Porovnávacie obvody využívajúce IC 741, IC 311, IC 339

Základnou funkciou komparačného obvodu je porovnať dve úrovne napätia na jeho vstupných kolíkoch a vytvoriť výstup, ktorý ukazuje, ktoré vstupné napätie má vyšší potenciál ako ostatné.

V tomto článku sa podrobne naučíme, ako správne navrhovať komparačné obvody pomocou populárnych integrovaných obvodov ako IC 741, IC 311 a IC LM339.

Rozdiel medzi komparátorom a operačným zosilňovačom

IC 741 je ideálnym príkladom jediného operačného zosilňovača a IC LM311 možno považovať za dobrý príklad samostatného samostatného komparátora.

Obe tieto jednotky nájdete vo vnútri s identickým symbolom zariadenia v tvare „trojuholníka“, ktorý bežne rozoznávame a používame na kreslenie porovnávacích obvodov. Výstupná odozva týchto dvoch foriem komparátorov však môže mať niekoľko zásadných rozdielov.

Aj keď je možné operačný zosilňovač a komparátor nakonfigurovať na porovnanie rozdielových signálov na ich vstupných kolíkoch, hlavné rozdiely medzi týmito dvoma náprotivkami sú:

• V stave napájania bude výstup operačného zosilňovača kladný alebo záporný, v závislosti od úrovní napätia vstupného kolíka, ale nikdy nemôže byť otvorený. Naproti tomu výstup komparátora môže byť otvorený alebo uzemnený (záporný) alebo plávajúci.
• Výstup operačného zosilňovača môže fungovať bez akýchkoľvek pull-up alebo pull-down rezistorov, ale komparátor bude vždy vyžadovať externý pull-up alebo pull-down odpor, aby výstupný stupeň fungoval normálne.
• Operačný zosilňovač možno použiť na zostavenie obvodov zosilňovača s vysokým ziskom, pre takéto aplikácie nemožno použiť komparátor.
• Odozva prepínania výstupu operačného zosilňovača je zvyčajne pomalšia v porovnaní s komparátorom IC.

Klasický dizajn komparačného obvodu je možné vidieť na nasledujúcom obrázku:

Tu výstup reaguje „vysokým“ digitálnym signálom, kedykoľvek je napätie na neinvertujúcom (+) vstupe vyššie ako invertujúci (-) vstup. Naproti tomu výstup premení nízky digitálny signál, kedykoľvek je neinvertujúce vstupné napätie nižšie ako invertujúce vstupné napätie.

S odkazom na vyššie uvedený obrázok vidíme štandardné pripojenie komparačného obvodu, ktorý má jeden vstup (v tomto príklade invertujúci vstup) nakonfigurovaný s referenčným napätím a druhý vstupný pin, ktorý je neinvertujúcim vstupom pripojeným k napätiu vstupného signálu. .

Počas doby, keď je Vin udržiavané na nižšom napätí ako referenčné napätie +2 V, zostáva výstup nízky na hodnote okolo -10 V. Ak sa Vin zvýši tesne nad +2 V, výstup okamžite zmení stav a zmení sa na vysokú okolo + 10 V. Táto zmena stavu na výstupe z -10 V na +10 V naznačuje, že Vin sa stal vyšším ako referenčný +2 V.

Hlavnou súčasťou každého komparátora je obvod operačného zosilňovača, ktorý sa nastavuje na veľmi vysoké zosilnenie napätia. Na presné štúdium práce komparátora si môžeme vziať príklad IC 741, ako je uvedené nižšie:

Tu môžeme vidieť, že invertujúci vstupný pin2 (-) je odkazovaný na zem alebo na 0 V úroveň. Na pin3, ktorý je neinvertujúcim vstupom operačného zosilňovača, sa aplikuje sínusový signál. Tento striedavo sa meniaci sínusový signál spôsobuje prepínanie výstupu medzi stavmi vysokého a nízkeho výkonu, ako je to uvedené na pravej strane obrazu.

Keď sa vstup Vin pohybuje nad referenciou 0 V dokonca o milivolt, rozdiel je zosilnený interným operačným zosilňovačom IC s vysokým ziskom, čo spôsobí, že výstup bude vysoký na úrovni pozitívnej saturácie výstupu. Táto podmienka trvá, pokiaľ signál Vin zostáva nad referenčnou hodnotou 0 V.

Teraz, keď úroveň signálu klesne o odtieň pod referenčnú hodnotu 0 V, výstup sa privedie na nižšiu úroveň nasýtenia. Táto podmienka sa opäť udržiava, pokiaľ vstupný signál Vin zostáva pod referenčnou úrovňou 0 V.

Vyššie uvedené vysvetlenie a priebeh znázornený na obrázku jasne naznačuje digitálnu odozvu výstupu pre lineárne sa meniaci vstupný signál.

Pre bežné aplikácie nemusí byť referenčná úroveň na 0 V, môže to byť naopak akákoľvek kladná úroveň podľa požiadavky. A v prípade potreby môže byť referencia pripojená buď k kladnému alebo zápornému napájaciemu vedeniu, zatiaľ čo vstupný signál sa aplikuje na druhý vstupný kolík.

Použitie IC 741 ako komparátora

V nasledujúcom príklade sa dozvieme, ako efektívne použite operačný zosilňovač ako komparátor

Na obrázku vidíme obvod operačného zosilňovača pracujúci s kladnou referenčnou hodnotou nastavenou na jeho invertujúcom vstupnom kolíku (-). Výstup je pripevnený LED.

Pomocou vzorca siete deliča napätia môžeme vypočítať hodnotu referenčného napätia na (-) vstupnom kolíku IC.

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

Pretože táto referencia je spojená s (-) pinom IC, ak napätie Vin na vstupe (+) stúpne nad túto referenciu alebo sa stane pozitívnejšou ako referencia, vynúti výstup Vo k prepnutiu na svoju kladnú úroveň nasýtenia.

To spôsobí rozsvietenie LED, čo znamená, že Vin je pozitívnejší ako referenčná úroveň +6 V.

Na druhej strane, ak je neinvertujúci vstup (+) nakonfigurovaný ako referenčný pin a Vin je aplikovaný na invertujúci vstupný (-) pin, výstup bude nízky, akonáhle vstup Vin klesne pod referenčnú hodnotu, a naopak.

To okamžite spôsobí zhasnutie LED.

Preto je možné LED zapnúť alebo vypnúť pre daný vstupný signál príslušným zapojením vstupného kolíka s referenčnou úrovňou a vstupným signálom.

Používanie špecializovaných komparátorov IC

Normálne operačné zosilňovače fungujú skvele ako komparátorové obvody, ale použitie vyhradeného komparátora IC funguje ešte lepšie ako operačný zosilňovač pre porovnávaciu aplikáciu.

Komparátorové integrované obvody sú špeciálne ideálne navrhnuté pre funkciu komparátora a vykazujú vylepšenú odozvu, napríklad rýchlejšie prepínanie na výstupe medzi kladnou a zápornou úrovňou.

Tieto integrované obvody majú vyššiu odolnosť proti šumu a pri mnohých príležitostiach môžu byť výstupy priamo použité na riadenie záťaže.

Dozvieme sa podrobne o niekoľkých populárnych komparátorských integrovaných obvodoch z nasledujúcej diskusie.

Porovnávací obvod využívajúci IC 311

Na obrázku vyššie je znázornené vnútorné usporiadanie a podrobnosti zapojenia komparátora IC 311. Integrovaný obvod je navrhnutý tak, aby fungoval aj z duálneho zdroja napájania, a to v rozsahu +15 V a -15 V, čo je štandardná kompatibilná úroveň pre všetky moderné digitálne integrované obvody.

Koncový stupeň vo vnútri IC má bipolárny tranzistor, ktorý má svorky s plávajúcim kolektorom a emitorom. To znamená, že výstup z tohto tranzistora je možné konfigurovať dvoma rôznymi spôsobmi:

1. Pridaním pull-up rezistora s kolíkom kolektora 7 a uzemnením kolíka emitora 1 a následným použitím kolektora ako výstupu.
2. Spojením kolektora s kladnou čiarou a použitím žiariča ako výstupu.

Tranzistorový výstup možno tiež použiť na riadenie relé alebo malej záťaže, napríklad žiarovky, priamo bez externého vyrovnávacieho stupňa.

IC je tiež vybavený vyvážením a stroboskopickým vstupom, ktorý je možné spojiť s výstupom.

V nasledujúcich sekciách si povieme o niekoľkých užitočných aplikáciách tohto IC:

Vyššie uvedený obrázok ukazuje, ako je možné IC 311 nakonfigurovať ako a detektor prechodu nulou komparátor na snímanie vstupného napätia, kedykoľvek prekročí nulovú čiaru.

Invertujúci vstup (-) 311 je viditeľný spojený so zemou. Počas periódy je vstupný signál na kladnej úrovni, výstupný tranzistor zostáva zapnutý, čo na výstupe (kolektor tranzistora) vytvára nízku hodnotu (-10 v tomto príklade).

Akonáhle je vstupný signál záporný alebo nižší ako 0 V, tranzistor sa vypne. To vytvára kladný stav +10 V na výstupe kolektora IC. To nám umožňuje vedieť, kedy je vstupný signál nad nulovou úrovňou a kedy klesol pod nulovú hladinu.

Nasledujúci obrázok nižšie ukazuje, ako je možné použiť komparátor IC 311 na výrobu strobizovaného obvodu.

V tomto príklade komparačného obvodu sa výstupný pin7 otočí vysoko, keď úroveň napätia pin3 stúpne nad referenciu pin2. To sa ale môže stať iba pri nízkom vstupnom kolíku pin6 alebo pri 0 V.

Keď sa na základňu tranzistora aplikuje vysoký záblesk TTL, pin6 sa zníži, čo spôsobí, že sa výstupný tranzistor IC vypne, a tým sa umožní pin7 ísť vysoko.

Výstup je naďalej vysoký, pokiaľ je vstup TTL udržiavaný na vysokej hodnote, bez ohľadu na stav vstupného signálu na pin3.

Ak je však signál TTL aplikovaný v strobovanej forme, potom výstup reaguje na vstupný signál na pin3. Zjednodušene povedané, výstup zostáva uzamknutý na vysokej úrovni, pokiaľ pin6 nebliká.

Ako pripojiť relé s komparátorom

Nasledujúci obrázok nižšie ukazuje, ako možno komparátor 311 priamo použiť ovládať relé .

Tu, keď úroveň napätia na vstupe pin2 klesne pod 0 V, pin3 bude pozitívnejší ako pin2. To spôsobí, že kolektor interného tranzistora sa vypne, čím sa zopne relé. The kontakty relé by mohli byť káblovo pripojené s väčšou záťažou na vykonanie požadovanej spínacej akcie.

Pokiaľ vstup (+) na pin2 zostáva pod 0 V, relé zostáva zapnuté. Naopak, keď je na kolíku 2 k dispozícii pozitívny signál, relé zostane vypnuté.

Porovnávací obvod využívajúci IC 339

IC 339, ľudovo tiež označovaná ako LM339, je štvorkolkový komparátor IC. To znamená, že obsahuje 4 samostatné napäťové komparátory, ktorých vstupy a výstupy sú príslušne ukončené prostredníctvom príslušných externých pinov balíka IC, ako je uvedené nižšie.

Rovnako ako akýkoľvek iný komparátor, každý blok komparátora má niekoľko vstupov a jeden výstup. Keď je integrovaný obvod napájaný aplikovaním napätia na Vcc a zemné napájacie piny, napája všetky komparátory dohromady. Takže aj keby sa použil jediný komparátor, všetky ďalšie 3 by spotrebovali určitú energiu.

Všetky komparátory majú úplne identické vlastnosti, preto môžeme ktorýkoľvek z nich analyzovať, aby sme sa naučili základnú funkciu komparátora.

Ak sa na vstupné svorky aplikuje kladný diferenciálny vstup, čo znamená, že keď je rozdiel medzi použitými signálmi kladný, výstupný tranzistor sa vypne. To spôsobí, že výstup bude signalizovať prerušený obvod alebo plávajúci otvorený obvod.

Keď je diferenciálny vstup záporný, to znamená, keď je rozdiel medzi privedenými signálmi na vstupných kolíkoch záporný, zapne sa výstupný tranzistor komparátora, čo spôsobí záporný výstupný kolík komparátora alebo potenciál V.

S odkazom na vyššie uvedený obrázok môžeme pochopiť, že keď sa ako referenčný pin použije neinvertujúci (+) vstup IC, napätie nižšie ako táto referencia na invertujúcom vstupnom kolíku (-) bude mať za následok výstup komparátor, aby sa stal otvoreným. Na druhej strane, ak sa ako referenčný pin použije (-), úroveň napätia na vstupe (+) vyššia ako referenčná spôsobí, že výstup bude záporný alebo na V-

Aby sme sa dozvedeli, ako IC 339 funguje ako komparátor, ukazuje nasledujúci príklad IC ako detektor prechodu nulou.

V okamihu, keď vstupný signál stúpne nad 0 V, výstup sa otočí vysoko na úroveň V +. Výstup je vypnutý iba pri V-, zatiaľ čo vstup je udržiavaný pod 0 V.

Ako už bolo vysvetlené, referenčná úroveň nemusí byť 0 V, dá sa zmeniť na inú požadovanú úroveň. Ďalej môžete tiež použiť ďalší vstupný kolík (+) ako referenčný kolík a (-) vstupný kolík ako vstupný kolík signálu na prijatie meniaceho sa vstupného signálu.

Výhoda s pohyblivým výstupom v komparátorových integrovaných obvodoch

Ako bolo diskutované v predchádzajúcich vysvetleniach, výstup komparátorov je prepínaný cez BJT, ktoré majú ako výstup otvorený kolektor. To dáva výhodu priameho spojenia výstupov dvoch komparátorov z IC 339 ako ALEBO brána .

Pekný príklad obvodu okenného komparátora je uvedený nižšie. Tu sú dva bloky komparátorov IC 339 nakonfigurované s jediným spoločným vstupným signálom a výstupy sú spojené ako brána OR.

Výstup príslušných komparátorov klesne, kedykoľvek vstupný signál prekročí dolnú nastavenú prahovú hodnotu alebo hornú nastavenú prahovú hodnotu, čo užívateľovi umožní zistiť, kedy je signál mimo nastavenú úroveň okna.

Okenný komparátor je možné použiť pre užitočné aplikácie ako napr chránič vysokého nízkeho napätia okruh a solárny sledovač obvod atď.

Záver

Z vyššie uvedených vysvetlení sme sa dozvedeli, že:

Komparátory sú v podstate jednotky, ktoré majú dva doplňujúce sa vstupy a jeden responzívny výstup. Výstup sa zmení na vysoký alebo nízky, keď úroveň napätia na jednom zo vstupov stúpne alebo klesne ako na druhom vstupe, v závislosti od toho, ktorý vstup sa použije ako referenčný, alebo pri pevnej úrovni napätia.

Aj keď operačný zosilňovač možno použiť aj ako komparátor, špecializované komparátorové integrované obvody sú lepšie navrhnuté tak, aby fungovali ako komparátory.

Vyhradené komparátorové integrované obvody ako LM311, LM339 sú špeciálne navrhnuté pre komparátorové aplikácie s rýchlejšou odozvou a flexibilnou schopnosťou výstupu vysokého prúdu.

Ak máte akékoľvek súvisiace otázky, neváhajte sa ich opýtať prostredníctvom poľa pre poznámky nižšie.