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.
Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393
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 (-).
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.
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».
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:
- Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
- Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.
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»…
Компаратор. Описание и применение. Часть 2
www.joyta.ru
LM311 — Меандр — занимательная электроника
Идея подобного устройства возникла в процессе апгрейда усилителя на 4-х TDA2030A. Очень уж мне не нравился шум вентилятора. За музыкой его слышно конечно же не было но, когда музыка выключалась, было слышно довольно громкое жужжание вентилятора, обдувающего радиатор. В результате родилась такая вот схема на компараторе LM311.Для начала вспомним, что есть компаратор. Компаратор (от англ. …
Читать далее
Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/31606
Многие радиолюбители сталкиваются с проблемой автоматического регулирования, ограничения и поддержания температуры. Возникла эта проблема и у автора данной статьи. Это простое устройство применено для охлаждения мощного импульсного блока питания на основе компьютерного БП с вентилятором. Устройство несложное и может быть изготовлено в течение одного веера даже начинающим радиолюбителем. Принципиальная схема термостабилизатора показана на рисунке. Его …
Читать далее
Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/18543
Читать далее
meandr.org
Общие сведения.Компаратор — это операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления.
Компараторы имеют два входа, прямой и инверсный, и в зависимости от желаемого результата, опорное и сравниваемое напряжения, могут подключаться к любому входу.
Рисунок 1. Для согласования выхода с логическими уровнями КМОП микросхем, напряжение питания соответственно может быть 9-15 вольт.
Рисунок 2. В качестве нагрузки компаратора можно использовать любую нагрузку с током потребления не более 50 мА. Это могут быть непосредственно обмотки реле, резисторы, светодиоды индикации и оптронов исполнительных устройств, с ограничивающими ток резисторами. Индуктивные нагрузки желательно шунтировать диодами от обратного выброса напряжения. Процессы переключения компараторов.Если входной сигнал будет изменяться очень медленно, то при достижении уровня входного сигнала опорному, выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием незначительных помех (так называемый «дребезг»).
Рисунок 3. На рисунке 3 приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 3б). Хотя гистерезис вносит небольшую задержку в переключении компаратора, но благодаря ему, существенно уменьшается или даже устраняется полностью «дребезг» выходного напряжения. Для того, кто желает более полного и подробного знакомства с компараторами, рекомендую прочитать статью Б. Успенского в ВРЛ № 97 стр.49. |
vprl.ru
Активная система охлаждения силовых приборов
А. Анкудинов |
Поводом для написания данного материала явилась статья прочитанная на сайте www.ixbt.com . «Термоконтроль вентиляторов на практике». В основе статьи — проблема снижения шума от вентиляторов в ПК. Меня же заинтересовало построение системы охлаждения радиаторов различных устройств. При этом схема должна обладать саморегулирующими свойствами.
Базовая схема терморегулятора
Вначале всех экспериментов была повторена базовая схема первого варианта терморегулятора. Схема оказалась вполне работоспособна и вентилятор в ней оказался действительно малошумным и включался при определенном нагреве датчика температуры. Однако здесь же нашлись и недостатки, а именно сильный разогрев корпуса управляющего компаратора на LM311 и слабый воздушный поток от вентилятора. Ни то, ни другое меня не устраивало. Кроме того при постановке термоконтроллера в УКВ радиостанцию, оно включалось каждый раз при переводе станции на передачу.
Схема контроллера была несколько изменена путем подключения к выходу компаратора на LM311 буферного каскада на биполярном транзисторе КТ817. Входы компаратора были зашунтированы керамическими конденсаторами. Изменена логика сравниваемых напряжений на входе (из-за подключения буферного каскада на выходе). Конденсатор С2 удален, так как вызывал длительную задержку включения — выключения вентилятора. В результате схема стала быстрее реагировать на изменение температуры радиатора. При включении вентилятор сразу набирал обороты на максимальную мощность и давал эффективное охлаждение. Речь о тишине уже не шла!
Измененная схема терморегулятора
Отличие имелось и в отсутствии плавного регулирования скорости вращения. Работа по принципу включено — выключено. При напряжении +13,8 В терморегулятор так же работал устойчиво.
С полным описанием принципа работы схемы можно ознакомиться по вышеприведенной схеме. В модернизируемой схеме он не изменился.
В окончательном варианте устройство собрано на односторонней печатной плате на основе стеклотекстолита, размерами 45,72 х 29,21 мм. Если использовать планарный монтаж, то можно значительно уменьшить геометрические размеры. Устройство предназначено для работы в системе охлаждения мощных регулирующих транзисторов в блоках питания, выходных транзисторов в усилителях мощности ЗЧ, ВЧ, УВЧ, в том числе введения охлаждающей системы в автомобильные радиостанции различного класса (если вы умеете работать с паяльником и не боитесь «влезть» в импортную аппаратуру). Хотя любая аппаратура такого уровня греется «как хороший утюг». С подобной проблемой я столкнулся со своей Alinco DR-130.
Список используемых радиодеталей
R1 — 3,3 кОм
R2 — 20 кОм
R3 — 2 кОм
R4 — 2 кОм
R5 — 15 кОм
R6 — 10 кОм (подстр.)
R7 — 33 кОм
R8 — 330 кОм
R9 — 2,2 кОм
R10 — 5,1 кОм
С1 — 0,068 мкф
С2 — 1000 пф
С3 — 0,1 мкф
С4 — 0,068 мкф
VD1 — стабилитрон с Uстаб = 7,5 В
VT1 — КТ814
VT2 — КТ817
DA1 — LM311 (компаратор с буфером)
Примеры сборки схемы
Примеры модернизации радиостанции Alinco DR-130
| Вид сверху | Вид снизу |
Тепловой датчик непосредственно монтируется на радиатор с внутренней стороны. Обязательно применение термопасты. Дополнительные электроизолирующие прокладки не используются. Плата свободно умещается в основном отсеке радиостанции. Особое внимание уделяется электрической изоляции платы от остальных узлов. Сама схема не требует налаживания, за исключением настройки на определенную температуру включения (регулировка от 40 до 80 градусов цельсия). Среднее положение движка подстроечного резистора соответствует комнатной температуре реакции схемы. Крайний поворот влево (если смотреть сверху) соответствует реакции схемы на нагрев до 80 градусов.
PS: После публикации статьи получен определенный отклик. Так Виталий (andreychenko73 [+] mail.ru) прислал улучшенный вариант схемы контроллера на данном компараторе. Изменения коснулись защиты от ВЧ-наводок как датчика температуры, так и электродвигателя. Изменена схема включения ключевого каскада на транзисторе КТ816 для удобства монтажа на общем теплоотводе (при большом количестве вентиляторов).
Используемые материалы:
- Управляем кулером
- Простой терморегулятор для вентилятора охлаждения
- Доработка блока питания АТ
Файлы:
- Схема в формате *.spl (программа RusPlan) и . Печатная плата в формате *.pcb (программа PCAD 2002)
- Документация на LM311
www.qrz.ru