Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Включение 4


Измеряемое напряжение подается на инвертирующий вход, опорное — на прямой.

Пока напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на прямом, компаратор выдает «ноль», и светодиод не горит. Иначе — «единица».

Вообще, лучше, конечно, пользоваться первыми двумя общепринятыми схемами, чтобы не было путаницы.

Метеорит72 - лучший интернет магазин светодиодного освещения! Товары высочайшего качества, безупречный сервис, широчайший ассортимент, отличные цены, гарантия. Посмотреть продукцию >>>


Еще один важный момент — подключение нагрузки (светодиода) к другому напряжению (как мог, изобразил 24 вольта). Справедливо для любого из ранее изображенных включений.

О нагрузке. В даташите о максимальном токе коллектора сказано, что больше 6-20 мА микросхема не выдаст. То есть включить один светодиод — не проблема, а вот что побольше…


Кусок светодиодной ленты, подключенный прямо к выходу компаратора (по третьей или четвертой схеме, без резистора R3) светил слабо (1 мА). Пришлось поддать напряжения до 12 вольт, и тогда ток коллектора вырос до 14 мА. При подключении ленты напрямую к блоку питания — 32 мА. Таким образом, как ни крути, а максимум, что можно получить конкретно от этой LM-ки — 14 мА.

Вывод — что-то прожорливое есть смысл пускать через транзистор, загнанный в ключевой режим. При этом каскаду с общим эмиттером, инвертирующему сигнал, как нельзя лучше подойдет третья или четвертая схемы включения. Ведь если сигнал инвертировать дважды — получится опять исходный сигнал.
Например, на прямом входе компаратора «единица» (по привычной логике — на прямом входе напряжение больше, чем на инвертирующем). Третья схема сделает из нее «ноль» на выходе. А каскад с общим эмиттером, «перевернув» этот «ноль», опять даст «единицу».

Стрелка цепляется к выходу компаратора (R1 — это R3 из предыдущей схемы). R2, возможно, придется подобрать: если он будет слишком маленьким, то транзистор может сгореть, а если слишком большим — не откроется (можно попробовать 4,7 кОм). При подаче «единицы» в базе транзистора должно быть примерно 0,7 В (для кремния). К R3 тоже есть вопросы, но слишком малым и он не должен быть.


Моделирование. Когда на входе «ноль» (а «ноль» третьей и четвертой схемы — это в нормальном включении «единица»), то на выходе — «единица», светодиод работает. С чего начали, к тому и пришли — «единица» опять стала сама собой.


Теперь, когда на входе «единица», то на выходе «ноль». Вот она, знаменитая инверсия каскада с общим эмиттером!

А если включать нагрузку в коллектор транзистора, то «единицы» и «нули» по входу и выходу будут совпадать.В общем, простор для творчества — колоссальный.

 Светодиодная лента  Офисные Светильники

Компараторы на операционных усилителях

 Офисные Светильники

Также компараторы строятся на основе микросхем операционного усилителя. Сравнительные микросхемы таких устройств предназначены для сопоставления двух аналоговых сигналов и предоставления информации о большем из них. Размеры таких схем — до 5 сантиметров. Внешний вид некоторых аналоговых компараторов можно увидеть на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2. — Внешний вид некоторых компараторов

Принцип работы данной микросхемы основан на «узнавании», то есть в таком случае важна разница характеристики сигналов, а не пиковые уровни, однако максимальные все же необходимо учитывать, чтобы они находились в пределах допустимого уровня для конкретной микросхемы. Сравнительная микросхема построена по типичному пороговому принципу, то есть состояние схемы компаратора изменяется, когда сигнал на выходе достигает определенного уровня. Данные микросхемы применяются как самостоятельные элементы в схемах различных регуляторов, или как составная часть более сложной микросхемы — таймер, использующихся в генераторах импульсов различных видов (см. рисунок 2.3.).

Рисунок 2.3 — Схема компаратора на операционном усилителе (mA710)

В качестве компаратора можно использовать практически любой операционный усилитель, для чего достаточно просто исключить обратную связь. Для этих целей желательно подбирать усилители с максимальными характеристиками по усилению и с большой скоростью нарастания сигнала. Следует отметить, что ОУ можно превратить в сравнительную микросхему, а вот наоборот — нет, потому как не может выполнять функцию усиления или разделения, она для этого не предназначена.

Чаще всего в схемотехнике используются микросхемы-компараторы К554СА3 и К521СА3. Эти микросхемы идентичны по своей структуре и характеристикам: имеют мощный выход (до 50 мА), высокую стабильность и низкую стоимость. Благодаря тому, что в принципиальную схему компаратора включен транзистор с открытым коллектором и эмиттером, микросхему можно подключать в зависимости от необходимости либо с общим эмиттером, либо с общим коллектором. Например, если требуется согласовать выходной уровень с уровнем других логических микросхем, компаратор подключается по схеме с открытым коллектором.

Большинство сравнительных микросхем рассчитано на использование при двухполярном напряжении питания ±15 В, но так же могут работать и при однополярном от 5 до 15 В. Большинство сравнительных микросхем работают достаточно эффективно, но в некоторых ситуациях, например при подаче на вход медленно изменяющегося сигнала с небольшим высокочастотным импульсом, появляется специфический шум, так называемое дребезжание. Дребезг возникает в результате множественных переключений компаратора на границе порогового уровня. Чтобы устранить дребезжание, можно его устанавливать между выходами малой емкости (от 10 до 1000 пФ), либо с помощью разнесения порогов. Первый способ не всегда подходит, потому что из-за емкости существенно падает быстродействие микросхемы. Второй способ состоит в установке различных пороговых напряжений на включение и выключение, например, когда микросхема срабатывает при более высоком напряжении. Подобный принцип разнесения порогов (гистерезис) используется в формирователе сигнала триггере Шмитта (см. рисунок 2.4.).

Рисунок 2.4 — Введение гистерезиса в счет положительной обратной связи

Гистерезис в схему компаратора вводится путем подключения трех транзисторов: так как на выходе напряжение постоянно колеблется резистор (R3) сдвигает потенциал неинвертирующего вывода то в направлении резистора (R1), то в направлении резистора (R2). Таким образом, создается дополнительный ток, что в свою очередь приводит к падению напряжения. Заметим, что схема подключения на транзисторах существенно влияет на увеличения быстродействия срабатывания.

Принципиальная схема

Рис. 1. Принципиальная схема терморегулятора для управления нагревательным и охладительным элементами.

Как уже сказано, температура здесь поддерживается не только обогревателем, но и управлением охладителя, в качестве которого используется вентилятор (это может иметь значение в летнее время, когда температура естественным образом повышается выше допустимого предела). Поэтому в схеме есть два компаратора А1.1 и А1.2. Компаратор А1.1 управляет нагревателем, а компаратор А1.2 — вентилятором.

Напряжение от терморезистора R9 поступает на один вход компаратора, а напряжение опорное, — на другие входы. При этом опорное напряжение формируется делителем на резисторах R2, R5, R7 таким образом, что напряжение на прямом входе А1.1 немного больше напряжения на инверсном входе А1.2. Разница этих напряжений небольшая, и зависит от сопротивления R5.

Когда температура соответствует установленной регулировкой Р1 величине, напряжение на терморезисторе R9 оказывается выше напряжения на инверсном входе А1.2, но ниже напряжения на прямом входе А1.1. При этом выходы обоих компараторов оказываются под высокими логическими уровнями, и ток через светодиоды оптронных реле К1 и К2 не проходит. Реле закрыты и как нагреватель, так и вентилятор выключены.

Когда температура ниже заданной, сопротивление терморезистора R9 больше, напряжение на нем так же больше. Поэтому напряжение на инверсном входе А1.1 больше напряжения на его прямом входе. Значит на выходе А1.1 устанавливается низкий логический уровень. Появляется ток через светодиод оптореле К1.

Реле К1 открывается и подает питание на нагреватель. Если температура выше заданной сопротивление терморезистора R9 ниже, напряжение на нем так же ниже. Поэтому напряжение на прямом входе А1.2 меньше напряжения на его инверсном входе. Значит на выходе А1.2 устанавливается низкий логический уровень.

Появляется ток через светодиод оптореле К2, оно открывается и подает питание на вентилятор. Вот таким образом работает система поддержания температуры.

Гальванически, низковольтная схема полностью развязана с электросетью. Управление нагрузками осуществляется посредством оптической связи (через оптореле), а питание поступает через трансформатор Т1. Поэтому в случае попадания на органы управления воды или прикосновения к ним поражение током исключается, так как они не находятся под потенциалом электросети.

Детали и конструкция

Источник питания выполнен на трансформаторе Т1 типа ТВК100Л. Это выходной трансформатор кадровой развертки от старого лампового черно-белого телевизора. Вместо него можно использовать любой маломощный силовой трансформатор, на вторичной обмотке которого есть переменное напряжение 7-10V при максимальном токе не ниже 100mA. Например, использовать трансформатор от какого-то миниатюрного сетевого источника питания, например, от сетевого адаптера телевизионной игровой приставки или компьютерной периферии, или же намотать его самостоятельно.

Выпрямительный мост КЦ402 можно заменить любым маломощным выпрямительным мостом или собрать мост на четырех диодах, типа КД209, КД105, 1 N4004 или других. Терморезистор ММТ номинальным сопротивлением 10 кОм при температуре +20°С.

Можно использовать терморезистор и другого номинального сопротивления, но при этом нужно учесть то, что номинальное сопротивление переменного резистора R1 должно быть такого же сопротивления, а стартовое сопротивление R3 выбрать в два раза ниже. То есть, если R9 — 20 кОм при температуре +20°С, то Р1 — 20 кОм, а R3 — 10 кОм. Затем, величина R3 уточняется при налаживании (при установке пределов регулировки температуры).

В данной схеме используется микросхема LM393 содержащая два компаратора. В принципе можно использовать практически любые другие компараторы, например, К554САЗ.

Кроме того, можно использовать операционные усилители, включенные в режиме компаратора, но в этом случае может потребоваться усиление выходов операционных усилителей, чтобы они могли работать на светодиоды оптореле. Сделать это можно с помощью транзисторных ключей, но этом случае потребуется у каждого из компараторов поменять местами прямой и инверсный входы, так как теперь включаться нагрузки будут не логическими нулями, а логическими единицами.

Выходные каскады на оптореле 5П19ТМ-20-6 можно выполнить на другой элементной базе, например, как в Л1. Делать выходы по схеме без опторазвязки не рекомендую, так как в этом случае датчики и органы управления оказываются под потенциалом сети. При налаживании можно пользоваться емкостью с водой, нагреваемой на электроплите, и каким-то достаточно точным образцовым термометром.

Желательно чтобы переменный резистор был группы «А», то есть, с линейным законом изменения сопротивления. Применение «логарифмического» резистора (как в регуляторах громкости) сильно затруднит градуировку шкалы.

Лыжин Р. РК-2015-07.

Литература: 1 — Лыжин Р. Универсальный автомат огородника — любителя. РК-2010-12.

Add a Comment

Ваш e-mail не будет опубликован.

Яндекс.Метрика