Компаратор схема

Компаратор (лат. comparare — сравнивать) — сравнивающее устройство — логический электронный прибор с двумя входами и одним выходом. Компаратор выдает высокое напряжение (логическая 1) в случае, если напряжение на первом (прямом) входе выше, чем на втором (инвертирующем) и низкое выходное напряжение (логический 0) если напряжение первого входа ниже вольтажа второго.

Одно из напряжений (сигналов), подаваемое на один из входов компаратора обычно называют опорным или пороговым напряжением. Пороговое напряжение делит весь диапазон входных напряжений, подаваемых на другой вход компаратора на два поддиапазона. Состояние выхода компаратора, высокое или низкое, указывает, в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение. Существуют компараторы с двумя или несколькими пороговыми напряжениями.

Способ реализации компаратора — операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления. Если подать на один его вход (например инверсный) какой то постоянный уровень опорного напряжения, а на другой вход (прямой) изменяющийся сигнал — выходное напряжение у него изменится скачком, от минимального до максимального в тот момент, когда уровень входного сигнала превысит уровень сигнала опорного напряжения, установленного на другом входе, и наоборот.

Таким образом, если входное напряжение на прямом входе, превысит напряжение инверсного входа, выходной транзистор компаратора открывается, если станет ниже — закрывается. То есть компаратор сравнивает напряжения.

Двухпороговый компаратор

Двухпороговый компаратор (или компаратор «с окном») фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть операции логического умножения (рис. 7а). Как показано на рис. 7б, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие U1 m А711 (отечественный аналог — 521СА1).

Рис. 7. Схема двухпорогового компаратора (а) и диаграмма его работы (б)

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.

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.

Типы компараторов

Специалисты разделяют компараторы на такие типы:

  • аналоговые изделия;
  • компараторы на операционном усилителе.

Аналоговый компаратор

В данное время довольно часто применяется аналоговый компаратор, который оснащен специальным транзисторным входом. Входящий потенциал сигнала в устройстве имеет значение не меньше 0,4 вольта и никогда не увеличивается. Изделие часто делают очень быстрого реагирования, из-за чего входящий сигнал будет меньше указанного диапазона, например, 0,3 вольта. Зачастую подобный диапазон может ограничиваться лишь определенным входным напряжением на транзисторе.

Компаратор на операционном усилителе

Кроме простого устройства, еще изготавливают видеоспектральный компаратор на операционном усилителе. Такое изделие обладает довольно точной балансировкой разницы входного напряжения и большим сопротивлением сигнала на выходе. Из-за такого свойства, компаратор на операционном усилителе можно применять в низко проводимых электрических цепях с маленьким напряжением.

Другими словами, операционный усилитель частоты способен работать совместно с открытым контуром и используется как изделие небольшой производительности. В процессе работы, не инвертирующий вход имеет более высокое значение напряжения, нежели инвертирующий вход. Большое усиление сигнала, который выходит из усилителя, провоцирует выход маленького напряжения на входе устройства.

Если не инвертирующий вход спадает меньше инвертирующего, то сигнал на выходе способен насытиться при отрицательном уровне напряжения, но он будет проводить электрические импульсы. Значение напряжения на выходе операционного усилителя может ограничиваться лишь напряжением питающей сети. Вся электрическая цепь усилителя работает только в линейном режиме при отрицательном значении обратной связи. Этому способствует специальный хорошо сбалансированный источник питания. Практически вся аппаратура, которая работает вместе с компаратором, оборудована функцией фиксации полученной информации. Подобные электронные принципы не способны работать в схемах, в которых применяются плохо проводящие радиоэлементы и разомкнутые контуры.

Недостатки устройства на операционном усилителе

У компаратора с операционным усилителем есть такие недостатки:

  1. Подобные усилители способны работать только в линейном режиме с отрицательным значением обратной связи. Однако операционные усилители довольно долго восстанавливаются.
  2. Практически все усилители оборудованы специальным конденсатором для внутренней компенсации, который способен ограничить скорость увеличения напряжения на выходе для сигналов с большой частотой. Другими словами, подобная схема может задержать электрический импульс.
  3. Устройство не обладает внутренним гистерезисом.

Обладая такими недостатками, компаратор для управления разными цепями применяется без операционного усилителя. Единственным исключением можно считать только генератор. Это устройство необходимо для различных процессов с ограничительным значением напряжения на выходе, которое способно осуществлять взаимодействие с цифровой логикой. Именно поэтому они применяются в разной термической аппаратуре. А также его используют, чтобы сравнивать электрические сигналы и сопротивления таких приборов, как стабилизатор или таймер.

Как сделать компаратор своими руками?

Кто умеет читать принципиальные схемы и паять, без труда соберет простейшие компараторы для использования в быту. Область применения весьма обширна. На них можно построить массу конструкций с минимальными затратами. Простейший компаратор – это операционный усилитель без положительной обратной связи.

В качестве основы для компаратора используется ОУ серии LM339. Для контроля и наглядности работы схемы введены красный и зеленый индикаторы. При подключении питания на ОУ должен засветиться один из светодиодов, причем какой из них — неважно. Это определяется множеством факторов: сетевые наводки на схему, особенности партии и параметров ОУ. Даже если взять несколько одинаковых микросхем, получатся различные результаты.

Читайте также  Как согнуть трубу

Если входной сигнал близок к «0» – будет светиться зеленый, а если близкое к напряжению питания, то красный светодиод. Затем можно попробовать сменить логическое состояние компаратора, подав на один из входов напряжение равное, например, половине напряжения питания ОУ. Сигнал на выходе не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входе. А только от разницы напряжений.

Данные опыты демонстрируют работу компаратора без ПОС. Такой компаратор может быть использован там, где не требуется особой точности измерений. Такими приборами являются бытовые термостаты, зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов, устройства десульфатации (восстановления) автоаккумуляторов, фотореле.

Описание

Микросхема с маркировкой «LM339N» выпускается в стандартной пластиковой упаковке для дырочного монтажа PDIP, и с «LM339» для поверхностного – SOIC, SOP, SSOP. Такое обозначение на корпусе является основным отличием данных устройств, которые по электрическим параметрам полностью идентичны. Развернутая распиновка, с указанием назначения выводов, представлена на рисунке.

Максимальные параметры

LM339(N) нельзя использовать в режиме линейного усиления как обычный ОУ. Наиболее частое применение в качестве электронного ключа, предъявляют ему немного другие требования. Одним из которых является высокое быстродействие. Приведём основные значения его предельно допустимых характеристик:

  • постоянное напряжение питания (VCC) до 36 В (или ± 18 В);
  • дифнапряжение на входе (VIN) от -36 В до +36 В;
  • диапазон синфазного напряжения (VI) от -0,3 В до +36 В;
  • выходной ток (IO) до 20 мА;
  • бесконечная длительность КЗ вывода «Output» на землю;
  • температура: кристалла при работе (TJ) до 150 o C; при хранении (TSTG) от -65 o C до +150 o C.

Принцип работы

Какова схема включения компаратора lm339 и как работает? В основе работы каждого из 4 входящих в ее элементов лежит простейший операционный усилитель (ОУ), заточенный на функционирование в режиме переключателя с большой скоростью.

Разберемся, как работает такой «переключатель». Вариант одной из схем применения компаратора, для наглядности и понимания процесса, представлен на рисунке ниже. Как видно, у него есть два входа, обозначенные символами «+IN» и «-IN». На них подается разные по величине потенциалы, относительно «GND», которые устройство сравнивает и выдает сигнал на выход «Output». Питающее напряжение 12 В подано на контакты «VCC» и «GND».

Если сравниваемое напряжение на «+IN» больше, чем на «-IN», относительно «Gnd», то на выходе «Output» появится положительный потенциал – «логическая единица». Через светодиод VD2 с ограничивающим резистором R1 на землю «GND» потечёт ток (IOUT) питающего напряжения. VD2 при этом засветится, а VD1 будет выключен.

При изменении ситуации, когда сравниваемое напряжение на «-IN» будет больше, чем на «+IN», на выходе «Output» появится отрицательный потенциал — «логический ноль». Соответственно загорится светодиод VD1, а VD2 будет погашен.

По такому принципу работает, например — одноканальный отечественный 140уд7. Однако существуют компараторы, у которых на выходе нельзя сформировать «логическую единицу», т.е. получить положительный сигнал. Возможно только «ноль» или ничего. Именно такими устройствами, их также называют «с открытым коллектором», оснащен четырехканальный LM339.

Данная особенность объясняется наличием у компараторов микросхемы внутреннего транзистора Q8. Его коллектор является выводом «Output», а эмиттер подключен к «GND». Он открывается только при большем потенциале на «-IN», относительно «+IN». При отсутствии сигнала — закрыт. Структурная схема из datasheet на LM339 представлена на рисунке.

Контакт «-IN» обычно называют инвертирующим, а «+IN» неинвертирующим.

Аналоги

Аналогом LM339(N) считаются следующие устройства: KIA339 (KEC), HA17339A (Renesas), UPC339GR (NEC). Немного хуже по параметрам, но иногда подходят в качестве замены: китайская SDP339 (Shaoxing Devechip Microelectronics Co.) или узбекская К1401СА1 (ОАО «Фатон» г.Ташкент). Многие известные зарубежные компании выпускают её со стандартной маркировкой по лицензии TI.

Компараторы напряжений — цель этой лабораторной работы, использование двух высокоскоростных устройства напряжения в качестве оконного компаратора и запрограммировать программируемый регулятор температуры TMP01 с низким энергопотреблением, используя этот подход.

Оконный компаратор — это конфигурация схемы, в которую входят парные компараторы напряжений (инвертирующих и неинвертирующих), где выходной сигнал указывает, находится ли входной сигнал в пределах диапазона напряжения, ограниченного двумя различными пороговыми значениями.

Тот, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении некоторого верхнего порога напряжения, VREF(HIGH), и тот, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении нижнего порогового уровня напряжения, VREF(LOW). Уровни напряжения между этими двумя верхними и нижними опорными напряжениями называются «окном».

Используемые материалы

Модуль активного обучения ADALM2000

Макет без пайки и комплект перемычек

2 — AD8561 Компараторы
1 — 2N3904 NPN транзистор
2 — 1N914 небольшие сигнальные диоды
1 — светодиод (любой цвет)
3 — резистор 10 кОм
1 — резистор 20 кОм
1 — резистор 470Ом

Оконные компараторы напряжений

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 1.


Рисунок 1 Оконный компаратор

В схеме используется сеть делителей напряжения, сформированная из трех резисторов равного значения R1 = R2 = R3. Падение напряжения на каждом резисторе будут также равны одной трети опорного напряжения (VREF). Поэтому верхнее значение (VREF (HIGH)) установлено на 2/3VREF, а нижнее значение на 1/3VREF.

Учитывая, что мы используем, когда VIN находится ниже нижнего уровня напряжения (VREF(LOW)), что соответствует 1/3VREF, выходной сигнал будет HIGH, а D2 будет открыт в прямом направлении. Из-за положительного напряжения на базе npn-транзистора Q1 переходит в насыщение. Таким образом, выходное напряжение равно нулю, и напряжение питания на R5 и D3 упадет, включив при этом светодиод.

Когда значение VIN превышает этот нижний уровень напряжения на 1/3VREF, и оно ниже 2/3VREF (VREF(HIGH)), выходы обоих компараторов будут НИЗКИМИ, а диоды находятся в обратном смещении. В это время на базу Q1 не подается напряжение, транзистор отключен, и ток коллектора не протекает через R6, R5, D3. Выходное напряжение — это напряжение питания V+.

Когда VIN выше верхнего уровня напряжения (VREF(HIGH)), что соответствует 2/3VREF, выходной сигнал будет ВЫСОКИМ, а D1 будет открыт в прямом направлении. Из-за положительного напряжения на базе npn-транзистора Q1 он переходит в насыщение. Таким образом, выходное напряжение равно нулю, и напряжение питания упадет на R5 и D3, включив светодиод.

Настройка оборудования

Постройте следующую конструкцию для схемы оконного компаратора.


Рисунок 2. Схема оконного компаратора

Компараторы напряжений — процесс построения

В первую очередь используйте первый генератор сигналов (W1) в качестве источника, чтобы обеспечить треугольный сигнал с амплитудой 5 В от пика до пика, частотой 100 Гц и смещением 2,5 В.

Используйте второй генератор сигналов (W2) в качестве источника постоянного опорного напряжения 5V.

Подайте напряжение на схему от источник питания 5 В.

Настройте область окна так, чтобы выходной сигнал отображался на канале 2, а входной сигнал отображался на канале 1.

Пример построения представлен на рисунке 3.


Рисунок 3. Окно формы волны компаратора

На графике «окна» можно заметить, когда входное напряжение находится между верхним и нижним опорным напряжением.

Читайте также  Самодельная копалка

Контроль температуры

Здесь представлен пример как применяются оконные компараторы напряжений, в данном случае является простая схема контроллера температуры (рис. 2). Датчик температуры TMP01 имеет встроенную конфигурацию двойного компаратора, показанную на рис. 1. Выбирая правильные значения для R1, R2 и R3, схема контролирует, удерживается ли температура в требуемом диапазоне (25±

TMP01 — это линейный датчик температуры выходного напряжения с оконным компаратором, который может быть запрограммирован пользователем для активации одного из двух выходов с открытым коллектором, когда превышено заданное значение температуры. Значение низкого дрейфа напряжения для установки программирования. Соединяя два выхода с открытым коллектором вместе, в виде однопроводного выхода, мы можем получить сигнал, который находится на логически высоком уровне, когда температура окружающей среды находится внутри окна.


Рисунок 4 Датчик температуры окна компаратора

Программирование TMP01

В базовом приложении с фиксированной установкой, используется простой резисторный делитель напряжения лестничного типа, желаемые установки температуры программируются в следующей последовательности:

  1. Выберите желаемую температуру гистерезиса.
  2. Вычислите ток гистерезиса IVREF.
  3. Выберите желаемое заданное значение температуры.
  4. Рассчитайте значения отдельных цепей резисторных делителей, необходимые для получения заданных напряжений компаратора при ВЫСОКИХ и НИЗКИХ значениях.

Ток гистерезиса легко рассчитывается. Например, для 2-х степеней гистерезиса IVREF = 17 мкА. Далее, заданные значения напряжения VSETHIGH и VSETLOW определяются с использованием масштабного коэффициента VPTAT, равного 5 мВ/К = 5 мВ/(°C + 273,15), что составляет 1,49v для 25°C. Затем рассчитайте резисторы делителя на основе этих заданных значений. Уравнения, используемые для расчета резисторов:

Суммарное значение R1 + R2 + R3 равно сопротивлению нагрузки, необходимой для получения требуемого тока гистерезиса из задания или IVREF.

Поскольку VREF = 2,5 В, с эталонным сопротивлением нагрузки 357 кОм или выше (выходной ток 7 мкА или менее), гистерезис заданного значения температуры равен нулю градусов. Большие значения сопротивления нагрузки только уменьшают выходной ток ниже 7 мкА и не влияют на работу устройства. Величина гистерезиса определяется путем выбора значения сопротивления нагрузки для VREF.

Задачи для решений

1. Постройте следующую схему:


Рисунок 5 Измерение температуры

Измерьте выходное значение VPTAT и вычислите фактическую измеренную температуру в градусах Кельвина и градусах Цельсия.

2. Постройте следующую схему:


Рисунок 6 Контроль температуры

2.а Определите компоненты и попытайтесь нарисовать принципиальную схему.

2.b. Используя информацию, предоставленную макетом, вычислите следующие параметры:

  • IVREF
  • VSETHIGH
  • VSETLOW
  • TSETHIGH
  • TSETLOW

2.c. На сколько градусов устанавливается гистерезис заданного значения температуры? Как вы можете изменить это значение?

2.d. Как работает схема? Когда включатся LED1 (красный) и LED2 (синий)? Обоснуйте свой ответ.

Быстродействие компараторов

Быстродействие переключения компараторов зависит от скорости нарастания входных сигналов, т.е. от времени пребывания входного сигнала в зоне неопределенности, а потому переключение компаратора происходит с задержкой. В компараторе с положительной обратной связью переключающий сигнал состоит из двух составляющих:

Входного (исследуемого) сигнала;

Сигнала поступающего с выхода по цепи ПОС.

Сигнал на выходе компаратора усилен в Kоу раз, во столько же раз увеличивается его скорость изменения. За счет этого переключение компаратора с ПОС происходит значительно быстрее, чем без нее.