двойной дифференциальный компаратор что это

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Компараторы — название произошло от принципа работы – сравнения. Так функционируют приборы, производящие измерения способом сравнивания с эталоном: весы с одинаковыми плечами, электрические потенциометры.

По своей принципиальной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы с механической конструкцией применяются для проверки конечных мер длины. Компараторы для таких целей впервые применены во Франции в 1792 году, об этом имеется информация в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время появления метрической системы Франции. Точность таких замеров компаратора рычагами доходила до 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача рассмотреть компараторы, применяющиеся в современное время в электротехнике для напряжения.

Принцип работы и виды интегральных компараторов

Компараторы с двумя входами и одним выходом. Причем один из входов является прямым, а другой инверсным. На эти входы поступает напряжение, которые устройство сравнивает. В зависимости от этого сравнения на своем выходе устройство устанавливает либо логический ноль, когда напряжение на инверсном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение входа прямого выше, чем на инверсном.

На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе.

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.

Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.

Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.

При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.

При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.

Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.

Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.

Работа компаратора напряжения

В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.

С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.

Для тестирования устройства не нужно сложной схемы. Необходимо включить вольтметр на выход устройства, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.

Характеристики компараторов

При применении приборов нужно учесть характеристики, делящиеся на динамические и статические. Статические – это параметры установившегося режима. Это пороговая чувствительность. Она является наименьшей разностью сигналов входа. При ней возникает логический сигнал на выходе.

Некоторые компараторы оснащены выводами для смещающего напряжения, осуществляющего смещение характеристики передачи от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, то есть разница напряжений входа. Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Устройство

Схема прибора довольно сложная, большая и не слишком понятная. Рассмотрим простую функциональную схему по рисунку.

Показан дифференциальный каскад входа, схема уровневого смещения, логика выхода. Дифференциальный каскад производит основное усиление сигнала разности. Устройством смещения осуществляется оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбрать тип логики для работы. Такая настройка производится подстроченным резистором на выводах «балансировки».

Компаратор с памятью и стробированием

Современные инновационные компараторы оснащены стробирующим входом. Это значит, что сравнение сигналов входа осуществляется только при подаче импульса. Это дает возможность сравнить сигналы входа в необходимый момент.

Простая схема структуры устройства со стробированием:

Устройства по рисунку с парафазным выходом, подобно триггеру – прямой верхний выход, нижний (кружок) – инверсный. С – стробирующий вход. На рисунке а) стробирование сигналов входа осуществляется по высокому уровню входа С. На обозначении входа С изображают знак инверсии маленьким кружком.

Рисунке б) стробирующий вход с чертой /. Это значит, что стробирование проходит по восходящему импульсу. Стробирующий сигнал – разрешение сравнения. Итог сравнения появляется на выходе при действии импульса стробирования. На некоторых устройствах есть память (с триггером). Они сохраняют результат до следующего импульса.

Время импульса стробирования (фронта) должно хватать для того, чтобы сигнал входа успевал проходить через дифференциальный каскад до срабатывания ячейки памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помеха изменяет состояние устройства за время импульса.

Классификация

Компараторы делятся на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. В практической деятельности чаще применяются устройства общего применения.

Такие устройства имеют особенности и свойства, привлекающие к себе внимание. Они потребляют небольшую мощность, могут работать при малом напряжении питания. В одном корпусе можно разместить 4 устройства. Эта группа иногда дает возможность производить полезные устройства.

Это простой преобразователь сигнала в унитарный цифровой код, который можно преобразовать в двоичный, цифровым преобразованием. На схеме имеется 4 компаратора. Напряжение опорное подается на инвертирующие входы по делителю резистивного типа. При одинаковых резисторах на инвертирующих входах устройства напряжение будет равно n * Uоп / 4, n – номер устройства. Напряжение входа подается на неинвертирующие входы, которые соединены вместе.

В итоге сравнения напряжения входа с опорным, на компараторных выходах образуется цифровой унитарный код напряжения входа.

Источник

Компаратор принцип работы

Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения каких-либо величин (от лат. comparare – «сравнивать»).

Является операционным усилителем с большим коэффициентом умножения. Имеет входы: прямой и инверсный. При необходимости опорный сигнал может быть подключен к любому из них.

Как работает компаратор?

На один из входов подается постоянный сигнал, который называется опорным.

Он используется как образец для сравнения. Ко второму поступает испытуемый сигнал. На выходе стоит транзистор, меняющий свое состояние в зависимости от условий:

Соответственно, выходное напряжение меняется скачком от минимума до максимума, или наоборот.

Применение компаратора

Используются в схемах измерения электрических сигналов и в аналогово-цифровых преобразователях. В логических цепях работают элементы «или» и «не», также являющиеся компараторами. Соответственно, использование этого компонента не ограничивается конкретными примерами, поскольку он применяется повсеместно.

Стоит отметить, что устройство сравнения можно сделать из любого операционного усилителя, но не наоборот. Коэффициент усиления компаратора достаточно высок. Соответственно, его входы очень чувствительны к разнице напряжений между ними. Расхождение в несколько милливольт значительно изменяет напряжение выхода.

Таким образом, компаратор позволяет наблюдать минимальные колебания уровней входных напряжений.

Это делает его незаменимым элементом схем сравнения и измерительных приборов высокой точности:

Принцип действия аналогового компаратора

Аналоговый компаратор сравнивает непрерывные сигналы – входной измеряемый и входной опорный.

При медленном изменении входного сигнала, происходит многократное переключение компаратора за малый отрезок времени.

Такое явление называют «электронным дребезгом». Его наличие значительно снижает эффективность сравнения. Поскольку часто повторяющиеся смены состояния выхода, вводят оконечный транзистор в состояние насыщения.

Для уменьшения эффекта «электронного дребезга», в схему вводят ПОС – положительную обратную связь.

Она обеспечивает гистерезис – небольшую разницу между уровнем напряжения включения и отключения.

Некоторые компараторы имеют встроенную ПОС, что уменьшает количество дополнительных элементов построения конструкции.

Особенности цифрового компаратора

Цифровой компаратор – это однобитный аналогово-цифровой преобразователь.

Напряжение выхода представляет либо логический «0», либо «1».

На вход может быть подан как аналоговый, так и цифровой сигнал.

Устройство используется в качестве формирователя импульсов для сопряжения схем датчиков и устройств отображения.

Может применяться для анализа спектра звукового или светового сигнала.

Компаратор – это также логические элементы «или» и «не», используемые в вычислительной технике.

Теоретически при незначительно малых колебаниях уровня входного сигнала, может возникать состояние неопределенности выхода. На практике равенство измеряемого и опорного напряжений не наступает. Поскольку компаратор имеет ограниченный коэффициент усиления или положительную обратную связь.

Компаратор-микросхема

Промышленность выпускает компараторы в виде интегральных схем. Их использование позволяет создавать компактные приборы, с минимумом навесных элементов. Также преимущество малогабаритных деталей в незначительной длине соединительных проводников. В условиях повышенного электромагнитного излучения они являются приемными антеннами для всевозможных электрических помех.

Компаратор на операционном усилителе

У компараторов есть немалое сходство с операционными усилителями:

Пример практического применения компаратора

На принципиальной схеме представлен датчик освещенности.

Опорное напряжение задается резисторами RV1 и R2. При этом, RV1 служит регулятором чувствительности конструкции. Индикация реализована на светодиоде D1. Датчиком является элемент LDR1, который меняет омическое сопротивление в зависимости от освещенности. Собственно компаратор представлен операционным усилителем LM324. Это простое устройство демонстрирует то, как работает компаратор на практике.

Компараторы массы: понятие

Компаратор массы это устройство, предназначенное для уточнения разности значений массы гирь при контроле стандартов массы и веса, а также, для прецизионного взвешивания. Наиболее точные компараторы массы способны взвесить любой образец и сравнить его с иным, подобным ему. Происходит это на уровне атомов. Необходимость в таких устройствах возникает по причине несовершенства эталонных образцов мер веса и объема жидкости.

Типы компараторов

– компаратор для сравнения разнополярных сигналов;

– компаратор для сравнения однополярных сигналов.

Источник

Двойной дифференциальный компаратор что это

В этой статье мы сравним разность двух напряжений. Вроде бы ничего сложного, но мы постараемся это сделать так, чтобы получить результат нашего сравнения в течение микросекунды!

Для этого потребуется новая интегральная схема — компаратор напряжения. Мы также обсудим понятие дифференциального напряжения.

Как сравнить напряжение вручную?

Чтобы понять, зачем нужно сравнение двух разных напряжений, представьте следующую ситуацию: у вас есть две батареи AA с номинальным напряжением 1,5 В. Вы знаете, что одна из них разряжена, но не знаете, какая именно. В ваше устройство, например будильник, нужно поставить менее разряженную, то есть батапейку с более высоким напряжением.

Как сравнить напряжение двух батареек АА

Какая будет ваша первая мысль? Да, правильно, измерить напряжение каждой батареи с помощью мультиметра, и просто сравнить два числа друг с другом. Предположим, что результаты наших измерений следующие: 1,113 В и 1,521 В. Выбор батарейки в будильник очевиден.

Самый простой способ сравнить две батареи — измерить их напряжение мультиметром

Если у вас есть батарейки типа AA, то можете сами проверить их напряжение. Если батареи новые, то их напряжения должны быть одинаковыми (могут быть некоторые различия). Для сравнения вы можете использовать одну старую батареюку, взятую, например, из пульта дистанционного управления.

Однако, у такого метода измерения есть небольшой недостаток — для сравнения напряжения батареи нужно «целых» два измерения. Но эту операцию можно упростить до одного измерения! Достаточно совместить минусы обоих аккумуляторов, и затем прижать щупы мультиметра к их плюсам. Такое измерение покажет нам разницу с предыдущими результатами — мультиметр покажет так называемое дифференциальное напряжение.

Схема измерения напряжения	Дифференциальное напряжение двух батареек АА

Что такое дифференциальное напряжение?

Дифференциальное напряжение — важная концепция в электронике, и идея, лежащая в основе этого проста — если у вас есть два источника напряжения с общей точкой отсчета, вы также можете определить напряжение между их неподключенными клеммами.

Что такое компаратор напряжения?

Компаратор напряжения — это небольшая интегральная схема, которая позволяет сравнивать два напряжения друг с другом. Компаратор имеет два входа: инвертирующий (-) и неинвертирующий (+), а также выход. Кроме того, такая схема явно требует мощности.

Символ компаратора на схемах

Компаратор проверяет разницу напряжений между входами, и на основании этого устанавливает свой выход:

На картинке ниже мы видим схему компаратора с питанием от 6 В. Кроме того, два его входа подключены к отдельным источникам напряжения, которые мы и хотим сравнить друг с другом. К выходу компаратора (и к земле) подключается мультиметр.

Слева большее напряжение на инвертирующем входе, а справа — на неинвертирующем входе

Сразу стоит запомнить, что при сравнении двух напряжений компаратор выдает информацию в виде нуля или единицы. Это означает, что на его выходе напряжение близко к положительной шине питания (здесь 6 В) или к отрицательной (здесь 0 В). Промежуточных состояний нет!

Компараторы напряжения также полезны там, где вам просто нужно сравнить два напряжения. В следующей статье мы обсудим так называемые аналоговые датчики, которые могут измерять, например, текущую температуру или яркость солнечного света. Объединив их с компараторами, мы построим термостат (систему, которая реагирует на превышение заданной температуры) и лампу, которая включается после наступления темноты. Однако, прежде чем мы перейдем к таким схемам, нам необходимо познакомиться с самим компаратором на практике.

LM311 — пример популярного компаратора

Мы проведем эксперименты с использованием микросхемы LM311, которая имеет один компаратор в небольшом восьмиконтактном корпусе. Эта схема выпускалась в различных вариантах уже несколько десятков лет, что можно назвать огромным успехом ее конструкторов.

Схема LM311 — аналоговый компаратор

Его основные параметры (при 25 ° C):

Если вы еще не знаете, что означают эти параметры, не волнуйтесь — мы вернемся к этому позже. Достаточно, если теперь вы сделаете два вывода: микросхему LM311 можно безопасно запитать от наших 6В, а его входы также потребляют очень и очень небольшой ток.

Нумерация выводов

Сразу стоит запомнить:

1) Каждый вывод такой схемы имеет свой номер.

2) Выводы всех интегральных схем, выпускаемых в этих корпусах, пронумерованы одинаково — начните с первого вывода и опуститесь вниз, затем перейдите к другой стороне схемы и поднимитесь.

3) Нам нужно знать, как найти первый вывод (ножку) — здесь все очень просто. Мы всегда смотрим на такую ​​систему сверху (ножки направлены вниз). Затем на одной стороне корпуса находим бороздку или холмик. Вывод слева от этой отметки является номером 1.

Универсальный способ нумерации выводов интегральной схемы

Идентично биполярным транзисторам, в одном корпусе может быть несколько электронных компонентов. Поэтому всегда нужно проверять маркировку: в данном случае, имя элемента будет просто напечатано на корпусе. Конечно, на корпусе могут быть какие-то дополнительные знаки, но должен совпадать главный — „311”.

Функции выводов LM311

Пора узнать о функциях выводов. Обычно, в такой ситуации, смотрим на информацию в каталоге — вводим «LM311 datasheet» в поисковике Google и читаем найденный PDF-файл, подготовленный производителем. Однако на этот раз, для вашего удобства, мы собрали здесь самую важную информацию.

Символическое изображение внутренней части схемы LM311

Как показано на рисунке выше, функции отдельных выходов следующие:

Правильное соединение выводов 5 и 6 позволяет вручную регулировать смещение напряжения и уменьшите его почти до нуля. Это сложная тема, но сейчас вам не о чем беспокоиться. Кроме того, ножка 6 позволяет выключить схему, но сейчас эта функция нам не понадобится.

Выход LM311 относится к типу OC (открытый коллектор), что означает, что в цепи присутствует транзистор, который, в зависимости от результата работы схемы, либо забивается, либо насыщается. Коллектор этого транзистора подключен к выводу 7 и, следовательно, является выходом нашего компаратора. Вы можете найти больше информации об этом в конце этой статьи. А теперь, пора приступить к практике!

Компаратор LM311 на практике

Пора запустить компаратор и проверить его работу на практике. Мы построим схему, которая позволит нам точно наблюдать, что происходит при изменении разницы напряжений между двумя входами компаратора. Для выполнения упражнения вам потребуются следующие элементы:

Эти элементы следует подключать согласно схеме ниже. Если вам все понятно, можно попробовать собрать эту схему на плате самостоятельно. Только помните о правильной полярности светодиода и электролитического конденсатора. Также обратите внимание на нумерацию выводов (ножек) LM311. Если вы не хотите рисковать или не знаете, как собрать такую ​​схему на плате, следуйте приведенным ниже инструкциям, которые пошагово описывают весь процесс сборки.

Схема первой цепи с компаратором LM311

Шаг 1. Начинаем с размещения компаратора в центре макетной платы — углубление в середине платы должно проходить под схемой. Если сомневаетесь, вспомните, как устроена макетная плата — другое расположение схемы может привести к короткому замыканию контактов.

Примеры неправильного и правильного размещения интегральных схем на макетной плате

Шаг 2. Добавьте два фильтрующих конденсатора блока питания (C1 и C2 на схеме).

Шаг 1: размещение на макетной плате	Шаг 2: конденсаторы силового фильтра

Шаг 3: берем два резистора по 10 кОм (в схеме R3 и R4), создаем один делитель напряжения, центр которого совмещаем с инвертирующим входом компаратора (вывод 3).

Шаг 4. Подключите питание к восьмой ножке (выводу) компаратора. Дополнительно подключите светодиод с резистором к плате (на схеме LED1 и R5).

Шаг 3: делитель напряжения	Шаг 4: питание микросхемы, светодиод и резистор

Шаг 5. Используя следующие резисторы 10 кОм (R1 и R2 на схеме) и потенциометр 5 кОм (P1), создаем делитель напряжения, который подключаем к неинвертирующему входу компаратора LM311.

Шаг 6. Добавьте недостающие соединения, то есть соедините контакты 1 и 4 с землей схемы. Вы также должны подключить крайние положительные провода, расположенные на макетной плате, для передачи напряжения с одной стороны платы на другую.

Шаг 5: второй делитель напряжения	Шаг 6: последние штрихи

На практике, схема может выглядеть как на фото ниже. Сматывание проводов нужно только для того, чтобы сделать сборку более понятной. На практике, вся схема может выглядеть более хаотичной — это совершенно нормальный вид для сборки на макетной плате.

Подключение с помощью смотанных проводов	Подключение без сматывания проводов

Как работает вышеуказанная схема?

На макетной плате есть делитель напряжения (R3 и R4), благодаря которому, на инвертирующем входе LM311 напряжение составляет около 3 В. Аналогичный делитель подключен к инвертирующему входу, но есть потенциометр, который влияет на сопротивление всего делителя, что позволяет вручную настроить подключение на небольшой диапазон (в диапазоне от

3,6 В). Благодаря этому мы можем наблюдать, как LM311 ведет себя при разных напряжениях на неинвертирующем входе.

Включаем питание и наблюдаем за диодом, медленно поворачивая потенциометр. При низком состоянии светодиод должен гореть, а при высоком — нет.

Низкое состояние на выходе — светодиод горит	Высокое состояние на выходе — светодиод не горит

В случае, когда потенциометр повернут в крайнее положение, на неинвертирующем входе будет около 2,4 В, что меньше 3 В на инвертирующем входе. Компаратор сравнивает напряжение на обоих входах. Итак, вспомним фрагмент из предыдущего описания:

Таким образом, в этой ситуации на выходе компаратора отображается потенциал, близкий к 0 В. Для упрощения — масса, то есть «минус от батареи». Следовательно, диод, подключенный к выходу компаратора, включен, потому что он подключен анодом (через резистор) к положительной шине питания, поэтому, когда на катоде с выхода компаратора появляется «минус», ток будет протекать и диод будет гореть.

После поворота потенциометра в другую сторону неинвертирующий вход будет иметь более высокое напряжение, поэтому на выходе компаратора мы получим напряжения, близкие к положительной шине питания. Проще говоря, будет «аккумулятор плюс». В этой ситуации светодиод будет подключен к плюсу «с двух сторон» (анод через резистор батареи и катод компаратора) и, следовательно, не будет гореть.

Неожиданные сбои

Однако есть положение (около половины оборота потенциометра), в котором светодиод горит мягко или быстро мигает. При таком положении, схема может быть чувствительной даже к приближению руки.

Откуда берутся помехи?

Компаратор на самом деле называется дифференциальным усилителем напряжения. Коэффициент усиления LM311 достигает 200 В / мВ, что означает, что 1 мВ дифференциального напряжения на входах усиливается до 200 В на выходе. Но успокойтесь: такого высокого напряжения на выходе этой схемы нет — это просто пропорциональные расчеты.

Что, если нам удастся установить, например, около десятка микровольт дифференциального напряжения? Это очень сложно, но возможно — медленно поворачивая потенциометр, однажды мы найдем такую ​​настройку. Затем схема делает то, что может, т.е. усиливает, но не может полностью переключить диод. Дифференциальное напряжение слишком мало, чтобы решить, положительное оно или отрицательное. Тогда мы можем сказать, что мы находимся в переходной зоне компаратора.

Обратная связь компаратора

Нам не нужны схемы, которые ведут себя хаотично. В предыдущую схему необходимо внести некоторые изменения, чтобы в схеме никогда не возникало проблем с определением знака дифференциального напряжения.

На этот раз достаточно буквально одного резистора, но это будет элемент с очень высоким сопротивлением, мы говорим о резисторе 1 МОм! Он должен быть подключен между неинвертирующим входом и выходом компаратора (на схеме R6).

Принципиальная схема с добавленным резистором (обратная связь)

На практике такое подключение можно реализовать даже без дополнительных проводов. Вам просто нужно аккуратно подключить резистор над микросхемой.

Схема с подключенной обратной связью	Схема обратной связи на практике

Включаем питание и снова поворачиваем ползунок потенциометра. Что изменилось? Наш резистор R6 перенаправляет часть тока (очень небольшую) с выхода на неинвертирующий вход.

Обратная связь заключается в том, что схема (в данном случае компаратор напряжения) перенаправляет некоторую информацию со своего выхода на вход. В данном случае, эта информация представляет собой ток, протекающий через резистор 1 МОм. Обратная связь бывает двух типов:

Как работает обратная связь?

Работу этой схемы можно объяснить следующим образом: если светодиод не горит, это означает, что выходное напряжение близко к положительной шине питания. Ток протекает через R6 к неинвертирующему входу, что еще больше увеличивает его потенциал и увеличивает дифференциальное напряжение.

Однако уменьшение напряжения, с помощью потенциометра, в какой-то момент переключит состояние компаратора, т.е. ток, подаваемый R6, перестанет быть достаточным, и потенциал неинвертирующего входа будет ниже, чем у инвертирующего входа. В результате, на выходе компаратора появится потенциал до нескольких сотен милливольт, который можно упростить до массы (минус батареи). Светодиод загорится. Через R6 ток начнет течь в другом направлении — от неинвертирующего входа к выходу, благодаря чему дифференциальное напряжение снова будет увеличиваться, на этот раз с противоположной полярностью.

Такое свойство схемы называется гистерезисом — она ​​запоминает свое предыдущее состояние, поэтому следующий толчок, который смог бы ее переключить, должен быть достаточно сильным. Гистерезис необходим во всех схемах, в которых запоминающиеся процессы протекают медленно, особенно в термостатах.

Гистерезис представляет собой зону нечувствительности, в которой система не реагирует на изменения

Величина резистора R6 влияет на ширину гистерезиса, то есть на расстояние между напряжениями (устанавливается с помощью потенциометра P1), при котором схема меняет состояние выхода. При отсутствии этого резистора, что можно считать бесконечно большим сопротивлением, пороги включения и выключения находились практически в одном месте.

Уменьшение этого сопротивления до 1 МОм привело к четкой разнице между порогами переключения. Следуя этому пути, дальнейшее уменьшение значения R6 вызовет еще большую разницу между напряжением, при котором схема включает диод, и напряжением, при котором схема отключает его.

Причина этого кроется в большей интенсивности протекающего через него тока связи (поскольку здесь все еще действует закон Ома ). Если сила этого тока выше, то он может сильнее повлиять на потенциал неинвертирующего входа — «добавляя» или «забирая» ток из части схемы (R1 + P1 + R2).

В случае отсутствия обратной связи, наш делитель напряжения с потенциометром смещает неинвертирующий вход на постоянное, задаваемое вручную напряжение. С другой стороны, в случае схемы обратной связи, ситуация немного сложнее, потому что через резистор R6 протекает относительно небольшой ток, который протекает один раз со входа на выход и один раз с выхода на вход компаратора. Это зависит от состояния выхода компаратора. Обе ситуации показаны на рисунках — путь дополнительного тока обратной связи отмечен красными стрелками.

Срабатывание гистерезиса — переход во включенное состояние	Работа гистерезиса — переход в выключенное состояние

Все зависит от выходного потенциала компаратора. Если выход низкий, дополнительный ток течет от входа к выходу. Однако, если выход компаратора высокий, ток течет в противоположном направлении. В зависимости от направления этот ток протекает через потенциометр или ту или иную половину делителя напряжения. Таким образом, он тонко меняет напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход. Благодаря этому схема работает более стабильно, потому что ей «кажется», что разница между входами компаратора немного больше, чем есть на самом деле.

Ток обратной связи, влияющий на выход компаратора	Ток обратной связи, протекающий с выхода компаратора

Принцип работы компаратора (для любознательных)

Иногда, юные электронщики используют юмористический термин «магический треугольник», т.к. они еще не знакомы с внутренней структурой схемы. Чтобы полностью понять, как работает компаратор, нужно хорошо знать транзисторы — внутри компаратора нет никакого волшебства.

Ниже представлена ​​простейшая принципиальная схема компаратора. Схема ужасная, но она будет работать. Следующая информация должна рассматриваться чисто из любопытства — мы не будем использовать этот тип компараторов.

Построение простого компаратора на транзисторах

Транзисторы Т1 и Т2 образуют так называемую дифференциальную схему, которая находится на входе каждого компаратора. Ее преимущество в том, что она позволяет изучать дифференциальное напряжение, ведь здесь важна только разница напряжений между их базами.

Если напряжение на Т1 ниже, чем на Т2, первый транзистор открывается, а второй забивается. Это связано со свойствами транзистора PNP — для его открытия необходим базовый потенциал ниже, чем у эмиттера. База T1 будет снижать потенциал эмиттеров ниже, чем база T2, вызывая засорение T2. Весь ток от резистора будет проходить через коллектор T1.

Транзисторы Т1 и Т2 постоянно конкурируют друг с другом за ток от резистора R1. Тот, кто побеждает (то есть начинает проводить ток от эмиттера к коллектору), устанавливает напряжение эмиттер-база около 0,7 В. Если его «противник» не проводит ток, его напряжение эмиттер-база ниже.

Если в ситуации, показанной ниже, транзистор T2 с базовым потенциалом 2,5 В должен был проводить ток, то его потенциал эмиттера был бы 3,2 В или 0,7 В. Однако тогда, напряжение эмиттер-база транзистора T1, поскольку их эмиттеры соединены, будет до 3,2 В — 2 В = 1,2 В, поэтому он будет проводить гораздо больший ток.

Простой компаратор — текущий путь в первой ситуации

В схеме напряжений, которую мы только что предположили, Т1 должен проводить ток. Потенциал эмиттера будет 2,7 В. Тогда напряжение эмиттер-база в транзисторе Т2 будет всего 2,7 В — 2,5 В = 0,2 В. Следовательно, Т2 останется забитым. Весь ток от R1 будет течь на землю через коллектор T1. Ток не будет течь в базу T3, и этот транзистор также будет забит.

Теперь поменяем местами провода, подающие напряжение на входы компаратора. Дифференциальное напряжение по-прежнему составляет 0,5 В, но его знак изменился. Теперь потенциал базы Т2 составляет 2 В, а Т1 — 2,5 В. Теперь можно сделать вывод, что Т2 придется открывать. Его напряжение эмиттер-база будет 0,7 В, а Т1 — 0,2 В, поэтому он останется забитым.

Простой компаратор — путь тока во второй ситуации

Весь ток от резистора R1 будет протекать через эмиттер T2 на базу T3. Этот транзистор, пока забитый, но сможет открыться и через его коллектор сможет протекать ток, например, от дополнительного резистора (подробнее об этой теме чуть позже), к земле системы. Если ток коллектора достаточно низкий, транзистор может насыщаться.

Таким образом, эта простая схема действует как реальный компаратор. Когда потенциал входа, отмеченного знаком «+», выше, чем «-», состояние выхода высокое (выходной транзистор забит). Если входной потенциал «-» выше, чем «+», выход будет закорочен на массу (выходной транзистор открыт).

Что такое выход с открытым коллектором?

Открытый коллектор — это распространенный тип вывода в системах с двумя состояниями. Одно из состояний — низкое — сигнализируется замыканием этого выхода на массу системы, что реализуется встроенным выходным транзистором. Второе состояние, высокое, — это засорение этого транзистора. Оно определяется как высокое, потому что коллектор этого транзистора обычно подключен к нагрузке, подключенной с другой стороны к положительной шине питания. Когда через него не протекает ток, на нем нет падения напряжения, поэтому потенциал коллектора транзистора равен напряжению питания.

Принцип работы выхода типа OC

Преимущество этого типа выхода состоит в том, что на нагрузку может подаваться напряжение, отличное от напряжения остальной схемы. Это может быть, например, реле с катушкой на напряжение 12 В, тогда как остальная электроника получает 5 В. Переключение этого реле будет происходить в низком состоянии после насыщения выходного транзистора. В свою очередь, чтобы выключить его, достаточно прервать протекание тока (засорение транзистора).

Когда компаратор перестает нормально работать?

Компаратор показывает нам знак дифференциального напряжения, приложенного к его входам. Что, если оба входа поляризованы с одинаковым потенциалом? Это можно сделать очень легко, закоротив их — тогда дифференциальное напряжение будет равно нулю.

Ранее мы предполагали, что транзисторы T1 и T2 в открытом состоянии имеют напряжение эмиттер-база 0,7 В. Это не совсем так — они отличаются друг от друга даже на десяток милливольт. Производители стараются уменьшить эти отличия, но такая проблема была, есть и будет… Итак, как и во многих других ситуациях — нужно помнить о некоторой погрешности и несовершенстве элементов.

Смещение напряжения и тока

Транзисторы дифференциальной схемы, помимо приложенных к напряжениям, также учитывают для сравнения их напряжение эмиттер-база. Эти напряжения складываются с внешними, что влияет на определение потенциала эмиттера и решение, какой транзистор подключить.

Под смещением следует понимать источник напряжения, который «имеет» компаратор и который последовательно подключен к одному из входов. Производители никогда не указывают точное значение смещения, так как оно зависит от агрегата, температуры и других факторов. Вместо этого они указывают диапазоны, например ± 5 мВ. Для электроники это означает, что такой компаратор должен возбуждаться дифференциальным напряжением, превышающим 5 мВ, потому что меньшие по размеру могут не правильно распознаваться.

Фрагмент каталожной записи LM311

В дополнение к смещению напряжения существует также смещение тока, то есть разница между токами, потребляемыми базами транзисторов, управляющих входами. Она упоминается гораздо реже, чем смещение напряжения, но вы должны знать о его существовании — это также вызвано различиями в параметрах транзисторов.

Диапазон входного напряжения компаратора

Компараторы также характеризуются приемлемым диапазоном входных напряжений. Для правильной работы транзисторов в дифференциальной цепи, потенциалы, приложенные к их базам, должны быть немного выше, чем напряжение на отрицательной части источника питания, и ниже, чем на положительной.

Типичные компараторы требуют напряжения питания примерно 1-2 В от напряжения питания. Однако есть группа компараторов, которые могут работать с гораздо меньшим запасом, порядка 20–100 мВ.

Вывод

Вот мы и прошли с вами очень важную тему, касающуюся компараторов напряжения. Если на этом этапе вам что-то непонятно, убедитесь, что вы понимаете общий принцип работы этих элементов. Детальные знания внутренней структуры компаратора сейчас не понадобятся, поэтому вам не нужно сосредотачиваться на этом — самое главное, вы можете воссоздать практическое упражнение.

Если в настоящее время вы не видите практического применения компаратора, подождите, пока мы не начнем комбинировать его с другими элементами, например, аналоговыми датчиками. Для этого, в следующей статье, мы построим лампу, которая автоматически включается после наступления темноты, а также соберем простой термостат.

Источник