí LED.

Pomocí vzorce sítě děliče napětí můžeme vypočítat hodnotu referenčního napětí na (-) vstupním kolíku IC.

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

Vzhledem k tomu, že tato reference je spojena s (-) kolíkem IC, pokud napětí Vin na vstupu (+) stoupne nad tuto referenci nebo se stane pozitivnějším než reference, vynutí výstup Vo přepnout na jeho kladnou úroveň nasycení.

To způsobí rozsvícení LED, což znamená, že Vin je pozitivnější než referenční úroveň +6 V.

Naproti tomu, pokud je neinvertující vstup (+) nakonfigurován jako referenční kolík a Vin je aplikován na invertující vstupní (-) kolík, výstup bude nízký, jakmile vstup Vin klesne pod referenční hodnotu, a naopak.

To okamžitě způsobí zhasnutí LED.

Proto může být dioda LED zapnuta nebo vypnuta pro daný vstupní signál vhodným zapojením vstupního kolíku s referenční úrovní a vstupním signálem.

Použití specializovaných komparátorů IC

Normálně operační zesilovače fungují skvěle jako komparátorové obvody, ale použití specializovaného komparátoru IC funguje ještě lépe než operační zesilovač pro srovnávací aplikaci.

Komparátorové integrované obvody jsou speciálně ideálně navrženy pro funkci komparátoru a vykazují vylepšenou odezvu, jako je rychlejší přepínání na výstupu mezi pozitivní a negativní úrovní.

Tyto integrované obvody mají vyšší odolnost proti šumu a výstupy lze při mnoha příležitostech přímo použít k řízení zátěže.

Pojďme se podrobně seznámit s několika populárními komparátory IC z následující diskuse.

Srovnávací obvod využívající IC 311

Výše uvedený obrázek ukazuje vnitřní uspořádání a podrobnosti pinout komparátoru IC 311. Integrovaný obvod je navržen tak, aby fungoval také z duálního napájecího zdroje, a to v rozsahu +15 V a -15 V, což je standardní kompatibilní úroveň pro všechny moderní digitální integrované obvody.

Koncový stupeň uvnitř IC má bipolární tranzistor s plovoucími kolektorovými a emitorovými svorkami. To znamená, že výstup z tohoto tranzistoru lze konfigurovat dvěma způsoby:

1. Přidáním pull-up rezistoru s kolektorovým kolíkem 7 a uzemněním emitorového kolíku 1 a následným použitím kolektoru jako výstupu.
2. Spojením kolektoru s kladnou čárou a použitím emitoru jako výstupu.

Tranzistorový výstup lze také použít k řízení relé nebo malé zátěže, například lampy, přímo bez externího vyrovnávacího stupně.

IC má také vyvážení a stroboskopický vstup, který lze bránit výstupem.

V následujících částech probereme několik užitečných aplikací tohoto IC:

Obrázek výše ukazuje, jak lze IC 311 konfigurovat jako a detektor průchodu nulou komparátor pro snímání vstupního napětí, kdykoli překročí nulovou čáru.

Invertující vstup (-) 311 lze vidět spojený se zemí. Během doby, kdy je vstupní signál na kladné úrovni, zůstává výstupní tranzistor zapnutý, což na výstupu (tranzistorový kolektor) vytváří nízký (v tomto příkladu -10).

Jakmile je vstupní signál záporný nebo nižší než 0 V, tranzistor se vypne. Tím se vytvoří kladný + 10 V na výstupu kolektoru IC. To nám umožňuje zjistit, kdy je vstupní signál nad nulovou úrovní a kdy klesl pod nulovou úroveň.

Následující obrázek níže ukazuje, jak lze použít komparátor IC 311 k vytvoření strobizovaného obvodu.

V tomto příkladu komparačního obvodu se výstupní pin7 zvýší, když úroveň napětí pin3 stoupne nad referenční hodnotu pin2. To se ale může stát, jen když je pin 6 stroboskopického vstupního pinu nízký nebo při 0 V.

Když je na základnu tranzistoru aplikován vysoký záblesk TTL, pin6 se sníží, což způsobí vypnutí výstupního tranzistoru IC, a tím umožní pin7 jít vysoko.

Výstup je stále vysoký, pokud je vstup TTL udržován na vysoké úrovni, bez ohledu na stav vstupního signálu na pin3.

Pokud je však signál TTL aplikován ve stroboskopické formě, pak výstup reaguje na vstupní signál na pin3. Zjednodušeně řečeno, výstup zůstává uzamčen na vysoké úrovni, pokud není zasunut pin6.

Jak připojit relé s komparátorem

Následující obrázek níže ukazuje, jak lze přímo použít komparátor 311 ovládat relé .

Zde, když úroveň napětí na vstupu pin2 poklesne pod 0 V, dostane pin3 kladnější hodnotu než pin2. To způsobí, že kolektor interního tranzistoru se vypne, čímž se sepne relé. The kontakty relé mohl být zapojen s větší zátěží pro provedení požadované spínací akce.

Dokud vstup (+) na pin2 zůstane pod 0 V, relé zůstane sepnuto. Naopak, pokud je na kolíku 2 k dispozici kladný signál, relé zůstane vypnuté.

Srovnávací obvod využívající IC 339

IC 339, také populárně psaný jako LM339, je čtyřnásobný komparátor IC. To znamená, že obsahuje 4 samostatné napěťové komparátory, jejichž vstupy a výstupy jsou vhodně ukončeny prostřednictvím příslušných externích pinů balíčku IC, jak je uvedeno níže.

Stejně jako jakýkoli jiný komparátor má každý blok komparátoru několik vstupů a jeden výstup. Když je IC napájen přivedením napětí na Vcc a na zemnící kolíky, napájí všechny komparátory společně. Takže i když se použije jediný komparátor, všechny ostatní 3 by spotřebovávaly nějakou energii.

Všechny komparátory mají přesně identické vlastnosti, proto můžeme analyzovat kterýkoli z nich, abychom se naučili základní funkci komparátoru.

Když je kladný diferenciální vstup přiveden na vstupní svorky, což znamená, že když je rozdíl mezi použitými signály kladný, vypne výstupní tranzistor VYPNUTO. To způsobí, že výstup zobrazí přerušený obvod nebo plovoucí otevření.

Když je diferenciální vstup záporný, to znamená, když je rozdíl mezi použitými signály na vstupních pinech záporný, zapne se výstupní tranzistor komparátoru, což způsobí, že se výstupní kolík komparátoru změní na záporný nebo na V-potenciál.

S odkazem na výše uvedený obrázek můžeme pochopit, že když se jako referenční kolík použije neinvertující (+) vstup IC, napětí nižší než tato reference na invertujícím vstupním kolíku (-) bude mít za následek výstup komparátor, aby se otevřel. Na druhou stranu, pokud je (-) použit jako referenční pin, úroveň napětí na vstupu (+) vyšší než referenční způsobí, že výstup bude záporný nebo na V-

Abychom zjistili, jak IC 339 funguje jako komparátor, ukazuje následující příklad IC jako detektor nulového přechodu.

V okamžiku, kdy vstupní signál stoupne nad 0 V, je výstup otočen vysoko na úroveň V +. Výstup je vypnut pouze při V-, zatímco vstup je udržován pod 0 V.

Jak již bylo vysvětleno dříve, referenční úroveň nemusí být 0 V, lze ji změnit na jakoukoli jinou požadovanou úroveň. Kromě toho můžete také použít další vstupní kolík (+) jako referenční kolík a (-) vstupní kolík jako vstupní kolík signálu pro přijetí měnícího se vstupního signálu.

Výhoda plovoucího výstupu v komparátorových integrovaných obvodech

Jak je popsáno v předchozích vysvětleních, výstup komparátorů se přepíná přes BJT, které mají jako výstup otevřený kolektor. To dává výhodu přímého připojení výstupů dvou komparátorů z IC 339 NEBO brána .

Pěkný příklad obvodu komparátoru oken lze vidět níže. Zde jsou dva bloky komparátorů IC 339 konfigurovány s jediným společným vstupním signálem a výstupy jsou spojeny jako brána OR.

Výstup příslušných komparátorů se sníží, kdykoli vstupní signál překročí buď dolní nastavenou prahovou hodnotu, nebo horní nastavenou prahovou hodnotu, což uživateli umožní vědět, kdy je signál mimo nastavenou úroveň okna.

Okenní komparátor lze použít pro užitečné aplikace, jako je chránič vysokého nízkého napětí okruh a solární tracker obvod atd.

Závěr

Z výše uvedených vysvětlení jsme se dozvěděli, že:

Komparátory jsou v zásadě jednotky mající dva doplňující se vstupy a jeden responzivní výstup. Výstup se změní na vysokou nebo nízkou, když úroveň napětí na jednom ze vstupů poklesne na vyšší nebo nižší úroveň než na druhém vstupu, v závislosti na tom, který vstup je použit jako referenční nebo na pevné úrovni napětí.

Ačkoli operační zesilovač lze použít také jako komparátor, specializované komparátorové integrované obvody jsou lépe navrženy tak, aby fungovaly jako komparátory.

Vyhrazené integrované obvody komparátoru jako LM311, LM339 jsou speciálně navrženy pro použití v komparátoru, s rychlejší odezvou a flexibilní schopností vysokého proudu.

Máte-li jakékoli související otázky, neváhejte se na ně zeptat prostřednictvím níže uvedeného pole pro komentář.