Схеми на компараторах

Як працює компаратор напруги

Схеми на компараторахУ багатьох описах компаратор порівнюється зі звичайними важільними вагами, як на базарі: на одну чашу кладеться еталон - гирі, а на іншу продавець починає підкладати товар, наприклад, картоплю. Як тільки вага товару стає рівним вазі гир, точніше трохи більше, чашка з гирями спрямовується вгору. Зважування закінчено.

Те ж саме відбувається і з компаратором, тільки в цьому випадку роль гир виконує опорну напругу, а в якості картоплі використовується вхідний сигнал. Як тільки на виході компаратора з'являється логічна одиниця, то вважається, що порівняння напруг сталося. Ось це і є те саме «трохи більше», яке в довідниках називається «порогова чутливість компаратора».

Перевірка компаратора напруги

Початківці радіоаматори - електронники часто запитують, як перевірити ту чи іншу деталь. Для перевірки компаратора якийсь складної схеми збирати не треба. Досить на вихід компаратора підключити вольтметр, а на входи подати регульовані напруги, і визначити, працює компаратор чи ні. І вже, звичайно, буде зовсім добре, якщо ще не забути подати на компаратор напруга живлення!

Однак, при цьому не слід забувати, що багато компаратори мають вихідний транзистор, у якого висновки колектора і еммітера просто «висять у повітрі», про що було розказано в статті «Аналогові компаратори». Тому, ці висновки треба відповідно підключити. Як це зробити показано на малюнку 1.

Схема підключення компаратора

Малюнок 1. Схема підключення компаратора

На інверсний вхід компаратора подано опорна напруга, отримане з дільника R2, R3 з напруги живлення + 5В. В результаті на інверсному вході виходить 2,5В. Припустимо, що движок змінного резистора R1 знаходиться в нижньому за схемою положенні, тобто напруга на ньому 0В. Таке ж напруга і на прямому вході компаратора.

Якщо тепер обертанням движка змінного резистора R1 поступово збільшувати напругу на прямому вході компаратора, то при досягненні 2,5В на виході компаратора з'явиться логічна 1, яка відкриє вихідний транзистор, запалиться світлодіод HL1.

Якщо тепер движок R1 обертати в бік зменшення напруги, то в певний момент світлодіод HL1, безсумнівно, згасне. Це говорить про справній роботі компаратора.

Експеримент можна дещо ускладнити: виміряти вольтметром напругу на прямому вході компаратора, і зафіксувати при якій напрузі світлодіод засвітиться, а при якому згасне. Різниця цих напруг і буде гістерезисом компаратора. До речі, деякі компаратори мають спеціальний висновок (pin) для регулювання величини гістерезису.

Для проведення такого досвіду знадобиться цифровий вольтметр, здатний «зловити» міллівольт, багатооборотний підлаштування резистор і неабияку терпіння виконавця. Якщо терпіння для проведення такого експерименту недостатньо, можна виконати наступний, куди більш простий: поміняти місцями прямий і інверсний входи, і, обертаючи змінний резистор, поспостерігати, як поводиться світлодіод, тобто вихід компаратора.

На малюнку 1 показана просто структурна схема, тому номери висновків не вказані. При перевірці реального компаратора доведеться розібратися з його цоколевкой (терморегулятори). Далі будуть розглянуті деякі практичні схеми і наведено короткий опис їх роботи.

Часто в одному корпусі розташовується кілька компараторов, два або чотири, що дозволяє створювати різні пристрої, що не встановлюючи на платі зайвих мікросхем. Компаратори можуть бути незалежні один від одного, але в деяких випадках мають внутрішні з'єднання. В якості такої мікросхеми розглянемо здвоєний компаратор MAX933.

Компаратор MAX933

В одному корпусі мікросхеми «проживають» відразу два компаратора. Крім власне компараторов всередині мікросхеми є вбудований джерело опорного напруги 1.182V. На малюнку він показаний у вигляді стабілітрона, який вже підключений всередині мікросхеми: до верхнього компаратору на інверсний вхід, а до нижнього на прямій. Це дозволяє легко створити багаторівневий компаратор за принципом «Мало», «Норма», «Багато» (undervoltage / overvoltage detectors). Такі компаратори називаються віконними, оскільки положення «норма» знаходиться в «вікні» між «мало» і «багато».

Дослідження компаратора програмою Multisim

На малюнку 2 показано вимір опорного напруги, виробленого за допомогою програми - симулятора Multisim. Вимірювання проводиться мультиметром XMM2, який показує 1.182V, що повністю відповідає значенню, зазначеному в Data Sheet компаратора. Висновок 5 HYST, - регулювання гістерезису, в даному випадку не використовується.

Схеми на компараторах

Малюнок 2.

За допомогою перемикача S1 можна задавати рівень вхідної напруги, причому, відразу на обох компараторах: замкнутий перемикач подає на входи низький рівень (менше, ніж опорна напруга) як показано на малюнку 3, розімкненим стану відповідає високий рівень, - малюнок 4. Стан виходів компараторів показуються мультиметр XMM1, XMM2.

Коментарі до малюнків зовсім зайві, - щоб зрозуміти логіку роботи компараторів досить уважно розглянути показання мультиметров і положення перемикача S1. Слід тільки додати, що таку схему можна рекомендувати для перевірки реального «залізного» компаратора.

Схеми на компараторах

Малюнок 3.

Схеми на компараторах

Малюнок 4.




Схема перевірки напруги

Схема такого компаратора, показаного в Data Sheet, наведена на малюнку 5.

Для вихідних сигналів зниженої напруги (OUTA) і перенапруги (OUTB) активним рівнем сигналу є низький, про що говорить підкреслення сигналів зверху. Іноді для цих цілей використовується знак «-» або «/» перед назвою сигналу. Ці сигнали можна назвати аварійними.

Сигнал POWER GOOD виходить на виході логічного елемента І, коли обидва сигналу аварії мають рівень логічної одиниці. Активним рівнем сигналу POWER GOOD є високий рівень.

Якщо хоча б один з аварійних сигналів має низький рівень, то сигнал POWER GOOD зникне, - стане теж низьким. Це зайвий раз дає можливість переконатися, що логічна схема І для низьких рівнів є логічним АБО.

Схема компаратора

Малюнок 5. Схема компаратора

Контрольоване вхідна напруга подається через дільник R1 ... R3, величина резисторів якого розраховується з урахуванням діапазону контрольованих напруг. Методика розрахунку наведена, навіть з прикладом, в Data Sheet.

Для зменшення брязкоту під час перемикання величина гістерезису задається за допомогою дільника R4, R5. Ці резистори розраховуються за формулами, також наведеними в Data Sheet. Для зазначених на схемі значень, величина гістерезису становить 50mV.

Схема управління резервним живленням

Подібні схеми застосовуються, наприклад, в системах сигналізації. Алгоритм роботи цих схем досить простий. При пропажі напруги охоронна система перемикається на роботу від акумуляторів, а при відновленні мережі знову працює від блоку живлення, при цьому здійснюється зарядка акумуляторної батареї. Для здійснення такого алгоритму треба оцінити, як мінімум два фактори: наявність мережевої напруги і стан акумулятора.

Функціональна схема управління показана на малюнку 6.

Схема управління резервним живленням на одній мікросхемі

Малюнок 6. Схема управління резервним живленням на одній мікросхемі




Випрямлена напруга + 9VDC через діод подається на стабілізатор напруги, від якого живиться охоронний пристрій. Дільник R1, R2 є в даному випадку датчиком мережевої напруги, за яким стежить нижній по малюнку компаратор з виходом OUTA. Коли мережеве напруга є, і знаходиться в межах розумного, на виході нижнього компаратора логічна одиниця, яка відкриває польовий транзистор Q1, через який заряджається акумулятор. Цей же сигнал управляє індикатором роботи від мережі.

У разі зникнення або зниження напруги, на виході компаратора з'являється логічний нуль, польовий транзистор закривається, припиняється заряд акумулятора, індикатор роботи від мережі гасне або набуває інший колір. Можливо також ще і поява звукового сигналу.

Заряджений акумулятор через комутуючих діод підключається до стабілізатора, і робота пристрою триває в автономному режимі. Але щоб уберегти акумулятор від повного розряду, за його станом стежить інший компаратор, - верхній за схемою.

Поки акумулятор ще не розряджений напруга на інверсному вході компаратора B вище опорного, тому на виході компаратора низький рівень, що відповідає нормальному заряду батарей. У міру розряду напруга на дільнику R3, R4 падає, і коли стане нижче опорного, на виході компаратора встановиться високий рівень, що вкаже на розряд акумулятора. Найчастіше такий стан индицируется настирливим писком приладу.

Схема витримки часу

Показана на малюнку 7.

Схема витримки часу

Малюнок 7. Схема витримки часу на компараторе

Працює схема наступним чином. При натисканні на кнопку MOMENTARY SWITCH конденсатор C заряджається до напруги джерела живлення. Це призводить до того, що напруга на вході IN + стає вище, ніж опорна напруга на вході IN-. Тому на виході OUT встановлюється високий рівень.

Після відпускання кнопки конденсатор починає розряджатися через резистор R, і коли напруга на ньому, а, отже, на вході IN + впаде нижче опорного напруги на вході IN-, на виході компаратора OUT встановиться низький рівень. При повторному натисканні на кнопку все повторюється ще раз.

Опорна напруга на вході IN- встановлюється за допомогою дільника з трьох резисторів і при вказаних на схемі номіналах становить 100мВ. Цим же делителем встановлюється і гістерезис компаратора (HYST) в межах 50мВ. Таким чином, конденсатор C розряджається до напруги 100 - 50 = 50 мВ.

Струм споживання самого пристрою невеликий, не більше 35 мікроампер, в той час, як вихідний струм може досягати 40 мА.

Витримка часу розраховується за формулою R * C * 4.6 сек. Як приклад можна привести розрахунок з такими даними: 2M # 937- * 10micro-F * 4.6 = 92 сек. Якщо опір зазначено в мегаомах, ємність в мікрофарадах, то результат виходить в секундах. Але це тільки розрахунковий результат. Фактичний час буде залежати від напруги джерела живлення і від якості конденсатора, від його струму витоку.

Кілька простих схем на компараторах

Основою схем, які будуть розглянуті далі, є градиентное реле, - схема, що реагує не так на присутність будь-якого сигналу, а на швидкість його зміни. Одним з таких датчиків є фотореле, схема якого показана на малюнку 8.

Схема фотореле на компараторе

Малюнок 8. Схема фотореле на компараторе

Вхідний сигнал виходить з дільника, утвореного резистором R1 і фотодиодом VD3. Загальна точка цього подільника через діоди VD1 і VD2 підключена до прямого і інвертується входу компаратора DA1. Таким чином, виходить, що на прямому і інверсному вході одне і те ж напруга, тобто різниці між напруженнями на входах немає. При такому стані на входах чутливість компаратора близька до максимальної.

Щоб змінити стан компаратора буде потрібно різниця напруг на входах в одиниці мілівольт. Це приблизно, як зіштовхнути мізинцем у прірву, що висить на краю камінь. А поки на виході компаратора присутній логічний нуль.

Якщо раптом змінилася освітленість, напруга на фотодиоде теж змінилося, припустимо, що у бік збільшення. Здавалося б, що разом з цим зміниться і напруга на обох входах компаратора, причому відразу. Тому, бажаної різниці напруг на входах не вийде, а, отже, і не зміниться стан виходу компаратора.

Все б це було так, якщо не звертати уваги на конденсатор C1 і резистор R3. Завдяки цій RC ланцюжку, напруга на інверсному вході компаратора зросте з деякою затримкою щодо прямого входу. На час затримки напруга на прямому вході буде більше, ніж на інверсному. У результаті на виході компаратора з'явиться логічна одиниця. Ця одиниця буде утримуватися недовго, якраз на час затримки, обумовленої RC ланцюжком.

Подібне фотореле використовується в тих випадках, коли освітленість змінюється досить швидко. Наприклад, в охоронних пристроях або датчиках готової продукції на конвеєрах, - пристрій буде реагувати на переривання світлового потоку. Ще один варіант, - це як доповнення до системи відеоспостереження. Якщо направити фотодатчик на екран монітора, то він буде фіксувати зміна яскравості і включати, наприклад, звуковий сигнал, привертаючи увагу оператора.

Розглянуте фотореле дуже просто перетворити на датчик зміни температури, наприклад в пожежній сигналізації. Для цього досить замінити фотодиод на терморезистор. При цьому номінал резистора R1 повинен бути рівний номіналом терморезистора (зазвичай вказується для температури 25C °). Схема цього датчика показана на малюнку 9.

Схема датчика вимірювання температури на компараторе

Малюнок 9. Схема датчика вимірювання температури на компараторе

Принцип і сенс роботи абсолютно такий же, як у описаного вище фотодатчика. Але в цій конструкції показано і найпростіше вихідний пристрій, - це тиристор VS1 і реле K1. При спрацьовуванні компаратора відкривається тиристор VS1, яке включає реле K1.

Оскільки тиристор в даному випадку працює в ланцюзі постійного струму, то навіть при закінченні керуючого імпульсу від компаратора тиристор залишиться відкритим, а реле K1 включеним. Для відключення реле доведеться натиснути кнопку SB1 або просто знеструмити всю схему.

Замість терморезистора можна застосувати магніторезисторах, наприклад СМ-1, що реагує, на магнітне поле. Тоді вийде магніточутливого градиентное реле. Магніторезисторах в минулому XX столітті застосовувалися в клавіатурах деяких ЕОМ.

Якщо застосувати інші датчики, то на базі градієнтного реле можна легко виготовити зовсім інші пристрої, що реагують на зміну електричного поля, на звукові коливання. За допомогою п'єзодатчиків легко створити датчики удару, і сейсмічних коливань.

Досить просто за допомогою компараторів виходить перетворення «аналогового» сигналу в «цифровий». Подібна схема показана на малюнку 10.

Схема перетворення «аналогового» сигналу в «цифровий» з використанням компаратора

Малюнок 10. Схема перетворення «аналогового» сигналу в «цифровий» з використанням компаратора

На малюнку 11 показана така ж схема, тільки полярність вихідних імпульсів у неї зворотна по відношенню до попередньої. Це досягається просто іншим включенням входів.

Схема перетворення «аналогового» сигналу в «цифровий» з використанням компаратора

Малюнок 11.

Обидві схеми перетворять амплітуду вхідного сигналу в ширину вихідного імпульсу. Таке перетворення досить часто використовується в різних електронних схемах. Насамперед, у вимірювальних приладах, імпульсних блоках харчування, цифрових підсилювачах.

Частотний діапазон пристроїв знаходиться в межі 5 ... 200кГц, амплітуда вхідного сигналу в діапазоні 2 ... 2,5В. При використанні германиевого діода перетворення амплітуди в ширину імпульсу починається з рівня 80 ... 90мВ, в той час як для кремнієвого діода це значення становить 250 ... 270мВ.

Робоча смуга частот пристрою визначається номіналами конденсаторів C1, C2. Зібране з справних деталей пристрій не вимагає налагодження і установки порога спрацьовування.

Борис Аладишкін



Увага, тільки СЬОГОДНІ!

Увага, тільки СЬОГОДНІ!