Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Роль компараторов в электронике

Компараторы являются одним из основных элементов в электронных схемах. Они используются для сравнения двух входных напряжений и выдачи сигнала, указывающего на то, какое из них больше. Роль компараторов в электронике невозможно переоценить, так как они широко применяются в различных устройствах и системах.

Одним из наиболее распространенных применений компараторов является их использование в системах автоматического управления. Компараторы позволяют сравнивать сигналы с заданным опорным значением и принимать соответствующие решения на основе результатов сравнения. Например, в системе регулировки температуры компаратор может использоваться для сравнения текущего значения температуры с заданным пороговым значением и активации соответствующего исполнительного механизма для поддержания заданного уровня температуры.

Компараторы также широко применяются в аналоговых и цифровых устройствах для обработки сигналов. Например, в аналоговых схемах компараторы используются для сравнения амплитуд сигналов и выдачи цифрового сигнала на основе результатов сравнения. В цифровых схемах компараторы играют важную роль в схемах сравнения и селективного усиления.

Для удобства работы с компараторами они выпускаются в виде отдельных микросхем, которые могут быть легко подключены к другим элементам электронной схемы. Они обладают различными характеристиками, такими как напряжение сравнения, скорость работы, потребляемая мощность и другие параметры. Выбор компаратора зависит от конкретной задачи и требований к нему.

Таким образом, компараторы в электронике играют важную роль в обработке сигналов, обеспечивая возможность сравнения входных напряжений и принятие решений на основе результатов этого сравнения. Они широко используются в различных системах и устройствах, от систем автоматического управления до аналоговых и цифровых схем.

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».

Вам это будет интересно Измерение мультиметром с токовыми клещами

Обозначение на схемах

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.

Компаратор на операционном усилителе

У компараторов есть немалое сходство с операционными усилителями:

• коэффициент усиления;
• входное сопротивление;
• значение входных токов;
• состояние насыщения.

Чувствительность, по-другому разрешающая способность, – это специфический параметр. Она определяет точность сравнения. Характеризуется минимальной разностью сигналов, при которой происходит срабатывание компаратора. Ее значение у интегральных микросхем имеет сотен микровольт. Это несколько хуже, чем у компараторов на операционных усилителях.

Время переключения характеризует быстродействие компараторов. Определяется минимальным временем изменения выходного сигнала: от момента сравнения до момента срабатывания. Зависит от разности сигналов на входах. Значения времени переключения составляют десятки и сотни наносекунд.

Принцип работы компаратора

Компаратор удобно строить на операционном усилителе (ОУ). Для этого непосредственно используются его свойства:

• усиление разности сигнала между прямым и инвертирующим входом;
• бесконечный (на практике – от 10000 и выше) коэффициент усиления.

Работу ОУ в качестве компаратора можно рассмотреть при такой схеме включения:

Пусть имеется ОУ с коэффициентом усиления 10000, напряжение питания двуполярное, + 5 В и минус 5 В. Делителем на инвертирующем входе установлен опорный уровень ровно 0 вольт, на прямом входе с движка потенциометра снимается минус 5 вольт. Операционный усилитель должен усилить разницу в 10000 раз, теоретически на выходе должно появиться напряжение минус 50000 вольт. Но такого напряжения операционнику взять негде, и он создает максимум возможного – напряжение питания, минус 5 вольт.

Если начать поднимать напряжение на прямом входе, ОУ будет стараться выставить разность напряжений между входами, умноженную на 10000. Это ему удастся, когда входное напряжение приблизится к нулю и станет равным примерно минус 0,0005 В. При дальнейшем увеличении входного напряжения на положительном входе, выходное будет подниматься до нуля и выше, и при напряжении +0,0005 вольт станет равным +5 В и дальше не поднимется – некуда. Таким образом, при прохождении входным напряжением уровня нуля (точнее, минус 0,0005 вольт — + 0,0005) произойдет скачок выходного напряжения от минус 5 вольт до +5 вольт. Иными словами, пока напряжение на прямом входе ниже, чем на инвертирующем, на выходе компаратора устанавливается ноль. Если выше – единица.

Интерес представляет участок разности уровня на входах от минус 0,0005 вольт до + 0,0005. В теории при его прохождении произойдет плавный подъём от отрицательного напряжения питания до положительного. На практике этот диапазон очень узок, и из-за наводок, помех, нестабильности напряжения питания и т.д. при примерном равенстве напряжений на входах будет происходить хаотичное срабатывание компаратора в обе стороны. Чем ниже коэффициент усиления ОУ, тем это окно нестабильности шире. Если компаратор управляет исполнительным механизмом, то это вызовет его срабатывание в такт (щелканье реле, хлопанье клапана и т.п.), что может привести к его механической поломке или перегреву.

Чтобы этого избежать, создается неглубокая положительная обратная связь включением резистора, указанного штриховой линией. Это создает небольшой гистерезис, смещая пороги переключения при прохождении напряжения вверх и вниз относительно опорного. Например, вверх компаратор будет переключаться при 0,1 вольт, а вниз – ровно при нуле (зависит от глубины обратной связи). Это исключит окно нестабильности. Номинал этого резистора может быть от нескольких сотен килоом до нескольких мегаом. Чем ниже сопротивление, тем больше разница между порогами.

Также имеются специализированные микросхемы компараторов. Например, LM393. В таких микросхемах имеется быстродействующий операционный усилитель (или несколько), может быть установлен встроенный делитель, создающий опорное напряжение. Ещё одно отличие таких компараторов от устройств, построенных на ОУ общего применения – многим из них требуются однополярный источник питания. Большинству операционников нужно двуполярное напряжение. Выбор типа микросхемы производится при разработке устройства.

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.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Общие сведения

Компаратор — это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть U_вх — анализируемый сигнал и U_оп — опорный сигнал сравнения, а выходной U_вых — дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

(1)

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1).

Рис. 1. Характеристики компараторов

Рис. 2. Процессы переключения компараторов

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U1_вых — U_вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 2) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами — или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 1а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 2). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый «дребезг», эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рис. 3. Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂. Если U_вх — U_оп > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При U_вх — U_оп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации U_ст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме на рис. 3 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.

Обозначение и технические характеристики

Компаратор — это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и тока, выдает выходной сигнал, указывающий, какое из них больше, при вычислении отношения. Он имеет две аналоговые положительные и отрицательные входные клеммы и двоичный цифровой выход, как и АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.

Отображение компаратора UGO выглядит следующим образом:

Фото — компаратор УГО

Изначально использовался только встроенный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), известный как высокоскоростной. Для этого требуется определенное дифференциальное напряжение в определенном диапазоне, которое значительно ниже сетевого напряжения. Эти устройства не принимают другие внешние сигналы, выходящие за пределы диапазона сетевого напряжения.

Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/Atmega 2313) с транзисторным входом. Он имеет потенциал входного сигнала в пределах менее 0,3 вольта и не поднимается выше. Устройство также может быть сверхбыстрого типа (стереокомпаратор), где входной сигнал меньше указанного диапазона, например 0,2 Вольта. Как правило, полезный диапазон ограничен только определенным входным напряжением.

Фото — Компаратор

Помимо простого устройства, существует еще видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это устройство имеет очень тонкий баланс между разницей между входным сигналом и высоким импедансом сигнала. Из-за этой характеристики операционный компаратор используется в низковольтных цепях с низкой проводимостью.

Фото — схема компаратора

Теоретически частотный операционный усилитель работает в конфигурации с разомкнутым контуром (без отрицательной обратной связи) и может использоваться в качестве низкоэффективного компаратора. Но при этом неинвертирующий вход (+V) находится под более высоким напряжением, чем инвертирующий (V-). Высокий коэффициент усиления операционного усилителя вызывает низкое выходное напряжение на входе устройства.

Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне мощности, после чего он все еще может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничено только напряжением питания.

Принципиальная схема операционного усилителя, работающего в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с использованием балансного раздельного источника питания (питание от ±VS). Многие устройства, работающие с компаратором, также имеют возможность захвата полученных данных с помощью видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые цепи и элементы с низкой проводимостью.

Фото — простой компаратор

Но у усилителя-компаратора есть несколько существенных недостатков:

1. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Но при этом операционная система имеет более длительный режим восстановления;
2. Почти все операционные усилители имеют внутренний компенсационный конденсатор, который ограничивает скорость нарастания высокочастотных сигналов. Исходя из этого, данная схема немного задерживает импульс;
3. Компаратор не имеет внутреннего гистерезиса.

Из-за этих недостатков компаратор для управления различными цепями в большинстве случаев используется без усилителя, за исключением генератора.

Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением и легко подключается к цифровой логике. Поэтому его часто используют в различных тепловых устройствах (термостат, термовыключатель). Он также используется для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и другие схемы.

Фото — аналоговый компаратор

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.

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 (-).

Простые конструкции

На практике компараторы напряжения нашли широкое применение в электронных схемах различного направления. В радиомагазинах можно найти довольно большое количество различных микросхем. Но наиболее используемыми микросхемами среди радиолюбителей являются:

• ЛМ311;
• К554КА3;
• ЛМ339;
• МАКС934.

К выходу устройства можно подключить любую нагрузку с током потребления, обычно не превышающим 50 мА. Это может быть реле, резистор, светодиод, оптопара или любой актуатор, но с токоограничивающими элементами. Также возможно подключение индуктивной нагрузки, но в этом случае она обычно шунтируется диодами. Для работы устройства используются блоки питания с выходным напряжением 5–36 вольт.

Фотореле контроля

Такое реле монтируется методом поверхностного монтажа. Его можно использовать в системе безопасности или для управления уровнями освещения. Работа схемы заключается в следующем. Входное напряжение подается на деталь, состоящую из R1 и фотодиода VD3. Их общая точка соединения через ограничительные диоды VD1 и VD2 подключена к входам компаратора DA1. В результате на входе прибора отсутствует разность потенциалов, а значит, чувствительность прибора максимальна.

Чтобы выходной сигнал инвертировался, нужно создать на входе разницу всего в один милливольт. В связи с тем, что конденсатор С1 и резистор R1 подключены к инверсному входу, напряжение на нем будет возрастать с небольшой задержкой, равной времени заряда конденсатора.

Но этого времени достаточно, чтобы на выходе появилась логическая единица, которая перестроит режим работы реле, подключенного в качестве нагрузки. Как только освещение снова изменится, ситуация повторится. Направляя фотореле в то или иное место, в случае изменения освещения таким образом будет возникать разность напряжений на входах компаратора.

Следовательно, изменится и работа реле, к которому можно подключать разные типы нагрузок.

Зарядный блок

Готовый блок питания из исправных элементов сразу начинает работать. Настройки сводятся только к установке номинального зарядного тока и порогов срабатывания компаратора. Когда устройство включено, загорается зеленый светодиод, указывая на наличие питания. Во время зарядки всегда должен гореть красный светодиод, который гаснет, как только батарея заряжается.

Подаваемое напряжение от блока питания регулируется R2, ​​а зарядный ток задается R4. Настройка производится с помощью резистора на 150 Ом, подключенного параллельно контактам держателя батареи. Сам аккумулятор в комплект не входит. Транзистор VT1 установлен на радиаторе; вместо него можно использовать аналог КТ814Б.

Такую схему необходимо собрать на печатной плате, но в итоге размер не должен превышать 50 х 50 мм.

Можно собрать более простую схему по принципу работы стабилизатора тока.

Опорное напряжение подается на вход LM358 через стабилитрон. Второй вход микросхемы подключается после датчика тока. Если к выходу компаратора подключить разряженную батарею, то ток в цепи начнет возрастать, и часть напряжения будет падать на низкоомном резисторе.

Между двумя входами микросхемы будет разница напряжений. Схема начнет компенсировать эту разницу увеличением выходного тока. В процессе заряда аккумулятора входное напряжение начнет падать, что приведет к уменьшению тока в цепи. Как только батарея зарядится, транзистор VT1 закроется и нагрузка отключится. Зарядный ток ограничивается изменением сопротивления R1.

Разновидности компараторов в электронике

Компараторы в электронике выполняют различные функции, и для каждой из них существуют различные разновидности. Рассмотрим некоторые из них:

1. Односторонние компараторы:

   Односторонние компараторы сравнивают входное напряжение только с одним пороговым значением. Если входное напряжение выше порогового, то на выходе компаратора будет высокий уровень сигнала, а если ниже — низкий уровень сигнала.

   Такие компараторы обычно используются для определения превышения или недостатка электрического сигнала по сравнению со значением референсного напряжения.

2. Двухсторонние компараторы:

   Двухсторонние компараторы сравнивают входное напряжение с двумя пороговыми значениями. В зависимости от соотношения между входным напряжением и пороговыми значениями, на выходе компаратора может быть один из трех уровней сигнала: высокий, низкий или средний.

   Такие компараторы часто используются для непосредственного сравнения двух сигналов или для реализации аналоговых коммутаторов.

3. Компараторы с гистерезисом:

   Компараторы с гистерезисом имеют два пороговых значения, но отличаются от обычных двухсторонних компараторов тем, что уровень выходного сигнала меняется только при переходе входного напряжения через границы пороговых значений с определенной шириной (гистерезисом).

   Такие компараторы применяются для фильтрации или устранения мигания сигналов или других устройств, которые могут срабатывать при плавном переходе значений напряжения.

Каждая из этих разновидностей компараторов имеет свои особенности и применяется в определенных областях электроники в зависимости от требуемой функциональности.

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»…

Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта

Применение положительной обратной связи (ПОС) в компараторах и триггерах Шмитта ускоряет переключение схем, но в связи с тем, что выходное напряжение UВЫХ изменяется от UНАС+ до UНАС-, то время переключения составляет довольно значительную величину (от долей до единиц микросекунд).

Кроме того существует проблема несовместимостей уровней выходного напряжения, к примеру, при напряжении питания ОУ UПИТ = ±15 В, выходное напряжение составит UВЫХ ≈ ±14 В (UНАС+ ≈ +14 В, а UНАС- ≈ -14 В), в то время как уровни ТТЛ микросхем составляют около +5 В или 0 В.

Для устранения вышеописанных проблем применяют так называемую привязку или ограничение уровня выходного напряжения, для этого в компаратор или триггер Шмитта вводят ООС в виде различных схем ограничения. Простейшими ограничительными схемами являются диоды или стабилитроны. Схема триггера Шмитта с ограничение выходного напряжения показана ниже

Триггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООС.

Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом. При поступлении на инвертирующий вход напряжения меньше, чем напряжение опорного уровня (UВХ ОП), то выходное напряжение UВЫХ начинает изменяться в положительном направлении и при достижении напряжения стабилизации стабилитрона UСТ напряжение на выходе перестанет расти, а будет изменяться только ток. При этом выходное напряжение будет равняться напряжению стабилизации стабилитрона (UВЫХ = UСТ).

В случае если входное напряжение начнёт увеличиваться, выше опорного напряжения, то на выходе напряжение начнёт уменьшаться и в этом случае направление тока через стабилитрон начнёт изменяться на противоположный, а стабилитрон начнёт вести себя как диод. В результате падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В независимо от величины протекающего через него тока, а на выходе напряжение составит -0,7 В.

Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: UВЫХ1 = UСТ (при отсутствии ограничения UНАС+) или UВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения UНАС-).

Для симметричного ограничения выходного напряжения могут применяться последовательно включенные диоды или стабилитроны, что показано на рисунке ниже

Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.

В данной схеме реализуется симметричное ограничение выходного напряжения относительно опорного напряжения, причем выходное напряжение выше опорного напряжения ограничивается стабилитроном VD1, а напряжение при этом составит на 0,7 В больше напряжения стабилизации. В случае же выходного напряжения ниже опорного, то выходное напряжение будет на 0,7 В ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2.

При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве UНАС+ необходимо использовать UСТ (когда используется один стабилитрон) или UСТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо UНАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или UСТVD2 (при двухстороннем ограничении).

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Прошло почти два года с тех пор, как я пытался приручить операционный усилитель УД708 для сравнения двух сигналов. Знаний тогда было мало, поэтому времени уходило много, а главное — еще и безрезультатно. Но в итоге для своей задачи я смог «договориться» с компаратором LM393N. А на днях перебирал поделку, в которой впервые использовал эту микросхему, и решил вспомнить, как работает компаратор. Заодно и другим рассказать.Компаратор — это устройство, сравнивающее два аналоговых сигнала. В самом простом случае — операционный усилитель без обратных связей. На входы ему подаются два напряжения — эталонное, оно же опорное (известно заранее) и измеряемое. На выходе возможны два состояния:

«1» — когда напряжение на прямом входе больше, чем на инвертирующем;«0» — когда напряжение на прямом входе меньше, чем на инвертирующем.

Некоторые компараторы самостоятельно формируют уровни логических нуля и единицы (например, «ноль» — это ноль, «единица» — плюс пять вольт), но LM393 — с открытым коллектором. Ей для создания выходного напряжения нужен внешний резистор, подключающийся либо к «плюсу» питания, либо к другому «плюсу» (в разумных пределах, конечно).

Первые две схемы — каноничное включение нагрузки под открытый коллектор. Я подключал внешний резистор к питающему «плюсу».

Обозначение и технические характеристики

Компаратор – это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и силу тока, выдает конечный силовой сигнал, указывая на большее из них, одновременно производя расчет соотношения. У него есть две аналоговые вводные клеммы с положительным и отрицательным сигналом и один двоичный цифровой выход, как и у АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.

УГО отображение компаратора выглядите следующим образом:

Фото — УГО компаратора

Изначально использовался только интегрированный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), который известен как высокоскоростной. Он требует определенного дифференциального напряжения в определенном диапазоне, который существенно ниже, чем напряжение сети питания. Эти приборы не допускают никаких других внешних сигналов, которые находятся вне диапазона напряжения сети.

Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/ Atmega ), у которого транзисторный ввод. У него вводный потенциал сигнала находится в диапазоне менее 0,3 Вольт и не поднимается выше. Устройство может быть также ультра быстрого типа (стереокомпаратор), благодаря чему входной сигнал меньше обозначенного диапазона, к примеру, 0,2 Вольта. Как правило, используемый диапазон ограничивается только конкретным входным напряжением.

Фото — Компаратор

Помимо простого прибора, также существует видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это прибор, у которого очень тонко сбалансирована разница входа и высокого сопротивления сигнала. Благодаря такой характеристики, операционный компаратор используется в низкопроводимых схемах с небольшим вольтажем.

Фото — схема компаратора

В теории, частотный операционный усилитель работает в конфигурации с открытым контуром (без отрицательной обратной связи) и может быть использован в качестве компаратора низкой производительности. Но при этом, не инвертирующий вход (+ V) находится на более высоком напряжении, чем на инвертирующий (V-). Высокое усиление, выходящее из операционного усилителя, провоцирует выход низкого напряжения на входе в устройство.

Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне питания, то он все равно может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничивается только напряжением питания. Принципиальная электрическая схема ОУ работает в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с помощью сбалансированного сплит-источника питания (питание от ± V S ). Многие приборы, работающие с компаратором, также имеют свойство фиксировать полученные данные при помощи видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые контуры и низкопроводящие элементы.

Фото — простой компаратор

Но у компараторного усилителя существует несколько существенных недостатков:

1. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Но при этом, ОУ имеет более длительный режим восстановления;
2. Почти все операционные усилители имеют конденсатор внутренней компенсации, который ограничивает скорость нарастания выходного напряжения для высокочастотных сигналов. Исходя из этого, данная схема немного задерживает импульс;
3. Компаратор не имеет внутреннего гистерезиса.

Из-за этих недостатков, компаратор для управления различными схемами, в большинстве случаев, используется без усилителя, исключением является генератор.

Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением, которое легко взаимодействует с цифровой логикой. Поэтому его часто используются в различных термических приборах (терморегулятор, реле температуры). Также его применяют для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и прочая схемотехника.

Фото — аналоговый компаратор

Видео: компараторы

Функции выводов LM311

Пришло время узнать о функциях выводов. Обычно в такой ситуации смотрим информацию в каталоге — вводим в поисковике Google «LM311 datasheet» и читаем найденный PDF файл, подготовленный производителем. Но в этот раз для простоты мы собрали здесь самую важную информацию.

Символическое изображение внутренней части схемы LM311

Как показано на рисунке выше, функции отдельных выходов следующие:

1. эмиттер выходного транзистора (обычно присоединяется к земле цепи),
2. неинвертирующий вход (+),
3. инвертирующий вход (-),
4. отрицательный полюс источника питания (земля цепи),
5. остаток средств,
6. баланс/блокировка,
7. коллектор выходного транзистора,
8. положительный полюс источника питания.

Правильное подключение контактов 5 и 6 позволяет вручную отрегулировать смещение напряжения и снизить его практически до нуля. Это сложная тема, но теперь вам не о чем беспокоиться. Кроме того, пин 6 позволяет отключать цепь, но сейчас эта функция нам не нужна.

Символ компаратора и транзистора «внутри схемы» на рисунке служит только для удобства, чтобы помочь вам быстро понять, что представляет собой схема и как она работает. На самом деле внутренняя часть этой схемы намного сложнее.

Выход LM311 имеет тип OC (открытый коллектор), что означает наличие в схеме транзистора, который в зависимости от выхода схемы либо закрывается, либо насыщается. Коллектор этого транзистора подключен к выводу 7 и, следовательно, является выходом нашего компаратора. Более подробную информацию об этом вы найдете в конце этой статьи. Теперь пришло время начать практиковать!