Lm311N схема включения как работает: Кулер (процессора) с термоконтролем. — Железо — Компьютер и электроника к нему!!!

Кулер (процессора) с термоконтролем. — Железо — Компьютер и электроника к нему!!!

Решил себе сделать кулер (процессора) с термоконтролем. Принцип такой, холодный — кулер стоит. Чем горячее радиатор, тем быстрее вращается кулер.

В интернете я нашел схемы на микросхеме LM311. Микросхема LM311 — это компаратор (~операционник) с мощным транзистором на выходе. Можно прямо к его выходу подключать кулер. Решил схему собирать с некоторыми изменениями.

Изменения заключается в том,что вместо стабилитрона использовованно микросхема 7805. Вместо LM311 использованно IL311ANM. Добавлено светодиод для индикации работы кулера. И немного изменено номиналы резисторов и конденсаторов.

В качестве термодатчика в оригинале используется транзистор КТ814, можно и КТ 816

Кстати схема разработана так, что на корпусе транзистора всегда 0 Вольт. Но я все таки советую использовать изоляцию. Если возникнет земляная петля, то схема будет неадекватно себя вести.

Работает шикарно! Оказалось, что процессору достаточно 50% кулера при максимальной загрузке.

А при просмотре DVD кулер вообще стоит на месте. В общем работает тише блока питания, и тише головок жесткого диска, и тише кипящего фреона в холодильнике (слушаем из комнаты).

Только немного стрёмно от того, что процессор может перегреться, если какой то умник повернет регулятор температуры в крайнее положение (это больше 100’C). Или со временем изменятся параметры транзистора-термодатчика, и вместо 40’C, кулер будет поддерживать температуру 140’C.

Схема

Плата

ЛУТ. Потерял где то бумагу Lomand, поэтому пришлось использовать основание от самоклейки. Результат так себе. В плате ошибка, нет R6 200 ком. (Точнее на монтажке без него работало лучше, чем с ним. А на готовой плате вылезла ПОС.)

Транзистор-термодатчик.

Прикрученный транзистор мешал вентилятору. Самое простое и надежное решение (которое пришло мне в голову), это взять кулер от блока питания и выломать у него внутренности. Прикрутить это кольцо к радиатору, а уже на это кольцо поставить кулер.

С другого ракурса.

На задней стенке регулятор температуры и индикация работы кулера.

P.S. Я еще уменьшил скорость вращения кулера блока питания (подключил его к 7 Вольтам), и поставил на видео плату пассивный радиатор (было ФОТО, стало ФОТО). Надеюсь ничего не сгорит

P.P.S. Ставить пассивный радиатор на процессор я не хочу, так как мосты материнской платы тоже охлаждаются от этого кулера.

Источник не известен.

Компараторы напряжения

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.

Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками, поэтому такое подключение, также является правильным — подключение черного щупа к плюсу батареи безопасно.

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.

Нам нужно было узнать, какая батарея имеет больший заряд. Независимо от того, покажет ли мультиметр -1 В или -0,1 В, результат будет одинаковым. Это будет означать, что батарея справа имеет более высокий заряд (напряжение). Если бы результат был положительным при тех же подключениях, мы бы выбрали левую батарею.

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.

На схемах часто не указывается информация о линиях электропитания, потому что опытному электронщику «очевидно», что каждая схема должна быть запитана.

Символ компаратора на схемах

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

• Если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к положительному полюсу питания (например, 5 в).
• Если напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к отрицательному полюсу питания (например, к земле, 0 в).

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!

Таким образом, компараторы являются чрезвычайно важным «мостом» между аналоговыми и цифровыми схемами.

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):

• напряжение питания: 3,5–30 В,
• максимальный ток, потребляемый входами: 100 нА,
• максимальное смещение напряжения: 3 мВ,
• максимальное смещение тока: 10 нА,
• максимальный выходной ток: 50 мА.

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:

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

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.

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

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:

• 1 × LM311,
• Резистор 4 × 10 кОм ,
• Резистор 1 × 330 Ом ,
• Потенциометр 1 × 5 кОм,
• Конденсатор 1 × 100 нФ,
• 1 × 220 мкФ конденсатор,
• 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
• Батарея 4 × AA,
• 1 × корзина для 4 батареек АА,
• 1 × макетная плата,
• Комплект соединительных проводов.

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.

Обратите внимание на углубление в корпусе компаратора — сравните элемент с рисунком выше, чтобы найти правильные выводы схемы.

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

При размещении схемы на плате, обратите внимание на положение выемки в корпусе (или точки), которая позволяет найти первый вывод схемы.

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 ~ 2,4 В до ~ 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:

• Если напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к отрицательному полюсу питания (например, к земле, 0 в).

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.

В этом случае, схема питается от 6 В, поэтому для полного переключения этой схемы достаточно (теоретически) 30 мкВ дифференциального напряжения.

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:

• отрицательная — возвращаемая информация стабилизирует схему, уменьшает ее искажения и усиление (такая связь используется в усилителях звука),
• положительная — дестабилизирует схему и пытается вывести ее из равновесия.

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.

Термостат включается при значительном падении температуры, ниже порога, и выключается при незначительном превышении порога. Промежуточных состояний нет.

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.

Это можно проверить, добавив второй резистор 1 МОм параллельно R6. Результирующее сопротивление будет тогда 500 кОм.

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

Однако более решительное изменение настройки потенциометра приводит к тому, что ток обратной связи становится слишком слабым, чтобы «исказить» результат, и компаратор переключается нормально.

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

Компараторы, продаваемые как интегральные схемы, содержат дюжину и более транзисторов, поэтому они не удобны при ручном анализе работы.

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 такой схеме проводящим может быть только один транзистор. Ситуация, в которой ток протекает через оба транзистора одновременно, невозможна.

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?

Транзистор подключен как Т3, который выводится из коллектора, он называется выходом с открытым коллектором (англ. Open Collector , OC). У большинства компараторов есть такой выход. Обычно между этим выходом и положительным полюсом источника питания подключается резистор, который позволяет получить соответствующее выходное напряжение.

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).

В предыдущих рассуждениях мы сознательно опустили этот резистор, который представляет собой нагрузку, подключенную к выходу компаратора, чтобы не усложнять описание.

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.

Реальность такова — даже в такой ситуации компаратор примет решение и отобразит низкое состояние на своем выходе (т.е. насыщает выходной транзистор) или высокое состояние (забивает его).

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.

Это свойство называется смещением и является плохим явлением для схем с дифференциальным входом.

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.

Ошибочно сравнивать напряжения, близкие к любой из линий питания (например, 5,8 В против 5,9 В на 6 В).

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.

С Уважением, МониторБанк

Вопросы применения прецизионных компараторов

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как известно напряжение на выходе ОУ UВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения UД (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению КU

Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при UПИТ = 15 В, КU = 105, UД ≈ 150 мкВ). С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь

(ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже

Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом

по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.

Гистерезис в компараторах

Продолжаем серию статей, посвященных компараторам в измерительных приборах НПФ КонтрАвт. Ранее мы дали определение компараторам и привели основные функции компараторов.

В данной статье мы разберем для чего в компараторах вводят гистерезис.

В нашей первой статье мы упомянули, что в области порогов h и H в поведении компаратора может наблюдаться гистерезис и состояние выхода компаратора в этом случае зависит не только от соотношения измеренного сигнала и порогов, но и от предшествующей истории, т.е. от того, каким путем измеренный сигнал приближается к порогам.

Рисунок 1. Пример функции компаратора

Для чего же вводят гистерезис в компараторы?

Зачем нужен гистерезис в компараторах

Причина № 1

Как правило, измеренный сигнал имеет как регулярную составляющую (постоянную или плавно меняющуюся), так и случайную, вызванную действием внешних случайных электромагнитных помех.

В отсутствие гистерезиса (или при слишком малой величине его зоны), при подходе измеренного сигнала к пороговому значению случайная компонента вызывает многократное срабатывание компаратора, что нежелательно в системе (обгорание и износ контактов пускателя, хаотические срабатывания различных устройств и проч.).

Рисунок 2. Работа компаратора без гистерезиса

Однако, если выбрать зону гистерезиса (H-h) чуть больше, чем размах случайных изменений измеренного сигнала, то компаратор будет срабатывать только один раз, повторных возвратов в исходное состояние не будет. Таким образом, исключаются случайные срабатывания компаратора, его состояния фиксируются более четко.

Рисунок 3. Работа компаратора с оптимальной зоной гистерезиса

На практике с этим чаще всего сталкиваются в системах сигнализации и регулирования.

В задаче сигнализации отсутствие гистерезиса приводит к многократному срабатыванию сигнализации вблизи порога (см. рисунок 2). Если сигнализация управляет смежными устройствами и системами, то ложные и частые срабатывания будут крайне нежелательны. Кроме того, они вводят в заблуждение оператора. Наличие гистерезиса с оптимальной зоной обеспечивает однозначное срабатывание сигнализации (cм. рисунок 3).

В задачах позиционного регулирования гистерезис предотвращает частое и хаотическое переключение силового коммутационного элемента при переходе через уставку за счет шумоподобного изменения измеренного сигнала (рисунок 2). В случае больших мощностей это негативно сказывается как на электросети, так и на работе электромагнитных пускателей (обгорание контактов, износ, залипание контактов, неуправляемый нагрев, сокращение ресурса и т.п.) Наличие гистерезиса также делает переключение более четким (cм. рисунок 3).

Причина № 2

Существует и другая причина, по которой следует применять гистерезис в системах двухпозиционного регулирования.

Свойства системы могут быть таковы, что период срабатывания позиционного регулятора будет слишком малым. Это (так же как и влияние помех) приводит к частому срабатыванию коммутационных элементов с названными ранее последствиями.

В этих случаях специально увеличивают зону гистерезиса, чтобы увеличить период переключения. Однако, надо учитывать, что увеличение зоны гистерезиса ( > 0 + зона гистерезиса) неизбежно приводит к увеличению размаха колебаний, ухудшает точность регулирования. В таких ситуациях вопрос выбора величины зоны гистерезиса — это вопрос компромисса между точностью регулирования и повышением надежности и ресурса системы.

Рисунок 4. Пример увеличения периода переключения компаратора гистерезисом

Причина № 3

Существует ряд производственных задач, в которых введение гистерезиса в работу компаратора позволяет реализовать логику работы системы управления.

Например, в системах водоснабжениями (типа “Башня Рожновского”) точность вообще не играет ключевой роли, важно, что исполнительный механизм — насос — “не любит” частого включения/выключения.

При этом накопитель позволяет реализовать необходимое редкое включение/выключение насоса с помощью гистерезиса.

Рис 5. Пример использования гистерезиса в системах с накопителем

Выводы:

Таким образом, введение гистерезиса в компараторах необходимо в следующих случаях:

1. Для устранения многократного срабатывания компаратора под действием быстрых случайных помех, как следствие устранения хаотических срабатываний различных устройств в системе, увеличение ресурса коммутационных и исполнительных устройств.
2. Преднамеренное увеличение периода переключения компаратора в задачах позиционного регулирования. Обеспечивает увеличение ресурса и надежности системы, но ухудшается точность регулирования.
3. Для реализация различных алгоритмов работы систем автоматики.

В следующих публикациях мы подробнее разберем прочие особенности работы компараторов. Следите за обновлениями материалов!

Основные схемы компаратора

Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю

, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор
сравнивает два напряжения с учётом знака
. Расссмотрим обе схемы подробнее.
Схема одновходового компаратора.
На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению

Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2

Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.

Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже

Схема двухвходового компаратора.

В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.

Компараторы применяются в широком спектре схем:

1. Триггеры Шмитта и в схемах формирования сигнала, преобразующих сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал.
2. Детекторы уровня – схемы, в которых происходит индицирование момента достижения входным сигналом заданного уровня опорного напряжения.
3. Генераторы импульсных сигналов, например, треугольной или прямоугольной формы.

При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.

Компараторы National Semiconductor

28 ноября 2007

Очень часто нужно сравнить два сигнала по величине. В некоторых случаях необходимо зафиксировать момент, когда сигнал достигнет определенного значения. Для этих задач многие фирмы выпускают аналоговые компараторы. Без них не обходится ни один АЦП и ЦАП, ни один генератор пилообразных колебаний. В каждом цифровом вольтметре или другом измерительном приборе обязательно присутствует компаратор напряжения. Термин «компаратор» произошел от английского слова «compare» — сравнивать. Проще говоря, компаратор — это прибор для сравнения двух или нескольких напряжений с определенной точностью и выдачи результата с минимальной задержкой.

В качестве компаратора можно использовать дифференциальный (операционный) усилитель с очень большим коэффициентом усиления разностного сигнала. В зависимости от знака разности напряжений на входе дифференциального усилителя его выход оказывается в положительном или отрицательном насыщении. Раньше обычные ОУ использовали в качестве компараторов, но сейчас такой способ практически не используют, поскольку многие производители выпускают специализированные микросхемы для этой цели. Эти кристаллы имеют очень высокое быстродействие, но при повышении быстродействия компаратора приходится принимать меры для предотвращения глубокого насыщения транзисторов, работающих в ключевом режиме. Этого добиваются минимизацией паразитных емкостей и сопротивлений, ограничивающих скорость нарастания сигналов. К сожалению, уменьшение времени задержки связано с увеличением потребляемой мощности. Как правило, быстродействующие компараторы уступают прецизионным по точности сравнения.

Прецизионные компараторы отличаются от других классов компараторов повышенной точностью сравнения и стабильностью характеристик. Это достигается путем уменьшения входных токов смещения и существенного увеличения коэффициента усиления. Улучшение параметров точности обычно достигается ценой снижения быстродействия компараторов.

Выходные каскады компараторов в большинстве случаев оптимизированы для сопряжения с определенными логическими сериями (особенно это важно для микросхем с очень высоким быстродействием) или имеют открытый коллектор (открытый сток) для расширения возможностей разработчика. Компаратор также можно рассматривать в качестве аналогового коммутатора, который переключает уровни выходного напряжения, когда непрерывный входной сигнал становится выше или ниже заданного уровня.

Компания National Semiconductor выпускает широкую номенклатуру компараторов: скоростных (High-Speed) и c низким потреблением (Low-Power Comparators). Современные скоростные компараторы уже перешли наносекундный диапазон. Например, новые LMH7322 имеют задержку распространения* всего 700 пикосекунд. Необходимо отметить, что задержка распространения сильно зависит от величины перепада напряжения на входах компаратора, поэтому нужно всегда тщательно изучать графики, приводимые производителем в своей документации (datasheets). Это проиллюстрировано на рисунке 1 на примере широко распространенного компаратора LM319.

Рис. 1. Зависимость задержки распространения от Uвх в компараторе LM319

Из рисунка 1 хорошо видно, что задержка распространения сигнала зависит от величины перепада и от направления перехода входного напряжения. Время задержки значительно меньше при перепаде на входе от высокого уровня к низкому.

Основные параметры компараторов National Semiconductor приведены в таблице 1.

Таблица 1. Компараторы National Semiconductor

Наимено- вание	Кол- во кана- лов	Свойства	Iпотр. на ка- нал, мкА	Uпит., В	Uсмещ.(макс), мВ	Конфиг. выхода	CMVR*, B	Задерж ка сигна- ла, мкс	Корпус (а)
Скоростные компараторы (High-Speed Comparators)
LMH7322 (New)	2	700 пс задержка сигнала распрост- ранения	30 мА	2,7…12	8	RSPECL **	—	0,0007	LLP-24
LMH7220 (New)	1	2,5 нс, питание 2,7…12 В, LVDS выход	8,2 мА	2,7…12	9	LVDS	-0,2…10	0,0025	SC70-6, SOT23-6
LMV7219	1	7 нс, питание 2,7…5В, rail-to-rail выход	1,1 мА	2,7…5	6	Push- Pull	-0,2…3,8	0,007	SC70-5, SOT23-5
LMV7235(New)	1	45 нс, ultra-low power, rail-to-rail выход	65	2,7…5	6	Откры- тый сток	-0,2…5,2	0,045	SC70-5, SOT23-5
LMV7239 (New)	1	45 нс, ultra-low power, rail-to-rail выход	65	2,7…5	6	Push- Pull	-0,2…5,2	0,045	SC70-5, SOT23-5
LM161	1	скорост- ной диф ференци- альный компар.	13 мА	11…32	1	Диф- ференц.	20…23	0,014	TO5-10
LM361	1	скорост- ной диф ференци- альный компар.	13 мА	11…32	1	Диф- ференц.	20…23	0,014	MDIP-14, SOIC-14, TO5-10
LM119	2	скорост- ной сдвоен- ный компара- тор	4 мА	5…36	4	Откры- тый колл.	8…33	0,08	CERDIP-14, CERPAK-10, LCC-20, TO5-10
LM219	2	скорост- ной сдвоен- ный компара- тор	4 мА	5…36	4	Откры- тый колл.	8…33	0,08	CERDIP-14, CERPAK-10, LCC-20, TO5-10
LM319	2	скорост- ной сдвоен- ный компара- тор	4 мА	5…36	1,8	Откры- тый колл.	7…34	0,08	MDIP-14, SOIC-14, TO5-10
Компараторы с низким потреблением (Low-power Comparators)
LPV7215 (New)	1	микро- мощный, rai-to-rail вход/ выход	0,61	1,8…5	3	Push- Pull	0…5,0	6,6	SOT-23, SC70-5
LMC7215	1	потребле- ние < 1 мкА, rail-to-rail вход	0,7	2…8	6	Push- Pull	-0,2…5,2	12	SOIC-8, SOT23-5
LMC7225	1	потребле- ние < 1 мкА, rail-to-rail вход	0,7	2…8	6	Откры- тый сток	-0,3…5,3	12	SOT23-5
LMC6762	2	микро- мощный, rai-to-rail вход	6	2,7…15	5; 15	Push- Pull	-0,3…5,3	4	SOIC-8
LMC6772	2	микро- мощный, rai-to-rail вход	6	2,7…15	5; 15	Откры- тый сток	-0,3…5,3	4	SOIC-8, MSOP-8, MDIP-8
LMC7211	1	микро- мощный, rai-to-rail вход	7	2,7…15	5; 15	Push- Pull	-0,3…5,3	4	SOIC-8, SOT23-5
LMC7221	1	микро- мощный, rai-to-rail вход	7	2,7…15	5; 15	Откры- тый сток	-0,1…2,8	4	SOIC-8, SOT23-5
LMV7271/ 72	1/2	питание от 1,8 В, rail-to-rail вход	10	1,8…5	4	Push- Pull	-0,1…2,8	0,88	micro SMD-5, SOT23-5, SC70-5
LMV7275	1	питание от 1,8 В, rail-to-rail вход	10	1,8…5	4	Откры- тый сток	-0,1…2,8	0,88	SC70-5, SOT23-5
LMV7291	1	питание от 1,8 В, rail-to-rail вход	10	1,8…5	4	Push- Pull	0…3,5	0,88	SC70-5
LP339	4	микро- мощный, 4 в одном корпусе	15	2…36	5	Откры- тый колл.	-0,1…4,2	8	SOIC-14, MDIP-14
LMV393	2	микро- мощный, общего примене- ния	43	2,7…5	7	Откры- тый колл.	-0,1…4,2	0,6	SOIC-8, MSOP-8
LMV339	4	низко- вольтный, общего примене- ния	50	2,7…5	7	Откры- тый колл.	-0,1…4,2	0,6	SOIC-14, TSSOP-14
LMV331	1	низко- вольтный, общего примене- ния	60	2,7…5	7	Откры- тый колл.	2…34,5	0,6	SC70-5, SOT23-5
LM2903	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	7	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8
LM293	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	TO5-8
LM393	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	5	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8, TO5-8
LM193	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	CERDIP-8, TO5-8
LM139	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34	0,5	CERDIP-14, CERPAK, CERPAK-14, LCC-20
LM239	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34	0,5	CERDIP-14
LM2901	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	7	Откры- тый колл.	2…34	0,5	MDIP-14, SOIC-14
LM3302	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…28	20	Откры- тый колл.	2…26	0,5	MDIP-14
LM339	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34	0,5	CERDIP-14, MDIP-14, SOIC-14
LMV761	1	прецизи- онный, низко- вольтный	225	2,7…5	1	Push- Pull	-0,3…3,8	0,12	SOIC-8, SOT23-6
LMV762	2	прецизи- онный, низко- вольтный	275	2,7…5	1	Push- Pull	-0,3…3,8	0,12	SOIC-8, MSOP-8
LM397	1	компара- тор общего примене- ния	250	5…30	7	Откры- тый колл.	5…28,5	0,25	SOT23-5
LM392	1	низкое потреб- ление	500	3…32	5	Push- Pull	3…30	1,5	MDIP-8, SOIC-8
LM6511	1	время установ- ления 180 нс	2,7 мА	2,7…36	5	Откры- тый колл.	3,2…34,75	0,18	SOIC-8
LM111	1	компара- тор общего примене- ния	5,1 мА	5…36	3	Откры- тый колл.	0,5…34	0,2	CERDIP-8/14, CERPAK, CERPAK-10, LCC-20
LM211	1	компара- тор общего примене- ния	5,1 мА	5…36	3	Откры- тый колл.	0,5…34	0,2	TO5-8
LM311	1	компара- тор общего примене- ния	5,1 мА	5…36	7,5	Откры- тый колл.	0,5…35	0,2	MDIP-8

*CMVR — Common-Mode Voltage Range (диапазон допустимого синфазного напряжения на входах) **RSPECL — положительная эмиттерно-связанная логика с малым размахом сигнала

Скоростные компараторы National Semiconductor

Среди последних новинок особого внимания достоин скоростной сдвоенный компаратор LMH7322. Он имеет самое низкое потребление энергии (типовое значение 21 мА). Задержка распространения сигнала составляет менее одной наносекунды (700 пс) при работе на логические микросхемы RSPECL (положительная эмиттерно-связанная логика с малой амплитудой сигнала). Этот компаратор является усовершенствованием компаратора LMH7220 с низковольтным дифференциальным выходом LVDS. В конце 2007 года компания National Semiconductor планирует начать поставку образцов счетверенного компаратора с параметрами, близкими к LMH7322. Раздельное питание входных и выходных цепей LMH7322 позволяет легко согласовать входные и выходные сигналы разных частей устройства, не используя специализированные микросхемы для сдвига уровней. Кроме того, LMH7322 допускает отрицательное напряжение на входе до -6 В при однополярном напряжении питания до 12 В.

Время нарастания и спада сигнала LMH7322 составляет 160 пс.

Рис. 2. Допустимые диапазоны входных напряжений LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей

На рисунке 2 показаны допустимые входные диапазоны напряжений для LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей.

Рис. 3. LMH7322. Схема преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этого компаратора

На рисунке 3 приведены рекомендуемые производителем схемы включения скоростного компаратора LMH7322 для преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этой микросхемы.

К длительности задержки распространения компаратора LMH7322 необходимо относиться очень внимательно, так как этот параметр зависит от окружающей температуры и напряжения питания, и в худших случаях может доходить до 1050 пс. Эти факторы разработчик должен обязательно учитывать, если проектируемая аппаратура предназначена для работы в широком диапазоне температур и напряжений питания. Упомянутые зависимости приведены на рисунке 4. Интересно отметить, что при низкой рабочей температуре задержка распространения минимальна и приближается к значению 650 пс.

Рис. 4. Зависимости длительности задержки компаратора LMH7322 от напряжения питания и температуры

Типовое применение и основные параметры компаратора LMH7220 (предшественника LMH7322) приведены на рисунке 5. Выход LVDS этого компаратора обеспечивает уровень сигнала 325 мВ для передачи по симметричной линии с волновым сопротивлением 100 Ом. Этим обеспечивается малая чувствительность к шумам и электромагнитным помехам. Выходной сигнал с уровнями LVDS минимизирует потребление энергии по сравнению с выходом эмиттерно-связанной логики (ECL). Благодаря характеристикам выходного каскада потребление энергии остается очень малым даже при увеличении скорости передачи данных.

Рис. 5. Типовое применение скоростного компаратора LMH7320 с выходом LVDS и низким потреблением

В этой статье уже отмечалось, что с ростом быстродействия увеличивается и потребляемая мощность. Однако, в линейке скоростных компараторов National Semiconductor есть LMV7235 и LMV7239 с током потребления всего 65 мкА (ultra-low power, по определению производителя) при задержке распространения сигнала 45 нс (см. таблицу 1). Эти компараторы отличаются только типом выходного каскада. LMV7235 имеет выход с открытым стоком, а у LMV7239 выход построен по схеме Push-Pull. Чтобы не быть голословным, проиллюстрируем зависимость тока потребления LMV7235 и LMV7239 рисунком 6, взятым из документации производителя. В худшем случае при напряжении 1,5 В ток потребления не превышает 30 мкА.

Рис. 6. Зависимость тока потребления от напряжения питания и температуры для быстродействующих компараторов LMV7235 и LMV7239 с низким потреблением и задержкой распространения 45 нс

National Semiconductor рекомендует использовать компараторы LMV7239 для схем кварцевых генераторов и приемников импульсов инфракрасного излучения, основываясь на их высоком быстродействии и низком потреблении. Примеры реализации этих схем приведены на рисунке 7.

Рис. 7. Кварцевый генератор и приемник импульсов инфракрасного излучения, выполненные на основе LMV7239

В документации производителя есть еще несколько интересных решений на описанных выше микросхемах. Заинтересованный читатель без труда найдет их на сайте National Semiconductor: www.national.com.

Компараторы National Semiconductor с низким потреблением

Широкое распространение техники с автономным питанием стимулирует производителей к выпуску электронных компонентов с низким потреблением энергии. В перечне выпускаемых микросхем компании National Semiconductor есть компараторы с минимальным напряжением питания (всего 1,8 В). Они имеют Rail-to-Rail вход и выход, а потребляемый ток находится в пределах 600 — 800 нА во всем диапазоне напряжений питания. Речь, конечно, идет о новых компараторах LPV7215. Производитель указывает задержку распространения для этой микросхемы 6,6 мкс. Но ранее в статье уже было отмечено, что, измеряя этот параметр, необходимо учитывать величину перепада напряжения на входах, температурный режим и напряжение питания. Для полной точности нужно еще учитывать и направление перепада напряжения на входе компаратора (с высокого уровня на низкий и наоборот). В своей документации National Semiconductor приводит все эти зависимости. Некоторые из них для компараторов LPV7215 показаны на рисунке 8.

Рис. 8. Зависимости тока потребления от напряжения питания и температуры, задержки переключения от перепада напряжения на входе для микромощного компаратора LPV7215

Популярные компараторы LM311 (LM211, LM111), которые выпускаются уже в течение многих лет, производитель относит к компараторам с низким потреблением, хотя при изучении таблицы 1 это представляется спорным. Но, учитывая огромную популярность этих микросхем, National Semiconductor до сих пор продолжает их выпускать. Больший интерес для разработчика могут представлять сдвоенные компараторы LM393 (LM293, LM193). Они имеют расширенный диапазон напряжений питания от 2 до 36 В, низкое напряжение смещения, низкий ток потребления при более высокой точности по сравнению с LM311. Но задержка распространения у LM393 больше и составляет около 0,4 мкс.

Отдельного внимания заслуживает прецизионные низковольтные компараторы LMV761 (одиночный) и LMV762 (сдвоенный) с диапазоном напряжений питания от 2,7 до 5 В. Они характеризуются высокой точностью при относительно высоком быстродействии. Основные параметры этих микросхем приведены на рисунке 9.

Рис. 9. Основные параметры и зависимости напряжения смещения LMV761 и LMV762 от напряжения смещения и температуры

Вся информация для статьи взята с сайта производителя: https://www.national.com/.

По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ. e-mail: [email protected]

Универсальный контроллер питания для мобильных приложений

LP3910 от National Semiconductor — это гибкое решение для создания универсального модуля питания (PMU — Power Management Unit), которое содержит в себе интегрированный повышающе- понижающий преобразователь и несколько различных регуляторов напряжения. Помимо этого, LP3910 имеет два отдельных входа для питания устройства и зарядки батарей от шины USB или сетевого адаптера.

Интегрированный контроллер заряда поддерживает автоматическое переключение источников энергии. Наличие интерфейса I2C позволяет разработчикам изменять электрические характеристики и режимы системы питания, такие как значения выходных напряжений и варианты переключения источников питания под конкретное приложение.

В портативных устройствах, где используется питание 3,3 В, повышающе- понижающий преобразователь позволит продлить время работы от батарей. Li-Ion аккумулятор, как самый популярный выбор для питания мобильных приложений, как правило, имеет диапазон рабочих напряжений от 2,9 до 4,2 В. Когда аккумулятор заряжен, конвертер понижает напряжение до необходимого значения. Когда аккумулятор разряжен до значения менее 3,3 В, преобразователь повышает напряжение. Технически это позволяет увеличить время работы устройства от батареи на 10%, по сравнению с обычным понижающим преобразователем.

Программируемый контроллер питания LP3910, доступный в 48-выводном корпусе LLP размером 6х6 мм, содержит 4-канальный 8-битный АЦП для контроля аккумулятора и двух внешних источников питания. Для приложений, не использующих Flash-память или жесткий диск, National Semiconductor выпустила модификацию LP3913 с такими же функциями, что и у LP3910, но без повышающе- понижающего преобразователя, который заменен только на понижающий, с максимальным рабочим током до 500 мА.

•••

Наши информационные каналы

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

741 схема включения. Легендарные аналоговые микросхемы. Кафедра электротехники и информационных систем

Операционный усилитель 741

Операционный усилитель 741 (другие обозначения: uA741, μA741) — универсальный интегральных операционный усилитель второго поколения на биполярных транзисторах. Оригинальный μA741 был изобретен в 1968 году Дэвидом Фуллагаром из Fairchild Semiconductor на основе разработанного Бобом Видларом LM101. В отличие от LM101, который основывался на внешнем конденсаторе частотной коррекции, в μA741 этот конденсатор базировался на кристалле ИС. Простота применения μA741 и отличные для своего времени показатели привели к широкому использованию новой схемы и сделали её «типовым» универсальным ОУ.

Структура ОУ

Несмотря на то, что логично рассматривать операционный усилитель как чёрный ящик с характеристиками идеального ОУ, важно также обладать знаниями о внутренней структуре ОУ и принципах его работы, так как при разработке с использованием ОУ могут возникнуть проблемы, обусловленные ограничениями его схемотехники.

Структура ОУ от разных производителей отличается, но в основе лежит один и тот же принцип. ОУ второго и последующих поколений состоят из следующих функциональных блоков:

1. Дифференциальный усилитель

• Входной каскад — обеспечивает усиление при малом уровне шума, высокое входное сопротивление. Как правило, имеет дифференциальный выход.

2. Усилитель напряжения

• Обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению, спад Амплитудно-частотной характеристики как у однополюсного фильтра низких частот, обычно единственный (то есть не дифференциальный) выход.

3. Выходной усилитель

• Выходной каскад — обеспечивает высокую нагрузочную способность по току, низкое выходное сопротивление, ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания в нагрузке.

Токовые зеркала

Элемент схемы, обведённый красной линией является токовым зеркалом. Первичный ток, который задаёт все остальные токи, определяется напряжением питания ОУ и резистором 39 kΩ (плюс два падения напряжения на диодном переходе).

Дифференциальный входной каскад

Элемент схемы, обведенный синей линией, является дифференциальным усилителем. Транзисторы Q1 и Q2 работают как эмиттерные повторители, они нагружены на пару транзисторов Q3 и Q4, включенных как усилители с общей базой. Помимо этого Q3 и Q4 согласуют уровень напряжения и обеспечивают предварительное усиление сигнала перед подачей его на усилитель класса А.

Выходной каскад

Выходной каскад (обведён голубой линией) класса AB — двухтактный эмиттерный повторитель (Q14, Q20), смещение которого определяется с помощью умножителя напряжения Vbe (Q16 и резисторы, соединённые с его базой). На выходной каскад поступает сигнал с коллекторов транзисторов Q13 и Q19. Диапазон выходных напряжений ОУ примерно на 1 В меньше, чем напряжение питания; это обусловлено падением напряжения на полностью открытых транзисторах выходного каскада.

Оригинальный μA741 был разработан в 1968 году Дэвидом Фуллагаром из Fairchild Semiconductor на основе разработанного Бобом Видларом LM101. В отличие от LM101, использовавшего внешний конденсатор частотной коррекции, в μA741 этот конденсатор был выполнен непосредственно на кристалле ИС. Простота применения μA741 и совершенные для своего времени характеристики способствовали широкому применению новой схемы и сделали её «типовым» универсальным ОУ. Несмотря на появление значительно лучших по характеристикам аналогичных микросхем ОУ 741 и его клоны по состоянию на 2015 год все ещё выпускаются множеством производителей (например LM741, AD741, К140УД7).

Несмотря на то, что проще и полезнее рассматривать операционный усилитель как чёрный ящик с характеристиками идеального ОУ, важно также иметь представление о внутренней структуре ОУ и принципах его работы, так как при разработке с использованием ОУ могут возникнуть проблемы, обусловленные ограничениями его схемотехники.

Структура ОУ различных марок отличается, но в основе лежит один и тот же принцип. ОУ второго и последующих поколений состоят из следующих функциональных блоков:

Части схемы, обведённые красной линией являются токовыми зеркалами . Первичный ток, который задаёт все остальные токи, определяется напряжением питания ОУ и резистором 39 kΩ (плюс два падения напряжения на диодном переходе). Первичный ток составляет примерно

Токовое зеркало Q12/Q13 обеспечивает для усилителя класса А постоянный ток нагрузки, этот ток практически не зависит от выходного напряжения ОУ.

Часть схемы, обведённая синей линией, является дифференциальным усилителем. Транзисторы Q1 и Q2 работают как эмиттерные повторители , они нагружены на пару транзисторов Q3 и Q4, включённых как усилители с общей базой . Помимо этого Q3 и Q4 согласуют уровень напряжения и обеспечивают предварительное усиление сигнала перед подачей его на усилитель класса А.

Дифференциальный усилитель из транзисторов Q1 — Q4 имеет активную нагрузку — токовое зеркало, состоящее из транзисторов Q5 — Q7. Транзистор Q7 увеличивает точность (равенство токов в ветвях) токового зеркала путём уменьшения тока сигнала, отбираемого с коллектора Q3 для управления базами транзисторов Q5 и Q6. Это токовое зеркало обеспечивает преобразование дифференциального сигнала в недифференциальный следующим образом:

Таким образом, сумма вдвое превышает токи, текущие через транзисторы Q3 и Q4. Напряжение сигнала на коллекторе Q4 в режиме холостого хода равно произведению суммы сигнальных токов и сопротивлений коллекторов Q4 и Q6, включённых параллельно. Это произведение относительно велико, поскольку сопротивления коллекторов для токов сигнала большие .

Следует отметить, что ток базы входных транзисторов ненулевой и дифференциальное сопротивление входа ОУ 741 составляет примерно 2 MΩ .

ОУ имеет два вывода балансировки (на рисунке обозначены Offset ), которые обеспечивают возможность подстройки напряжения смещения входа ОУ до нулевого значения. Для подстройки нужно подключить к выводам потенциометр .

Часть схемы, обведённая пурпурной линией, является усилительным каскадом класса А. Он состоит из двух n-p-n транзисторов, включённых как пара Дарлингтона . Коллекторной нагрузкой является выходная часть токового зеркала Q12/Q13, благодаря чему достигается высокое усиление этого каскада. Конденсатор ёмкостью 30 пФ обеспечивает частотно-зависимую отрицательную обратную связь , которая повышает устойчивость ОУ при работе с внешней обратной связью. Такая техника называется

компенсация Миллера , она функционирует практически так же, как и интегратор , построенный на ОУ. Полюс может находиться на достаточно низкой частоте, например 10 Гц для ОУ 741. Соответственно, на этой частоте происходит спад −3 дБ амплитудно-частотной характеристики ОУ при разомкнутой петле внешней обратной связи. Частотная компенсация обеспечивает безусловную стабильность ОУ в широком диапазоне условий и тем самым упрощает его применение.

Часть схемы, обведённая зелёной линией, предназначена для правильного смещения транзисторов выходного каскада. Эта часть схемы представляет собой умножитель напряжения база-эмиттер — двухполюсник, поддерживающий на своих выводах постоянную разность потенциалов вне зависимости от протекающего тока. Фактически, это аналог стабилитрона , выполненный на транзисторе Q16. Если считать ток базы транзистора Q16 равным нулю, а напряжение база-эмиттер равным 0.625 В (типичное напряжение база-эмиттер для кремниевых биполярных транзисторов), то ток, текущий через резисторы 4.5 kΩ и 7.5 kΩ будут одинаковы, а напряжение на резисторе 4.5 kΩ составит 0.375 В. Таким образом, напряжение на всем двухполюснике будет равно 0.625 + 0.375 = 1 В. Это напряжение поддерживает выходные транзисторы в чуть открытом состоянии, что уменьшает искажения типа «ступенька ».

Поддержание напряжения смещения путём умножения напряжения база-эмиттер примечательно тем, что при изменениях температуры напряжения база-эмиттер меняются одновременно и у смещаемого каскада, и у цепи смещения, то есть температурно-зависимые эффекты взаимно вычитаются. Это обстоятельство значительно улучшает термостабильность режима смещаемых транзисторов, особенно в интегральных схемах, где все транзисторы имеют одинаковую температуру (поскольку находятся на одном кристалле).

В некоторых усилителях, выполненных на дискретных компонентах, функцию смещения выходных транзисторов выполняют последовательно включённые полупроводниковые диоды (обычно два диода).

Выходной каскад (обведён голубой линией) класса AB — двухтактный эмиттерный повторитель (Q14, Q20), смещение которого устанавливается умножителем напряжения V be (Q16 и резисторы, соединённые с его базой). На выходной каскад подаётся сигнал с коллекторов транзисторов Q13 и Q19. Диапазон выходных напряжений ОУ примерно на 1 В меньше, чем напряжение питания; это обусловлено падением напряжения на полностью открытых транзисторах выходного каскада.

Резистор сопротивлением 25 Ω в выходном каскаде служит датчиком тока. Этот резистор совместно с транзистором Q17 ограничивает ток эмиттерного повторителя Q14 на уровне примерно 25 мА. Ограничение тока в нижнем плече (транзистор Q20) двухтактного выходного каскада осуществляется путём измерения тока через эмиттер транзистора Q19 и последующего ограничения тока, текущего в базу Q15. В более новых вариантах схемотехники ОУ 741 могут использоваться несколько иные методы ограничения выходного тока.

Наименование модели: LM741CN

Подробное описание

Производитель: National Semiconductor

Описание: ИС, операционный усилитель, COMPENSATED, DIP8, 741

Краткое содержание документа:
LM741 Operational Amplifier
August 2000
LM741 Operational Amplifier
General Description
The LM741 series are general purpose operational amplifiers which feature improved performance over industry standards like the LM709.

They are direct, plug-in replacements for the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications. The amplifiers offer many features which make their application nearly foolproof: overload protection on the input and output, no latch-up when the common mode range is exceeded, as well as freedom from oscillations. The LM741C is identical to the LM741/LM741A except that the LM741C has their performance guaranteed over a 0°C to +70°C temperature range, instead of -55°C to +125°C.

Спецификации:

• Тип ОУ: General Purpose
• Количество усилителей: 1
• Полоса частот: 1 МГц
• Скорость нарастания: 0.5 В/мкс
• Диапазон напряжения питания: 10 В… 36 В
• Тип корпуса: DIP
• Количество выводов: 8
• SVHC: No SVHC (15-Dec-2010)
• Тип усилителя: Compensated
• Семейство: 741
• Маркировка: LM741CN
• Добротность: 1.5 МГц
• IC Generic Number: 741
• Рабочий диапазон температрур: Commercial
• Напряжение смещения входа максимальное: 6 мВ
• Количество логических функций: 741
• Особенности ОУ: Compensated Amp
• Напряжение питания (+) номинальное: 15 В
• Способ монтажа: Through Hole

Дополнительные аксессуары:

• Fairchild — LM741CN
• Fischer Elektronik — ICK SMD A 8 SA
• National Semiconductor — LM741CN

Исполнение: DIP8. IC, OP-AMP COMPENSATED,TUBE40; Amplifiers, No. of:1; Op Amp Type:General Purpose; Gain, Bandwidth -3dB:1MHz; Slew Rate:0.5; Voltage, Supply Min:10V; Voltage,…

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОБУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электротехники и информационных систем

Реферат по теме:

«Генераторы прямоугольных сигналов на операционных усилителях»

Выполнил:

Черечукин А.В.

Проверил:

Шагаев О.Ф

Москва

Генераторы прямоугольных сигналов на операционных усилителях

Операционный усилитель (ОУ )- усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Операционные усилители (ОУ) являются основной частью всей современной электронной измерительной аппаратуры. Исторически ОУ получили свое развитие в области аналогового вычисления, где эти схемы разрабатывались для суммирования, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования и т.д., с целью решения дифференциальных уравнений во многих технических задачах. Сегодня аналоговые вычислительные устройства в основном заменены цифровыми, однако высокие функциональные возможности ОУ по-прежнему находят себе применение и поэтому их используют во многих электронных схемах и приборах.

Внутренняя схема операционного усилителя 741 серии

1. Дифференциальный усилитель — предназначен для усиления сигнала, имеет низкий уровень собственных шумов, высокое входное сопротивление и обычно дифференциальный выход.
2. Усилитель напряжения — обеспечивает высокое усиление сигнала по напряжению, имеет спадающую амплитудно-частотную характеристику с одним полюсом, и обычно имеет один выход.
3. Выходной усилитель — обеспечивает высокую нагрузочную способность, низкое выходное сопротивление, ограничение тока и защиту при коротком замыкании.

Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра)

Применение . Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор. Кроме генераторов испытательных сигналов, выполняемых в виде отдельных изделий, источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых измерительных приборах, осциллографах, радиоприемниках, телевизорах, часах, ЭВМ и множестве других устройств.

Схемотехнически электронный генератор представляет собой усилитель, охваченный положительной обратной связью. В качестве усилителя могут быть использованы схемы на дискретных транзисторах, цифровые ИМС, интегральные таймеры, а также операционные усилители. Использование ОУ позволяет построить стабильные многофункциональные генераторы с хорошим воспроизведением формы выходного сигнала, минимальные по габаритам.

Генераторы импульсных сигналов, или генераторы импульсов, предназначены для получения от источника питания постоянного напряжения электрических колебаний резко несинусоидальной формы, называемых релаксационными. Для таких колебаний характерно наличие участков сравнительно медленного изменения напряжения и участков, на которых напряжение изменяется скачкообразно.

Для импульсных генераторов характерно наличие внешней и внутренней положительной обратной связи (ОС), обуславливающей возможность их самовозбуждения и скоротечный (лавинообразный, регенеративный) процесс перехода активных элементов генератора из одного крайнего (закрытого, открытого) в другое (открытое, закрытое) состояние.

Импульсные генераторы делятся на генераторы прямоугольных , трапецеидальных, пилообразных сигналов (импульсов)

Остановимся на прямоугольных ИП, которые могут работать в трех основных режимах: автоколебательном, ждущем и в режиме синхронизации.

Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной формы, называют мультивибраторами. В отличие от генераторов гармонических колебаний в мультивибраторе используется цепь обратной связи первого порядка, а активный элемент работает в нелинейном режиме.

Мультивибраторы работают в режиме автоколебаний или в ждущем режиме. Соответственно, различают автоколебательные и моностабильные (ждущие) мультивибраторы.

Схема автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе показана на рис. 6.4.1. Активным элементом является инвертирующий триггер Шмитта, реализованный на ОУ и резисторах R 1 , R 2 . Резистор R 3 и конденсатор C формируют времязадающую цепь, определяющую длительность формируемых импульсов.

Операционный усилитель охвачен положительной обратной связью (цепь R 1 — R 2) и находится в режиме насыщения, поэтому напряжение на выходе и вых = ±и нас. Переключение ОУ из положительного насыщения в отрицательное и обратно происходит, когда напряжение на инвертирующем входе достигает положительного и отрицательного порогов срабатывания, равных +PU нас и -0U нас соответственно. Здесь Р — коэффициент обратной связи: р = R 1 /(R 1 + R 2).

Постоянная времени т = R 3 C . В момент t l напряжение u C (t) достигает величины PU нас, ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения. Выходное напряжение скачком принимает значение, равное — и нас. Начинается перезарядка конденсатора. Напряжение u C (t) изменяется по

Мультивибратор на рис. 6.4.1 является симметричным, поскольку положительные и отрицательные импульсы равны. Положительные и отрицательные импульсы различной длительности можно получить в несимметричном мультивибраторе, показанном на рис. 6.4.4. Перезарядка конденсатора во время формирования положительных и отрицательных импульсов осуществляется через различные резисторы. Когда напряжение на выходе ОУ положительно, открыт диод VD1 и перезарядка происходит с постоянной времени т 1 = R 3 C. Когда напряжение на выходе ОУ

отрицательно, открыт диод VD2 и постоянная времени т 2 = R 4 C. Можно менять длительность положительных и отрицательных импульсов, варьируя сопротивления резисторов R 3 и R 4 .

Ждущие мультивибраторы. Назначение таких устройств — получение одиночных импульсов заданной длительности. Схема ждущего мультивибратора показана на рис. 6.4.5. Импульс на выходе возникает при
подаче на вход специального запускающего сигнала. Поскольку на входе включена дифференцирующая цепь, форма и длительность такого сигнала могут быть произвольными.

Устойчивое состояние ждущего мультивибратора достигается включением диода VD параллельно конденсатору C l . Когда выходное напряжение и вых = -и нас, диод открыт и напряжение конденсатора и с ≈ 0.7 В.

Дифференциальное напряжение на входе ОУ отрицательно, и схема находится в устойчивом состоянии. Этому режиму соответствует интервал 0 — t l на рис. 6.4.6. При подаче на вход импульса положительной полярности в момент tj дифференциальное напряжение на входе ОУ становится положительным и ОУ переключается в состояние положительного насыщения: U вых (t x)=+U нас. Диод закрывается, и конденсатор C x начинает заряжаться. Когда напряжение на инвертирующем входе ОУ достигает величины ри нас (момент t 2), дифференциальное напряжение становится отрицательным и ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения: U вых (t 2)=-U нас. Напряжение и С (t) начинает уменьшаться. Когда и С (t) достигает значения — 0.7 B, диод открывается и схема вновь оказывается в устойчивом состоянии.

Список используемой литературы.

http://beez-develop.ru/index.php/faq/useful-shems/73—square-generator

http://gendocs.ru/v12155

Среди множества микросхем, представленных на современном рынке микроэлектронных компонентов, есть настоящие легенды, по праву заслужившие свою высокую репутацию. В данной статье мы остановимся на рассмотрении четырех таких легендарных аналоговых микросхем, а именно: NE555, A741, TL431, и LM311.

Аналоговая интегральная микросхема является универсальным таймером. Она успешно служит во многих современных электронных схемах для получения повторяющихся или одиночных импульсов с постоянными временными характеристиками. Микросхема является по сути асинхронным , обладающим специфическими порогами входов, которые точно заданы внутренними аналоговыми компараторами и точным делителем напряжения.

Интегральная структура микросхемы включает в себя 23 транзистора, 16 резисторов и 2 диода. NE555 выпускается по сей день в различных корпусах, но наиболее популярна в корпусах DIP-8 и SO-8, именно в таком виде ее можно встретить на многих платах. Отечественные производители выпускают аналоги данного таймера под названием КР1006ВИ1.

История микросхемы NE555 начинается с 1970 года, когда уволенный в связи с экономическим кризисом, сотрудник американской микроэлектронной компании Signetics, специалист по схемам ФАПЧ, Ганс Камензинд, работая у себя в гараже, отладил схему ФАПЧ с ГУН, частота которого теперь не зависела от напряжения.

Эта разработка позже получила название NE566, и содержала все элементы будущего таймера NE555, включая компараторы, триггер и ключ. Схема могла вырабатывать треугольные импульсы с амплитудой задаваемой внутренним делителем, и с частотой задаваемой внешней RC-цепочкой.

Ганс Камензинд продал компании Signetics свою разработку, после чего предложил ее доработку до ждущего мультивибратора — генератора одиночных импульсов. Идею поддержали не сразу, однако руководитель отдела продаж компании Signetics, Арт Фьюри, настоял, и проект был одобрен, будущую микросхему назвали NE555 (NE от SigNEtics).

Доработка и отладка таймера заняли еще несколько месяцев, и в конце концов в 1971 году стартовали продажи NE555 в восьмивыводном корпусе по цене 75 центов. Сегодня функциональные аналоги оригинального NE555 выпускаются во множестве биполярных и КМОП-вариантов почти всеми крупными производителями электронных компонентов.

Рассмотрим теперь назначение выводов интегрального таймера NE555, это позволит читателю понять причину, по которой данная микросхема приобрела колоссальную популярность как среди специалистов, так и среди радиолюбителей.

Первый вывод — земля. Подключается к минусовому проводу источника питания.

Второй вывод — триггер. Когда напряжение на этом выводе ниже 1/3 напряжения питания, таймер запускается. При этом потребляемый данным входом ток не превышает 500 нА.

Третий вывод — выход. Когда таймер включен, напряжение на этом выводе на 1,7 вольт меньше напряжения питания, а максимальный ток данного вывода достигает 200 мА.

Четвертый вывод — сброс. При подаче на этот вывод напряжения низкого уровня, ниже 0,7 вольт, микросхема переходит в исходное состояние. Если сброс при работе в схеме не требуется, данный вывод просто соединяют с плюсом источника питания микросхемы.

Пятый вывод — контроль. Данный вывод находится под опорным напряжением, и присоединен к инвертирующему входу первого компаратора.

Шестой вывод — порог, стоп. При подаче на этот вывод напряжения выше 2/3 напряжения питания, таймер остановится и его выход будет переведен в состояние покоя.

Седьмой вывод — разряд. Когда на выходе микросхемы низкий уровень, данный вывод внутри микросхемы соединяется с землей, а когда на выходе микросхемы высокий уровень, данный вывод от земли отсоединен. Этот вывод способен выдержать ток до 200 мА.

Восьмой вывод — питание. Этот вывод подключается к плюсовому проводу источника питания микросхемы, напряжение которого может быть от 4,5 до 16 вольт.

Микросхема NE555 нашла широкое применение, благодаря своей универсальности. На ее основе строятся генераторы, модуляторы, реле времени, пороговые устройства и многие другие узлы различной электронной аппаратуры, разнообразие которой ограничено лишь фантазией и творческим подходом инженеров и разработчиков.

Примерами решаемых задач могут служить: функция восстановления искаженного в линиях связи цифрового сигнала, фильтры дребезга, импульсные источники питания, двухпозиционные регуляторы в системах автоматического регулирования, ШИМ-контроллеры, таймеры и многое другое.

Дополнительные материалы про микросхему NE555 :

uA741 — операционный усилитель на биполярных транзисторах. Этот операционный усилитель второго поколения, разработанный в 1968 году инженером компании Fairchild Semiconductor, Дэвидом Фуллагаром, является модификацией операционного усилителя LM101, к которому требовался внешний конденсатор частотной коррекции. К uA741 внешний конденсатор уже не требовался, ибо здесь он сразу установлен на самом кристалле микросхемы.

Характеристики uA741 были совершенными для того времени, а простота применения микросхемы способствовала широкому ее использованию. Так uA741 стал универсальным типовым операционным усилителем, и по сей день его аналоги выпускаются очень многими производителями микроэлектронных компонентов, например: AD741, LM741, и отечественный аналог — К140УД7. Данные микросхемы выпускаются как в корпусах DIP, так и в чиповых.

В основе операционных усилителей лежит один и тот же принцип, отличия заключаются лишь в структуре. Операционные усилители второго и следующих поколений включают в себя следующие функциональные блоки:

Входной каскад — дифференциальный усилитель, обеспечивающий усиление при высоком входном сопротивлении и при малом уровне шума.

Усилитель напряжения с высоким коэффициентом, АЧХ спадает как в однополюсном фильтре низких частот. Здесь не дифференциальный, единственный выход.

Выходной каскад (усилитель), дающий высокую нагрузочную способность, низкое выходное сопротивление, и обеспечивающий защиту от короткого замыкание и ограничение выходного тока.

Интегрированный конденсатор на 30 пФ дает частотно-зависимую отрицательную обратную связь, повышающую устойчивость операционного усилителя при работе с внешней обратной связью. Это так называемая компенсация Миллера, функционирующая практически как интегратор, построенный на операционном усилителе. Частотная компенсация дает операционному усилителю безусловную стабильность в широком диапазоне условий и тем самым упрощает его применение в широком спектре электронных устройств.

В выходном каскаде uA741 присутствует резистор сопротивлением 25 Ом, служащий датчиком тока. Совместно с транзистором Q17, этот резистор ограничивает ток эмиттерного повторителя Q14 на уровне около 25 мА. В нижнем плече двухтактного выходного каскада ограничение тока через транзистор Q20 осуществляется посредством через эмиттер транзистора Q19 и последующего ограничения тока, текущего в базу Q15. В более современных модификациях схемотехники uA741 могут использоваться несколько отличающиеся от описанной здесь методы ограничения выходного тока.

Микросхема имеет два вывода Offset для балансировки, позволяющие подстраивать смещение входа операционного усилителя точно до нуля. Для этой цели можно использовать внешний потенциометр. Напряжение питания микросхемы может достигать от +-18 до +-22 вольт, в зависимости от модификации, однако рекомендуемый диапазон — от +-5 до +-15 вольт.

Смотрите также по этой теме:

Микросхема TL431 была выпущена в продажу компанией Texas Instruments в 1978 году, и позиционировалась как прецизионный регулируемый стабилизатор напряжения. Предшествующей версией была менее точная микросхема TL430. Сегодня TL431 выпускают многие производители под маркировками: LM431, KA431, а ее отечественный аналог — КР142ЕН19А.

TL431 по сути — управляемый стабилитрон, часто встречающийся в трехвыводном корпусе TO-92. Данную микросхему можно, пожалуй, увидеть на плате любого из современных , как минимум — в схеме гальванической развязки вторичных цепей.

Микросхема достаточно просто регулируется: при подаче на управляющий электрод напряжения выше порогового 2,5 вольт, внутренний транзистор, выполняющий функцию стабилитрона, переходит в проводящее состояние.

Значения выводов очевидны из блок-схемы:

Первый вывод — электрод управления.

Второй вывод — несет функцию анода стабилитрона.

Третий вывод — играет роль катода стабилитрона.

Рабочее напряжение на катоде может быть из диапазона от 2,5 до 36 вольт, а ток в проводящем состоянии не должен превышать 100 мА, при этом ток управления не превышает 4 мкА. Внутренний источник опорного напряжения имеет номинал 2,5 вольта.

Микросхема настолько проста в настройке и в использовании, что уже нашла самое широкое применение в различных электронных устройствах, начиная с импульсных блоков питания, где она традиционно работает совместно с оптроном, заканчивая датчиками освещенности и температуры.

Сегодня трудно найти бытовой прибор, где бы не было TL431, именно по этой причине данная микросхема выпускается во множестве различных корпусов. Таким образом, TL431 отлично подходит для построения цепей обратной связи в совершенно различных аспектах этого понятия.

Примеры использования микросхемы TL431 :

Аналоговый компаратор LM311 выпускается с 1973 года компанией National Semiconductor (с 23 сентября 2011 года компания официально является частью Texas Instruments). Отечественный аналог данного компаратора — КР554СА3.

Для данного интегрального компаратора напряжения характерен очень малый входной ток (150 нА). Он разработан специально для применения в широком диапазоне питающих напряжений: от стандартного +- 15В до однополярного + 5В, традиционного для цифровой логики. Выход компаратора совместим с TTL, RTL, DTL и MOS — уровнями.

Его выходной каскад с открытым коллектором позволяет непосредственно нагрузить выход на реле или на лампу накаливания, и коммутировать ток до 50 мА при напряжении до 50 В. Потребляемая микросхемой мощность составляет всего 135 мВт при питании напряжением +-15 В. В даташите на компаратор LM311 приведено множество типовых схем его применений.

Микросхема содержит 20 резисторов, 22 биполярных транзистора, 1 полевой транзистор и 2 диода. Вход и выход LM311 можно изолировать от земли схемы так, чтобы выходная цепь микросхемы работала на заземленную нагрузку или на нагрузку, подключенную к отрицательному или положительному полюсу источника питания.

В схеме компаратора есть возможности балансировки сдвига и стробирования, а выходы нескольких LM311 можно соединять по схеме проводное ИЛИ. Вероятность возникновения ложных срабатываний у данной микросхемы очень низка.

Без названия — Кр554са3. . Принципиальная схема

Тем, кто использует компьютер каждый день (и особенно каждую ночь), очень близка идея Silent PC. Этой теме посвящено много публикаций, однако на сегодняшний день проблема шума, производимого компьютером, далека от решения. Одним из главных источников шума в компьютере является процессорный кулер. При использовании программных средств охлаждения, таких как CpuIdle, Waterfall и прочих, или же при работе в операционных системах Windows NT/2000/XP и Windows 98SE средняя температура процессора в Idle-режиме значительно понижается. Однако вентилятор кулера этого не знает и продолжает трудиться в полную силу с максимальным уровнем шума. Конечно, существуют специальные утилиты (SpeedFan, например), которые умеют управлять оборотами вентиляторов. Однако работают такие программы далеко не на всех материнских платах. Но даже если и работают, то, можно сказать, не очень разумно. Так, на этапе загрузки компьютера даже при относительно холодном процессоре вентилятор работает на своих максимальных оборотах. Выход из положения на самом деле прост: для управления оборотами крыльчатки вентилятора можно соорудить аналоговый регулятор с отдельным термодатчиком, закрепленным на радиаторе кулера. Вообще говоря, существует бесчисленное множество схемотехнических решений для таких терморегуляторов. Но нашего внимания заслуживают две наиболее простых схемы термоконтроля, с которыми мы сейчас и разберемся.

Описание

Если кулер не имеет выхода таходатчика (или же этот выход просто не используется), можно построить самую простую схему, которая содержит минимальное количество деталей (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема первого варианта терморегулятора

Ещё со времен “четверок” использовался регулятор, собранный по такой схеме. Построен он на основе микросхемы компаратора LM311 (отечественный аналог — КР554СА3). Несмотря на то, что применен компаратор, регулятор обеспечивает линейное, а не ключевое регулирование. Может возникнуть резонный вопрос: “Как так получилось, что для линейного регулирования применяется компаратор, а не операционный усилитель?”. Ну, причин этому есть несколько. Во-первых, данный компаратор имеет относительно мощный выход с открытым коллектором, что позволяет подключать к нему вентилятор без дополнительных транзисторов. Во-вторых, благодаря тому, что входной каскад построен на p-n-p транзисторах, которые включены по схеме с общим коллектором, даже при однополярном питании можно работать с низкими входными напряжениями, находящимися практически на потенциале земли. Так, при использовании диода в качестве термодатчика нужно работать при потенциалах входов всего 0.7 В, что не позволяют большинство операционных усилителей. В-третьих, любой компаратор можно охватить отрицательной обратной связью, тогда он будет работать так, как работают операционные усилители (кстати, именно такое включение и использовано).

В качестве датчика температуры очень часто применяют диоды. У кремниевого диода p-n переход имеет температурный коэффициент напряжения примерно -2.3 мВ/°C, а прямое падение напряжения — порядка 0.7 В. Большинство диодов имеют корпус, совсем неподходящий для их закрепления на радиаторе. В то же время некоторые транзисторы специально приспособлены для этого. Одними из таких являются отечественные транзисторы КТ814 и КТ815. Если подобный транзистор привинтить к радиатору, коллектор транзистора окажется с ним электрически соединенным. Чтобы избежать неприятностей, в схеме, где этот транзистор используется, коллектор должен быть заземлен. Исходя из этого, для нашего термодатчика нужен p-n-p транзистор, например, КТ814.

Можно, конечно, просто использовать один из переходов транзистора как диод. Но здесь мы можем проявить смекалку и поступить более хитро 🙂 Дело в том, что температурный коэффициент у диода относительно низкий, а измерять маленькие изменения напряжения достаточно тяжело. Тут вмешиваются и шумы, и помехи, и нестабильность питающего напряжения. Поэтому часто, для того чтобы повысить температурный коэффициент датчика температуры, используют цепочку последовательно включенных диодов. У такой цепочки температурный коэффициент и прямое падение напряжения увеличиваются пропорционально количеству включенных диодов. Но ведь у нас не диод, а целый транзистор! Действительно, добавив всего два резистора, можно соорудить на транзисторе двухполюсник, поведение которого будет эквивалентно поведению цепочки диодов. Что и сделано в описываемом терморегуляторе.

Температурный коэффициент такого датчика определяется отношением резисторов R2 и R3 и равен Tcvd*(R3/R2+1), где Tcvd — температурный коэффициент одного p-n перехода. Повышать отношение резисторов до бесконечности нельзя, так как вместе с температурным коэффициентом растет и прямое падение напряжения, которое запросто может достигнуть напряжения питания, и тогда схема работать уже не будет. В описываемом регуляторе температурный коэффициент выбран равным примерно -20 мВ/°C, при этом прямое падение напряжения составляет около 6 В.

Датчик температуры VT1R2R3 включен в измерительный мост, который образован резисторами R1, R4, R5, R6. Питается мост от параметрического стабилизатора напряжения VD1R7. Необходимость применения стабилизатора вызвана тем, что напряжение питания +12 В внутри компьютера довольно нестабильное (в импульсном источнике питания осуществляется лишь групповая стабилизация выходных уровней +5 В и +12 В).

Напряжение разбаланса измерительного моста прикладывается к входам компаратора, который используется в линейном режиме благодаря действию отрицательной обратной связи. Подстроечный резистор R5 позволяет смещать регулировочную характеристику, а изменение номинала резистора обратной связи R8 позволяет менять ее наклон. Емкости C1 и C2 обеспечивают устойчивость регулятора.

Смонтирован регулятор на макетной плате, которая представляет собой кусочек одностороннего фольгированного стеклотекстолита (рис.2).

Рис. 2. Монтажная схема первого варианта терморегулятора

Для уменьшения габаритов платы желательно использовать SMD-элементы. Хотя, в принципе, можно обойтись и обычными элементами. Плата закрепляется на радиаторе кулера с помощью винта крепления транзистора VT1. Для этого в радиаторе следует проделать отверстие, в котором желательно нарезать резьбу М3. В крайнем случае, можно использовать винт и гайку. При выборе места на радиаторе для закрепления платы нужно позаботиться о доступности подстроечного резистора, когда радиатор будет находиться внутри компьютера. Таким способом можно прикрепить плату только к радиаторам “классической” конструкции, а вот крепление ее к радиаторам цилиндрической формы (например, как у Orb-ов) может вызвать проблемы. Хороший тепловой контакт с радиатором должен иметь только транзистор термодатчика. Поэтому если вся плата целиком не умещается на радиаторе, можно ограничится установкой на нем одного транзистора, который в этом случае подключают к плате с помощью проводов. Саму плату можно расположить в любом удобном месте. Закрепить транзистор на радиаторе несложно, можно даже просто вставить его между ребер, обеспечив тепловой контакт с помощью теплопроводящей пасты. Еще одним способом крепления является применение клея с хорошей теплопроводностью.

При установке транзистора термодатчика на радиатор, последний оказывается соединенным с землей. Но на практике это не вызывает особых затруднений, по крайней мере, в системах с процессорами Celeron и PentiumIII (часть их кристалла, соприкасающаяся с радиатором, не имеет электрической проводимости).

Электрически плата включается в разрыв проводов вентилятора. При желании можно даже установить разъемы, чтобы не разрезать провода. Правильно собранная схема практически не требует настройки: нужно лишь подстроечным резистором R5 установить требуемую частоту вращения крыльчатки вентилятора, соответствующую текущей температуре. На практике у каждого конкретного вентилятора существует минимальное напряжение питания, при котором начинает вращаться крыльчатка. Настраивая регулятор, можно добиться вращения вентилятора на минимально возможных оборотах при температуре радиатора, скажем, близкой к окружающей. Тем не менее, учитывая то, что тепловое сопротивление разных радиаторов сильно отличается, может потребоваться корректировка наклона характеристики регулирования. Наклон характеристики задается номиналом резистора R8. Номинал резистора может лежать в пределах от 100 К до 1 М. Чем больше этот номинал, тем при более низкой температуре радиатора вентилятор будет достигать максимальных оборотов. На практике очень часто загрузка процессора составляет считанные проценты. Это наблюдается, например, при работе в текстовых редакторах. При использовании программного кулера в такие моменты вентилятор может работать на значительно сниженных оборотах. Именно это и должен обеспечивать регулятор. Однако при увеличении загрузки процессора его температура поднимается, и регулятор должен постепенно поднять напряжение питания вентилятора до максимального, не допустив перегрева процессора. Температура радиатора, когда достигаются полные обороты вентилятора, не должна быть очень высокой. Конкретные рекомендации дать сложно, но, по крайней мере, эта температура должна “отставать” на 5 — 10 градусов от критической, когда уже нарушается стабильность системы.

Да, еще один момент. Первое включение схемы желательно производить от какого-либо внешнего источника питания. Иначе, в случае наличия в схеме короткого замыкания, подключение схемы к разъему материнской платы может вызвать ее повреждение.

Теперь второй вариант схемы. Если вентилятор оборудован таходатчиком, то уже нельзя включать регулирующий транзистор в “земляной” провод вентилятора. Поэтому внутренний транзистор компаратора здесь не подходит. В этом случае требуется дополнительный транзистор, который будет производить регулирование по цепи +12 В вентилятора. В принципе, можно было просто немного доработать схему на компараторе, но для разнообразия была сделана схема, собранная на транзисторах, которая оказалась по объему даже меньше (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема второго варианта терморегулятора

Поскольку размещенная на радиаторе плата нагревается вся целиком, то предсказать поведение транзисторной схемы довольно сложно. Поэтому понадобилось предварительное моделирование схемы с помощью пакета PSpice. Результат моделирования показан на рис. 4.

Рис. 4. Результат моделирования схемы в пакете PSpice

Как видно из рисунка, напряжение питания вентилятора линейно повышается от 4 В при 25°C до 12 В при 58°C. Такое поведение регулятора, в общем, соответствует нашим требованиям, и на этом этап моделирования был завершен.

Принципиальные схемы этих двух вариантов терморегулятора имеют много общего. В частности, датчик температуры и измерительный мост совершенно идентичны. Разница заключается лишь в усилителе напряжения разбаланса моста. Во втором варианте это напряжение поступает на каскад на транзисторе VT2. База транзистора является инвертирующим входом усилителя, а эмиттер — неинвертирующим. Далее сигнал поступает на второй усилительный каскад на транзисторе VT3, затем на выходной каскад на транзисторе VT4. Назначение емкостей такое же, как и в первом варианте. Ну, а монтажная схема регулятора показана на рис. 5.

Рис. 5. Монтажная схема второго варианта терморегулятора

Конструкция аналогична первому варианту, за исключением того, что плата имеет немного меньшие размеры. В схеме можно применить обычные (не SMD) элементы, а транзисторы — любые маломощные, так как ток, потребляемый вентиляторами, обычно не превышает 100 мА. Замечу, что эту схему можно использовать и для управления вентиляторами с большим значением потребляемого тока, но в этом случае транзистор VT4 необходимо заменить на более мощный. Что же касается вывода тахометра, то сигнал тахогенератора TG напрямую проходит через плату регулятора и поступает на разъем материнской платы. Методика настройки второго варианта регулятора ничем не отличается от методики, приведенной для первого варианта. Только в этом варианте настройку производят подстроечным резистором R7, а наклон характеристики задается номиналом резистора R12.

Выводы

Практическое использование терморегулятора (совместно с программными средствами охлаждения) показало его высокую эффективность в плане снижения шума, производимого кулером. Однако и сам кулер должен быть достаточно эффективным. Например, в системе с процессором Celeron566, работающем на частоте 850 МГц, боксовый кулер уже не обеспечивал достаточной эффективности охлаждения, поэтому даже при средней загрузке процессора регулятор поднимал напряжение питания кулера до максимального значения. Ситуация исправилась после замены вентилятора на более производительный, с увеличенным диаметром лопастей. Сейчас полные обороты вентилятор набирает только при длительной работе процессора с практически 100% загрузкой.

Леонид Ридико ([email protected])
Опубликовано – 6 августа 2001 г.

Хотелось бы отметить удачный выбор электронных составляющих первой из схем, особенно это касается компаратора на ИМС К554СА3 (КР554СА3 или LM311). Однако потенциал компаратора К554СА3 использован только наполовину: в устройстве термоконтроля ИМС К554СА3 применена в стандартном включении, в этом случае нагрузка (вентилятор) управляется по «общему» (земляному) проводу (нагрузка включена между плюсом питания и выходом компаратора с открытым коллектором (вывод 9 ИМС), а выход с открытым эмиттером (вывод 2) подключен на землю. Если вентилятор оборудован таходатчиком, то уже нельзя управлять вентилятором по «общему» проводу. Но ИМС К554СА3 позволяет использовать для управления нагрузкой и выход с ОЭ. В этом случае выход ИМС с ОК подключается к плюсу источника питания, нагрузка включается между выходом ИМС с ОЭ и общим проводом, а выход таходатчика подключается напрямую к разъёму материнской платы компьютера. При этом входы компаратора инвертируются.

На рисунке представлен вариант устройства термоконтроля вентилятора на ИМС К554СА3 с управлением нагрузкой по схеме с ОЭ. Цоколёвка ИМС дана для варианта К554СА3 (в корпусе с 14-ю выводами), в скобках указаны выводы для КР554СА3 или LM311 (в корпусе с 8-ю выводами).

Вследствие инвертирования входов компаратора цепь ООС на R8 C2 включена между неинвертирующим входом компаратора (вывод 3) и выходом ИМС с ОЭ (вывод 2). На схеме приведены несколько иные, по сравнению с первоисточником, номиналы сопротивлений R4 и R6, так как был применён стабилитрон на другое напряжение и вместо транзистора КТ814 использовался КТ816. Для улучшения работы устройства в схему добавлен резистор R9.

Схема смонтирована на небольшой плате из текстолита. Транзистор VT1 вынесен за пределы платы и закреплён на радиаторе кулера. Для электрической изоляции коллектора транзистора VT1 от корпуса радиатора использовалась тонкая пластина слюды, вырезанная по размерам транзистора с небольшим (около 1 мм) запасом по краям. Для улучшения теплообмена слюдяная пластина была смазана с обеих сторон непроводящей термопастой.

Если предполагается использовать нагрузку с высоким током потребления, то можно к выходу компаратора подключить дополнительный транзистор типа n-p-n (КТ815 или КТ817).

Напомню, что температурный коэффициент двухполюсника на транзисторе VT1 определяется отношением резисторов R2 и R3 и равен Tcvd*(R3/R2+1), где Tcvd — температурный коэффициент одного p-n- перехода.«Повышать отношение резисторов до бесконечности нельзя, так как вместе с температурным коэффициентом растет и прямое падение напряжения, которое запросто может достигнуть напряжения питания, и тогда схема работать уже не будет. В описываемом регуляторе температурный коэффициент выбран равным примерно — 20 мВ/°C, при этом прямое падение напряжения составляет около 6 В.»

Регулировка схемы не отличается от описанной в первой статье: «Нужно лишь подстроечным резистором R5 установить требуемую частоту вращения крыльчатки вентилятора, соответствующую текущей температуре. На практике у каждого конкретного вентилятора существует минимальное напряжение питания, при котором начинает вращаться крыльчатка. Настраивая регулятор, можно добиться вращения вентилятора на минимально возможных оборотах при температуре радиатора, скажем, близкой к окружающей.»

R5 отвечает за смещение регулировочной характеристики, а R8 — за её наклон. Величина сопротивления R8 лежит в диапазоне от 100 кОм до 1 МОм. Чем больше сопротивление, тем при более низкой температуре радиатора вентилятор будет достигать максимальных оборотов. Температура радиатора, при которой достигаются полные обороты вентилятора, должна «отставать» на 5–10°C от критической, при которой уже нарушается стабильность системы.

Добиться нормальной работы схемы можно подбором сопротивлений R4 и R6 делителя R4 R5 R6 так, чтобы при нормальных условиях (температура около 25–30°C) напряжение на эмиттере VT1 находилось в интервале между напряжениями на верхнем и нижнем (по схеме) выводах подстроечного сопротивления R5.

В заключение хотелось бы отметить, что из-за особенностей выбранной схемы включения ИМС максимальное напряжение на выходе компаратора, т. е. на вентиляторе, не превышает 9,8 В. Поэтому вентилятор должнен быть взят с запасом по производительности.

Михаил Наумов ([email protected])
Опубликовано – 9 февраля 2002 г.

Терморегулятор для погреба — Мои статьи — Каталог статей

Выбор датчика для терморегулятора

Терморегулятор в быту применяется в самых разных устройствах, начиная от холодильника и заканчивая утюгами и паяльниками. Наверно, нет такого радиолюбителя, который обошел бы стороной подобную схему. Чаще всего в качестве датчика или сенсора температуры в различных любительских конструкциях используются терморезисторы, транзисторы или диоды. Работа таких терморегуляторов достаточно проста, алгоритм работы примитивный, и как следствие простая электрическая схема.

Поддержание заданной температуры производится включением – выключением нагревательного элемента (ТЭН): как только температура достигнет заданной величины, срабатывает сравнивающее устройство (компаратор) и ТЭН отключается. Такой принцип регулирования реализован во всех простых регуляторах. Казалось бы, все просто и понятно, но это лишь до того, пока не дошло до практических опытов.

Самым сложным и трудоемким процессом в изготовлении «простых» терморегуляторов является настройка на требуемую температуру. Для определения характерных точек температурной шкалы предлагается сначала погружать датчик в сосуд с тающим льдом (это ноль градусов Цельсия), а затем в кипяток (100 градусов).

После этой «калибровки» методом проб и ошибок при помощи градусника и вольтметра производится настойка необходимой температуры срабатывания. После таких опытов результат оказывается не самым лучшим.

Сейчас различными фирмами выпускается множество температурных сенсоров уже откалиброванных в процессе производства. В основном это датчики, рассчитанные на работу с микроконтроллерами. Информация на выходе этих датчиков цифровая, передается по однопроводному двунаправленному интерфейсу 1-wire, что позволяет создавать целые сети на базе подобных устройств. Другими словами очень просто создать многоточечный термометр, контролировать температуру, например, в помещении и за окном, и даже не в одной комнате.

На фоне такого изобилия интеллектуальных цифровых сенсоров неплохо выглядит скромный прибор LM335 и его разновидности 235, 135. Первая цифра в маркировке говорит о назначении прибора: 1 соответствует военной приемке, 2 индустриальное применение, а тройка говорит об использовании компонента в бытовых приборах.

Кстати, такая же стройная система обозначений свойственна многим импортным деталям, например операционным усилителям, компараторам и многим другим. Отечественным аналогом таких обозначений была маркировка транзисторов, например, 2Т и КТ. Первые предназначались для военных, а вторые для широкого применения. Но пора вернуться к уже знакомому нам LM335.

Внешне этот сенсор похож на маломощный транзистор в пластмассовом корпусе ТО — 92, но внутри него находится 16 транзисторов. Также этот датчик может быть и в корпусе SO – 8, но различий между ними нет никаких. Внешний вид датчика показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид датчика LM335

По принципу действия датчик LM335 представляет собой стабилитрон, у которого напряжение стабилизации зависит от температуры. При повышении температуры на один градус Кельвина напряжение стабилизации увеличивается на 10 милливольт. Типовая схема включения показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Типовая схема включения датчика LM335

При взгляде на этот рисунок сразу можно спросить, какое же сопротивление резистора R1 и, какое напряжение питания при такой схеме включения. Ответ содержится в технической документации, где сказано, что нормальная работа изделия гарантируется в диапазоне токов 0,45…5,00 миллиампер. Следует заметить, что предел в 5 мА превышать не следует, поскольку датчик будет перегреваться и измерять собственную температуру.

Что будет показывать датчик LM335

Согласно документации (Data Sheet) датчик проградуирован по абсолютной шкале Кельвина. Если предположить, что температура внутри помещения -273,15°C, а это абсолютный ноль по Кельвину, то рассматриваемый датчик должен показать нулевое напряжение. При увеличении температуры на каждый градус выходное напряжение стабилитрона будет возрастать на целых 10мВ или на 0,010В.

Чтобы перевести температуру из привычной всем шкалы Цельсия в шкалу Кельвина достаточно просто прибавить 273,15. Ну, про 0,15 всегда и все забывают, поэтому просто 273, и получается, что 0°C это 0+273 = 273°K.

В учебниках физики нормальной температурой считается 25°C, а по Кельвину получается 25+273 = 298, а точнее 298,15. Именно эта точка упоминается в даташите, как единственная точка калибровки сенсора. Таким образом, при температуре 25°C на выходе датчика должно быть 298,15 * 0,010 = 2,9815В.

Рабочий диапазон датчика находится в пределах -40…100°C и во всем диапазоне характеристика датчика очень линейна, что позволяет легко рассчитать показания датчика при любой температуре: сначала надо пересчитать температуру по Цельсию в градусы Кельвина. Затем полученную температуру умножить на 0,010В. Последний ноль в этом числе говорит о том, что напряжение в Вольтах указано с точностью до 1мВ.

Все эти рассуждения и расчеты должны навести на мысль, что при изготовлении терморегулятора не придется ничего градуировать, макая сенсор в кипяток и в тающий лед. Достаточно просто рассчитать напряжение на выходе LM335, после чего останется только выставить это напряжение в качестве задающего на входе сравнивающего устройства (компаратора).

Еще один повод для использования LM335 в своей конструкции это небольшая цена. В интернет магазине его можно купить по цене около 1 доллара. Наверно, доставка обойдется дороже. После всех этих теоретических рассуждений можно перейти к разработке электрической схемы терморегулятора. В данном случае для погреба.

Принципиальная схема терморегулятора для погреба

Чтобы сконструировать терморегулятор для погреба на базе аналогового термодатчика LM335 не надо изобретать ничего нового. Достаточно обратиться к технической документации (Data Sheet) на этот компонент. Даташит содержит все способы применения датчика, в том числе и собственно терморегулятор.

Но эту схему можно рассматривать как функциональную, по которой можно изучить принцип работы. Практически придется дополнить ее выходным устройством, позволяющим включать нагреватель заданной мощности и, естественно, блоком питания и, возможно, индикаторами работы. Об этих узлах будет рассказано несколько позже, а пока посмотрим, что же предлагает фирменная документация, она же даташит. Схема, как она есть, показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема подключения датчика LM335

Как работает компаратор

Основой предлагаемой схемы является компаратор LM311, он же 211 или 111. Как и все компараторы, 311-й имеет два входа и выход. Один из входов (2) является прямым и обозначен знаком +. Другой вход — инверсный (3) обозначен знаком «минус». Выходом компаратора является вывод 7.

Логика работы компаратора достаточно проста. Когда напряжение на прямом входе (2) больше, чем на инверсном (3), на выходе компаратора устанавливается высокий уровень. Транзистор открывается и подключает нагрузку. На рисунке 1 это сразу нагреватель, но ведь это функциональная схема. К прямому входу подключен потенциометр, задающий порог срабатывания компаратора, т.е. уставку температуры.

Когда напряжение на инверсном входе больше, чем на прямом, на выходе компаратора установится низкий уровень. К инверсному входу подключен термодатчик LM335, поэтому при повышении температуры (нагреватель уже включен) будет повышаться напряжение на инверсном входе.

Когда напряжение датчика достигнет порога срабатывания, установленного потенциометром, компаратор переключится в низкий уровень, транзистор закроется и отключит нагреватель. Далее весь цикл повторится.

Осталось совсем ничего, — на базе рассмотренной функциональной схемы разработать практическую схему, по возможности простую и доступную для повторения начинающими радиолюбителями. Возможный вариант практической схемы показан на рисунке 4.

Рисунок 4. 

Несколько пояснений к принципиальной схеме

Нетрудно видеть, что базовая схема немного изменилась. Прежде всего, вместо нагревателя транзистор будет включать реле, а что будет включать реле об этом чуть позже. Еще появился электролитический конденсатор C1, назначение которого сглаживание пульсаций напряжения на стабилитроне 4568. Но расскажем о назначении деталей чуть подробней.

Питание термодатчика и делителя напряжения уставки температуры R2, R3, R4 стабилизировано параметрическим стабилизатором R1, 1N4568, C1 с напряжением стабилизации 6,4В. Даже если питание всего устройства будет производиться от стабилизированного источника, дополнительный стабилизатор не помешает.

Такое решение позволяет питать все устройство от источника, напряжение которого можно выбрать в зависимости от напряжения катушки реле, имеющегося в наличии. Скорее всего, это будет 12 или 24В. Источник питания может быть даже нестабилизированным, просто диодный мост с конденсатором. Но лучше все-таки не поскупиться и поставить в блок питания интегральный стабилизатор 7812, который обеспечит еще и защиту от КЗ.

Если уж разговор зашел про реле, что можно в данном случае применить? Прежде всего, это современные малогабаритные реле, наподобие тех, что применяются в стиральных машинах. Внешний вид реле показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Малогобаритное реле

При всей миниатюрности такие реле могут коммутировать ток до 10А, что позволяет коммутировать нагрузку до 2КВт. Это если на все 10А, но так делать не надо. Самое большее, что можно включить таким реле это нагреватель мощностью не более 1КВт, ведь должен же быть хоть какой-то «запас прочности»!

Совсем хорошо, если реле своими контактами будет включать магнитный пускатель серии ПМЕ, а уж он пусть включает нагреватель. Это один из самых надежных вариантов включения нагрузки. Другие варианты подключения описаны в статье «Как подключить нагрузку к блоку управления на микросхемах». Но практика показывает, что вариант с магнитным пускателем, пожалуй, самый простой и надежный. Возможная реализация такого варианта показана на рисунке 6.

Рисунок 6.

Электропитание терморегулятора

Блок питания устройства нестабилизированный, а поскольку сам терморегулятор (одна микросхема и один транзистор) практически никакой мощности не потребляет, то в качестве источника питания вполне подойдет любой сетевой адаптер китайского производства.

Если сделать блок питания, как показано на схеме, то вполне подойдет небольшой силовой трансформатор от кассетного магнитофона калькулятора или чего-то другого. Главное, чтобы напряжение на вторичной обмотке было не свыше 12..14В. При меньшем напряжении не будет срабатывать реле, а при большем оно просто может сгореть.

Если выходное напряжения трансформатора находится в пределах 17…19В, то тут без стабилизатора не обойтись. Это не должно пугать, ведь современные интегральные стабилизаторы имеют всего 3 вывода, запаять их не так и сложно.

Включение нагрузки

Открытый транзистор VT1 включает реле K1, которое своим контактом K1.1 включает магнитный пускатель K2. Контакты магнитного пускателя K2.1 и K2.2 подключают к сети нагреватель. Следует отметить, что нагреватель включается сразу двумя контактами. Такое решение гарантирует, что при отключенном пускателе на нагрузке не останется фаза, если, конечно все исправно.

Поскольку погреб помещение влажное, иногда очень сырое, в плане электробезопасности очень опасное, то подключение всего устройства лучше всего осуществить с применением УЗО по всем требованиям к современной проводке. О правилах устройства электрической проводки в подвале можно почитать в этой статье.

Каким должен быть нагреватель

Схем терморегуляторов для погреба опубликовано немало. Когда-то их печатал журнал «Моделист-коструктор» и другие печатные издания, а теперь все это изобилие перекочевало в интернет. В этих статьях даются рекомендации, каким же должен быть нагреватель.

Кто-то предлагает обычные стоваттные лампы накаливания, трубчатые нагреватели марки ТЭН, масляные радиаторы (можно даже с неисправным биметаллическим регулятором). Также предлагается использовать бытовые обогреватели с встроенным вентилятором. Главное, чтобы не было прямого доступа к токоведущим частям. Поэтому старые электроплитки с открытой спиралью и самодельные нагреватели типа «козёл» применять ни в коем случае нельзя.

Сначала проверьте монтаж

Если устройство собрано без ошибок из исправных деталей, то особой наладки не требуется. Но в любом случае перед первым включением обязательно проверить качество монтажа: нет ли непропаек или наоборот замкнутых дорожек на печатной плате. И проделывать эти действия надо не забывать, просто взять себе за правило. Особенно это относится к конструкциям, подключаемым к электрической сети.

Настройка терморегулятора

Если первое включение конструкции произошло без дыма и взрывов, то единственное, что надо сделать, это выставить опорное напряжение на прямом входе компаратора (вывод 2), согласно желаемой температуре. Для этого необходимо произвести несколько расчетов.

Предположим, что температура в погребе должна поддерживаться на уровне +2 градуса по Цельсию. Тогда сначала переводим ее в градусы Кельвина, затем полученный результат умножаем на 0,010В в результате получается опорное напряжение, оно же уставка температуры.

(273,15 + 2) * 0,010 = 2,7515(В)

Если предполагается, что терморегулятор должен поддерживать температуру, например, +4 градуса, то получится следующий результат: (273,15 + 4) * 0,010 = 2,7715(В)

LM358 и LM358N datasheet, описание, схема включения

Самый популярный двухканальный операционный усилитель LM358, LM358N. Операционник относится к серии LM158, LM158A, LM258, LM258A, LM2904, LM2904V. Имеет множество схем включения, аналогов и datasheet.

Микросхемы LM358 и LM358N идентичны по параметрам и отличаются только корпусом.

Вам будут интересны даташиты и характеристики других ИМС LM317T, TL431, LM494. Они применяются совместно с импульсными стабилизаторами и блоках питания.

Содержание

• 1. Характеристики, описание
• 2. Таблица характеристик.
• 3. Цоколёвка, распиновка
• 4. Аналог
• 5. Типовые схемы включения
• 6. Datasheet, даташит LM358 LM358N

Характеристики, описание

Питание ИМС может быть однополярным от 3 до 32В. Операционный усилитель стабильно работает на стандартных 3,3В. Двухполярное  питание от 1,5 до 16 Вольт.  При указанной температуре  0° до 70° характеристики остаются в пределах нормы. Если количество градусов выйдет за эти пределы, то появится отклонение параметров.

Многих интересует описание на русском LM328N, но даташит большой, основная часть понятна и без перевода. Чтобы вы не искали LM358 datasheet на русском, составил таблицу основных параметров.

Несколько популярных datasheet для скачивания:

Таблица характеристик.

Параметр	LM358, LM358N
Питание, вольт	3-32В
Биполярное питание	±1,5В до ±16В
Потребляемый ток	0,7мА
Напряжение смещения по входу	3мВ
Ток смещения  компенсации по входу	2нА
Входной ток смещение	20нА
Скорость нарастания на выходе	0,3 В/мсек
Ток на выходе	30 — 40мА
Максимальная частота	0,7 до 1,1 МГц
Коэффициент дифференциального усиления	100дБ
Рабочая температура	0° до 70°

Микросхемы различных производителей могут иметь разные параметры, но всё в пределах нормы. Единственное может сильно отличаться максимальная частота у одних она  0,7МГц, у других до 1,1МГц. Вариантов использования ИМС накопилось очень много, только в документации их около 20 штук. Радиолюбители расширили это количество более 70 схем.

Типовой функционал из datasheet на русском:

1. компараторы;
2. активные RC фильтры;
3. светодиодный драйвер;
4. суммирующий усилитель постоянного тока;
5. генератор импульсов и пульсаций;
6. низковольтный детектор пикового напряжения;
7. полосовой активный фильтр;
8. для усиливания с фотодиода ;
9. инвертирующий и не инвертирующий усилитель;
10. симметричный усилитель;
11. стабилизатор тока;
12. инвертирующий усилитель переменного тока;
13. дифференциальный усилитель постоянного тока;
14. мостовой усилитель тока.

Цоколёвка, распиновка

Аналог

..

Большая популярность определяет и большое количество аналогов LM358 LM358N. В зависимости от производителя характеристики могут немного меняться, но всё в пределах допуска.  Перед заменой проверьте электрические характеристики у изготовителя, вдруг вам не подойдёт. Схемы включения аналогичны. Аналогов  более 30 штук, покажу первую дюжину полностью схожих:по параметрам:

1. КР1040УД1
2. КР1053УД2
3. КР1401УД5
4. GL358
5. NE532
6. OP295
7. OP290
8. OP221
9. OPA2237
10. TA75358P
11. UPC1251C
12. UPC358C

Типовые схемы включения

Пришлось просмотреть несколько спецификаций от разных фабрик, чтобы найти самый полноценный. Большинство короткие и малоинформативные.  Чтобы было максимально понятно, как работают схемы включения LM358 и LM358N, ознакомитесь с типовым включением.

Светодиодный драйвер для светодиода

Datasheet, даташит LM358 LM358N

Сфера применения, указанная производителями:

1. блюрэй плееры и домашние кинотеатры;
2. химические и газовые сенсоры;
3. ДВД рекордеры и плееры;
4. цифровые мультиметры;
5. сенсор температуры;
6. системы управления двигателями;
7. осциллографы;
8. генераторы;
9. системы определения массы.

Описание характеристик LM358N

Компаратор напряжения LM311 — журнал DIYODE

Эта ИС представляет собой способ с малым количеством компонентов для сравнения двух напряжений сигнала или сигнала и опорного сигнала и включения или выключения выхода.

Компараторы

выполняют очень специфическую работу, которая дает производителям некоторые преимущества, которые могут быть не сразу очевидны. Сравнение напряжений или переключение на пороге может быть выполнено с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в Arduino и Raspberry Pi, но мы обсудим позже некоторые очень веские причины, по которым вы можете захотеть сделать это извне.

Мы уже сталкивались с компаратором раньше, когда обсуждали операционные усилители (операционные усилители), и мы даже делали их из операционных усилителей в проектах. Однако интегральная схема (ИС) LM311 — это специализированное устройство, которое выполняет только эту работу, и делает это хорошо. Конечно, не каждый читатель будет знаком с операционными усилителями или предыдущими статьями, поэтому вот очень краткое резюме.

Операционные усилители — это ИС с высокоомными входами, что означает, что они чувствительны к напряжению, а не к току.Один вход является инвертирующим, а другой — неинвертирующим, что означает, что положительное напряжение на инвертирующем входе вызовет отрицательное напряжение на выходе, а положительное напряжение на неинвертирующем входе вызовет положительное напряжение на выходе. Обратное также верно. Операционные усилители часто питаются от положительного и отрицательного источника питания с разделенными шинами с нулевым заземлением посередине, что позволяет им работать как положительно, так и отрицательно. В случае одиночного рельса устраивается синтетический грунт.

Операционные усилители

можно использовать как компаратор, в котором один вход сравнивается с другим, а на выходе устанавливается высокий или низкий уровень в зависимости от ситуации на входах. Операционные усилители имеют много других режимов работы, но в этой статье речь идет о компараторе.

Обычно это делается с помощью делителя напряжения для получения известного напряжения и последующей подачи его на один из входов. Другой используется для измерения целевого сигнала, например напряжения на датчике. Выходной сигнал будет высоким или низким, в зависимости от настройки, когда напряжение датчика поднимется выше или ниже опорного значения.

Компараторы напряжения

, такие как LM311, делают это с высокой точностью, быстрым откликом и минимальным количеством внешних компонентов. LM311 разработан с учетом универсальности, поскольку он может работать в диапазоне напряжений питания, включая +/- 15 В постоянного тока и + 5 В постоянного тока для логических цепей. К сожалению, минимальное рабочее напряжение исключает работу 3,3 В. Выходы имеют достаточно высокий рейтинг, чтобы управлять некоторыми нагрузками без дополнительного усиления.

Как всегда, полезно иметь копию таблицы данных производителя микросхемы.Мы всегда резюмируем наиболее актуальную информацию для нашей аудитории производителей, но в таблицах данных всегда есть больше. Мы использовали документ LM111 / LM211 / LM311 компании Texas Instruments, отредактированный в марте 2017 года. Хотя спецификации должны быть одинаковыми для всех производителей, расположение информации и объем информации могут отличаться.

Примечание. Чтобы узнать больше об операционных усилителях, вы можете обратиться к нашим предыдущим статьям в классе, включая «Операционные усилители — суперэлектронный строительный блок» из выпуска 7, январь 2018 г. или «Операционные усилители»…Пересмотр из выпуска 13, июль 2018 г.

Хотя мы очень кратко описали работу компараторов, здесь мы дадим немного более подробную информацию. Базовый компаратор имеет пять соединений: инвертирующий вход, неинвертирующий вход, а также выход, положительный источник питания и отрицательный источник питания. Поскольку LM311 может работать от однорельсового питания, и мы собираемся использовать его таким образом, мы будем двигаться вперед именно так.

В базовом операционном усилителе измеряемым параметром является разность напряжений между двумя входами.Разница в том, что усиливается и передается на выход, а не в фактических напряжениях на входах. В компараторе разница не измеряется как таковая, а сравнивается, и выход полностью включен или полностью выключен в зависимости от разницы между входами.

Если напряжение на неинвертирующем входе больше положительного, чем напряжение на инвертирующем входе, выход включен. Если напряжение на неинвертирующем входе меньше положительного, чем напряжение на инвертирующем входе, выход выключен.Другими словами, если разница между входами положительна, выход полностью включен, независимо от того, насколько велика или мала разница.

Здесь есть нюанс. В большинстве случаев выход либо полностью включен, либо выключен. Однако есть небольшой участок отклика около порога пересечения эталона, где отклик фактически не является абсолютным.

Вы нечасто увидите это на практике, но мы столкнулись с этим при разработке проекта световой банки, основанного на схеме Класса этого месяца.График на рис. 8 в таблице данных показывает, что имеется короткий крутой отклик, который является почти линейным. Полный эффект охватывает менее милливольта на входе, поэтому он не будет беспокоить большинство пользователей слишком часто.

ИСТОЧНИК: Texas Instruments

Обратите внимание, что мы не включили в эти схемы соединения источника питания. Это связано с тем, что информация действительна для компараторов в целом, в том числе для компараторов, созданных с внешними компонентами от дискретных операционных усилителей, независимо от того, работают ли они от биполярного (с двумя шинами) или от однополярного (с одной шиной) питания.

Это также означает, что напряжения на обоих входах могут быть отрицательными, но пока разница положительная, выход включен.

Для большинства производителей подходят варианты блоков питания LM311. Он будет легко работать с минимальными усилиями от одинарного источника питания +5 В, чего нельзя сказать обо всех операционных усилителях и компараторах. Хотя большинство операционных усилителей и их производных можно заставить работать от одной шины, эти устройства, предназначенные для этого, упрощают проектирование схем.Потребление тока различается для разных ситуаций питания, но было измерено на рабочем столе как 1,19 мА от источника питания + 5 В без нагрузки.

LM311 — довольно старое устройство, и максимальный входной дифференциал (разница между напряжениями на входах) составляет 30 В (+/- 15 В). Это заметно меньше, чем напряжение питания 36 В (+/- 18 В), и иногда указывается как фактор, отвлекающий от устройства. Это может быть правдой для инженеров, но для большинства производителей это не имеет значения.

Большинство наших проектов питаются от 5 В или 12 В, при этом некоторые из проектов на 24 В работают постоянно.Поскольку обычно это однорельсовые источники питания, в этих случаях не возникнет ситуации, когда разрыв между максимальной входной разностью и максимальным напряжением питания станет проблемой. Это по-прежнему хороший выбор, потому что он прочный, простой и очень легко доступен для розничной продажи. Немногие другие компараторы можно купить без рецепта в местном магазине электроники.

Как и все операционные усилители и производные от них устройства, LM311 имеет входы с очень высоким импедансом, с максимальным требуемым входным током 300 нА, с типичным значением 100 нА.Время переключения также варьируется в зависимости от условий входа и выхода, но все цифры в таблицах и графиках таблицы данных ниже 200 нс, и даже при больших диапазонах напряжения питания и сигнала наибольшее значение, которое мы нашли в любой литературе, было менее 1 мс для полного размаха. .

На упрощенной схеме показан выход LM311 в виде N-канального транзистора с открытыми выводами коллектора и эмиттера. Он может обрабатывать максимум 40 В при 50 мА, что означает, что он может переключать многие реле самостоятельно или использоваться с внешним транзистором для переключения больших нагрузок.

Глядя на функциональную блок-схему на странице 10 таблицы данных, можно увидеть, что на выходе задействовано больше транзисторов и несколько резисторов. Поскольку выход не является действительно плавающим транзистором, нагрузка должна быть привязана к Vcc +, GND или Vcc-, в зависимости от источника питания и требований проекта. Для наших целей выход эмиттера подключается прямо к земле, а нагрузка подключается к коллектору. Хотя есть и другие способы использования этих контактов и причины для сопоставления, они выходят за рамки данной статьи.

На розничном рынке LM311 поставляется в 8-контактном пластиковом корпусе с двойным расположением выводов (DIP). Возможно, удастся найти и версии для поверхностного монтажа, но мы не смогли найти для них австралийского продавца. Существуют и другие пакеты, указанные в таблицах данных, с которыми вы можете столкнуться при поиске, если покупаете не у наших постоянных поставщиков. Обычно они доступны только на коммерческой основе.

Для однорельсового питания вывод Vcc- становится контактом заземления, в то время как контакт Vcc + сохраняет свою роль.Другими выводами, которые могут потребовать дальнейшего объяснения, являются выводы BALANCE и BAL / STRB. Балансирный штифт используется для внешнего смещения неинвертирующего входа. Все производимые устройства имеют степень допуска, с которой мы знакомы по резисторам и транзисторам. LM311 ничем не отличается, а балансирный штифт используется для ручной регулировки, когда происходит пересечение нуля. Хотя хорошо знать, что это делает, в схемах производителей он не часто используется.

Вывод баланса / строба имеет дополнительную функцию — его заземление отключает выход независимо от состояния входа.Это можно использовать как ручную коррекцию для отключения выхода. Хотя мы будем использовать выключатель питания для отключения нашей сборки позже в схеме, вход строба может быть полезен для схем на основе микроконтроллеров, где LM311 может использоваться в качестве цифрового входа.

Как правило, два контакта остаются неподключенными или закороченными, чтобы избежать ложной активности.

На практике использовать компаратор довольно просто. На один из входов необходимо подать опорное напряжение, и это обычно делается с помощью делителя напряжения.На другой вход подается контролируемое напряжение. В большинстве приложений опорное напряжение подключается к неинвертирующему входу, а контролируемый сигнал подключается к инвертирующему входу.

Поскольку мы ориентируемся на использование одинарной шины питания, контакт Vcc + подключается к положительной шине питания, а Vcc- подключается к земле или шине 0 В. Эмиттер выхода должен подключаться к земле, а коллектор — к отрицательной стороне нагрузки.Помните, что выход может обрабатывать 50 мА, поэтому, если ваша нагрузка не ограничена этим или ниже по току, вам нужно будет либо использовать транзистор, либо ограничить ток нагрузки с помощью резистора, если это возможно.

Обратите внимание, что, поскольку выход LM311 представляет собой N-канальный транзистор, существует более одного способа увеличения тока на выходе. На схеме 4A мы использовали транзистор PNP. Отображается текущий поток в ВЫСОКОМ состоянии (выход включен).

На схеме 4B мы использовали транзистор NPN.Как правило, транзисторы NPN не используются в качестве переключателей на стороне высокого напряжения, потому что ток базы должен течь через эмиттер на землю, а это может быть проблематично.

Использование их в качестве переключателя нижнего уровня также может привести к довольно небольшому сопротивлению транзистора в его «включенном» состоянии, что приведет к несовершенному заземлению, если вы включаете или выключаете всю схему с помощью выходного транзистора. Светодиод не будет заботиться, но микроконтроллер или другая чувствительная схема, вероятно, будет. Таким образом, переключатель высокого напряжения подходит для определенных приложений, а транзистор PNP следует использовать для переключателя высокого уровня.

Возможно использование NPN-транзистора в качестве переключателя высокого напряжения. Однако, если в управляемой цепи есть что-то, что означает, что базовый ток не может легко течь на землю, например, в цепи с высоким сопротивлением или с обратной ЭДС от индуктивной нагрузки, транзистор не будет работать правильно.

В прошлом мы использовали NPN-транзистор в качестве переключателя высокого напряжения с очень простыми нагрузками с низким сопротивлением, такими как светодиоды. Иногда это делается по редакционным причинам, а не по техническим причинам.

В простых схемах может быть сложно придумать что-то, чего еще нет в другом месте, и выполнение таких вещей, как создание переключателя высокого напряжения с NPN, а не PNP транзистора, может помочь избежать слишком большого сходства с уже опубликованным материалом. Итак, хотя вы можете видеть, что это сделано, это не должно быть первым откликом.

* Указано количество, возможна продажа упаковками. Вам также понадобится макетная плата и оборудование для создания прототипов, а также блок питания по выбору в пределах допустимого напряжения.Подойдет обычный настольный блок питания или блок питания на 12 В.

В этом месяце мы собираемся представить очень простую сборку, но мы собираемся модифицировать ее по мере продвижения. Мы будем использовать его, чтобы изучить поведение LM311 с различными конфигурациями входа. Схема будет нашей отправной точкой, а результат останется прежним. Это просто светодиод, который сообщает нам, что происходит. Мы будем использовать LDR в качестве входного датчика, сначала с делителем напряжения с фиксированным резистором, а затем с потенциометром, дающим переменное опорное напряжение.

Сборка особенно проста, потому что мы собираемся использовать то, что узнали, в отдельном проекте. В выпуске №039 наш проект Firefly Light Jar использует LDR с компаратором LM311 для включения светодиодной цепочки, когда уровень окружающего освещения упал до выбранного уровня. Обязательно зацените.

Мы обнаружили, что LDR различаются, поэтому вам может потребоваться изменить номинал резистора R1 в соответствии с требованиями. Наш LDR измерял сопротивление 141 Ом на полном зимнем солнце и более 40 МОм в полной темноте при наличии только подсветки мультиметра в комнате.В тени за окнами в солнечный день мы измерили 850 Ом, а если приложить руку к поверхности LDR в тех же условиях, мы получили 4348 Ом. По этой причине мы сделаем наш делитель напряжения с LDR и резистором 2,4 кОм.

Сначала соедините макетную плату и компоненты, как показано на схеме, и подключите ее.

Обратите внимание, что происходит, когда вы закрываете LDR. Сколько вам нужно покрыть, чтобы схема активировалась? Вам нужно отбросить тень или почти полностью обернуть ее черной лентой? R2 и R3 должны быть одинаковыми по величине, поэтому напряжение на их стыке с неинвертирующим входом составляет половину напряжения питания.

Пришло время внести изменения. Первое изменение будет заключаться в замене делителя напряжения с постоянным резистором на потенциометр. Снимите R2 и R3 и подключите потенциометр как VR1 с одним концом, подключенным к шине питания, другим концом, подключенным к шине заземления, а стеклоочиститель подключен к неинвертирующему входу LM311, контакт 2.

Теперь вы можете настроить опорное напряжение так, чтобы выходной светодиод загорался, когда вы этого хотите. Попробуйте настроить VR1 так, чтобы светодиод включался, а тень на светодиоде отбрасывала, а затем установите его так, чтобы вся цепь находилась в полностью темной комнате, чтобы светодиод мог включиться.

Теперь, когда потенциометр управляет опорным напряжением, мы можем исследовать, как положение компонентов влияет на схему. Поменяйте местами LDR1 и R1 и посмотрите, как это повлияет на схему. Как далеко и каким образом вам нужно отрегулировать потенциометр, чтобы цепь сработала?

Вернитесь к исходной конфигурации LDR1 и R1, но подключите соединение LDR1 и R1 к неинвертирующему входу, а стеклоочиститель потенциометра — к инвертирующему входу.Как теперь ведет себя схема?

Теперь, когда у вас есть возможность поэкспериментировать и изучить поведение LM311, вы сможете лучше решить, как использовать его в проектах. Конечно, мы исследовали LDR только как датчик, но все, что работает в пределах входного напряжения, будет работать. Пьезоизмерительный датчик силы, датчик Холла, датчик приближения с ИК-подсветкой — все они могут использоваться с LM311. Возраст устройства имеет некоторые ограничения, но для большинства производителей они не имеют большого значения, если вообще имеют значение.В сочетании с доступностью без рецепта, LM311 по-прежнему остается универсальным и полезным устройством для производителя.

Не забывайте в ближайшем будущем следить за нашим проектом Firefly Light Jar, основанным на схеме, которую мы изучали в этом выпуске Класса.

Учебное пособие с примерами схем компаратора

Рис. 1 Компаратор
на базе LM741 использует биполярный источник питания.

by Lewis Loflin

Компараторы позволяют цифровым схемам и микроконтроллерам взаимодействовать с аналоговыми напряжениями в реальном мире.Часто имея два входа, они выводят ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ, в зависимости от соотношения этих входов.

Они используются внутри Arduino, что делает возможным аналого-цифровое преобразование (АЦП) при использовании с цифро-аналоговым преобразователем напряжения (ЦАП).

В моем аналого-цифровом вольтметре Arduino я генерировал переменное напряжение с широтно-импульсной модуляцией Arduino с использованием компаратора для измерения входного напряжения до 20 вольт — намного выше 5-вольтовой цифровой логики.

В другом случае я использовал четырехканальный компаратор LM339 для создания зарядного устройства без микроконтроллера на основе схемы на рис. 1.

4-битный индикатор напряжения на основе LM339 — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

Выше мы использовали все четыре компаратора в LM339 как 4-битный вольтметр. Резисторы делителя напряжения и потенциометр 100 кОм устанавливают срабатывание по напряжению.

Основы компаратора

См. Также Схемы компаратора напряжения

Компаратор часто представляет собой операционный усилитель без обратной связи между входами и выходами.Он либо полностью включен (около Vcc), либо выключен (около 0 вольт). На рис. 2 показан компаратор, построенный на основе обычного операционного усилителя LM741.

В этой тестовой схеме мы используем биполярный источник питания на 12 В. На входе NEG на контакте 2 фиксируется напряжение 6 В с стабилитроном, подключенным к положительной стороне источника питания. Мы назовем это Vref.

На входе POS на выводе 3 мы подключаем потенциометр обратно к + и GND. Это Вин. Если Vin составляет меньше, чем 6 вольт, выход на выводе 7 LM741 будет примерно минус 10 вольт.Здесь мы используем диод 1N4001 для защиты светодиода от чрезмерного обратного напряжения.

Если мы настроим потенциометр 10K так, чтобы Vin на больше, чем Vref, выход на выводе 7 выйдет примерно на плюс 10 вольт, смещая вперед 1N4001 и включающий светодиод.

Недостатком использования LM741 является использование биполярного источника питания.

Рис. 2 Компаратор на базе LM358 использует изображение
с одним щелчком мыши для полноразмерного изображения.

Схема компаратора на рис.2 использует операционный усилитель LM358 вместо LM741. LM358 разработан для работы от одного источника питания. Он делает то же самое, что и на рис. 2, с добавлением Q1, который действует как выходной драйвер с открытым коллектором.

Когда Vin меньше Vref, выходной сигнал на контакте достигает примерно 10 вольт, включая транзистор Q1, который включает светодиод. Установив точку срабатывания потенциометром 10K, можно сделать индикатор пониженного напряжения.

Рис. 3 Компаратор на базе LM311 имеет
выход с открытым коллектором — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

Как правило, для входов компаратора с выходами с открытым коллектором, таких как LM339 или LM311 (не для схемы LM358):

Ток БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе MINUS выше, чем напряжение на входе PLUS.

Ток НЕ БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе МИНУС ниже, чем напряжение на входе ПЛЮС.

На рис. 4 используется компаратор LM311, специально разработанный ТОЛЬКО как компаратор — все внешние части на рис.3 минуса, схема светодиода, горшок, стабилитрон. Его резисторы обратной связи и входные резисторы являются внутренними. Работает аналогично схеме LM358.

Внешний резистор 4,7 кОм используется для взаимодействия с цифровой логикой, создавая ВЫСОКОЕ или 12-вольтовое напряжение на выходе, когда LM311 выключен. Так цифровые схемы «общаются» с резистивными датчиками. Установка Vref на известную точку и проверка вывода сообщают нам, когда Vin больше, чем Vref.

Рис. 4 Сигнализация превышения напряжения компаратора LM339
с использованием оптрона для подачи звукового сигнала — щелкните изображение, чтобы увеличить его.

На рис. 5 мы используем один из четырех счетверенных компараторов LM339 для подачи звукового сигнала, если Vin становится слишком высоким из-за того, что напряжение Vcc превышает 12 вольт. LM339 равен 4 LM311 в одном корпусе с общим питанием и подключениями GRD для всех 4 компараторов. См. Рис. 1 выше.

Эта схема полезна, скажем, в регуляторе автомобильной системы зарядки, который не сбрасывает чрезмерное напряжение в систему, разрушая аккумулятор и электронику. Здесь я использовал оптопару 4N25 для управления зуммером или звуковым сигналом малой мощности — токовая нагрузка на выходе компаратора мала, в то время как оптопара намного выше.

См. Спецификацию LM339.

Рис. 5 Управляющее реле компаратора LM339 с внешним PNP-транзистором
— щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

На рис. 6 мы используем внешний биполярный транзистор PNP для управления реле. Когда выход с открытым коллектором компаратора включен, ток течет через резистор 1K и переход база-эмиттер, включая транзистор, замыкая цепь для реле K1 и светодиодного индикатора.

Рис. 6 Компаратор LM339 использует фотоэлемент
из CdS для управления ночным освещением — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

Теперь мы используем LM339 для создания «ночника». Стабилитрон был заменен фотоэлементом CdS, сопротивление которого уменьшается пропорционально увеличению уровня освещенности. Поскольку сопротивление R2 уменьшается при дневном свете, Vref выше, чем Vin, поэтому компаратор выключен.

Когда уровень освещенности падает, R2 увеличивает сопротивление, а Vref падает ниже Vin, включая реле через оптопару для включения света или что-то еще. Та же самая схема PNP на рис. 6 также будет работать. Используйте горшок 10K, чтобы установить точку срабатывания.

В качестве заключительной ноты R1 и R2 можно поменять местами для противоположного эффекта. Скажем, выключайте вентилятор в теплице, когда садится солнце. Фотоэлемент можно заменить термистором для измерения температуры.

Домашняя страница Hobby Electronics и домашняя страница для веб-мастеров (Off site.)

Ардуино

Другие схемы

[решено] — Building LC Meter Circuit

Re: Общие сведения о LC Meter

OK Для измерения LCR вам понадобится
1.источник сигнала измерения AC
2. Измерьте напряжение на DUT
3. Измерьте ток на DUT
4. Измерьте сдвиг между напряжением и током
Один из методов измерения называется методом автобалансирующего моста
См. приложение 132572

Zx = Vx / Ix = Rr * (Vx / Vr)
Проблема заключается в том, насколько просто и точно сделать низкую точку виртуального заземления с потенциалом 0 В.
Возможно, они попробуют

См. Приложение 132573

Мои строительные блоки быстрого дизайна.
1.Источник сигнала I
Импеданс 100 Ом, амплитуда + — 1,25 В, частота 100,1 кГц, 10 кГц и 100 кГц. Опционально со смещением постоянного тока. Источником сигнала
является DDS AD9833 с тактовой частотой 18 МГц, на выходе — ФНЧ 3-го порядка на 100 кГц,
U3 — это 8-битный цифровой потенциометр 1 кОм для точной подстройки выходной амплитуды на + -1,25 В
U1A усиливает 0,6 В от DDS на + -1,25 В, U1B сделать дополнительное напряжение постоянного смещения напряжения для выхода. R7 определяют выходное сопротивление на 100 Ом.
SQR для выходного сигнала 100 кГц составляет 81.5 дБ, для 10 кГц 91,5 дБ и т. Д.

4.Ток к преобразователю напряжения
Ток через ИУ обнуляется обратным током, проходящим через резистор. В схеме используются 6 резисторов 10,100 Ом, 1 кОм, 10 кОм, 100 кОм и 1 МОм, резистор выбирается с помощью переключателя CMOS U3 и 10 Ом с реле K1
Напряжение (ток) за DUT измеряется с помощью точного усилителя U3 AD8610 + малошумящего буфера U2. , это при выбранном напряжении включения R, где
Vr = R * Ir
U4 используется для обнуления напряжения смещения

2,3 Measure Vr и Vx
Vx и Vr идентичны, поэтому мы обсудим только Vx.
Первый каскад, первый трехканальный усилитель — это точный инструментальный усилитель с A = 1x, 2x, 5x, 10x и 20x.
Второй два усилителя — это активный ФНЧ 5-го порядка, который снижает шум на 5 МГц выше -83 дБ (при условии использования 12-битного АЦП 10MSPS). Последний усилитель сдвигает уровень напряжения с + -1,25 В до 0-2,5 В для АЦП и управляющего АЦП.
C5 блокирует напряжение постоянного тока, если используется смещение постоянного тока. R2 определяет минимальный ток по C5, некоторые могут быть опущены

Затем добавьте достаточно STM32F303, чтобы использовать первые 2 АЦП для samplig Vx и вторые два для samplig Vr.Воспользуйтесь цифровым фильтром и получите простой и точный LCR
. Что вы об этом думаете?

[PDF] Информация о компараторе напряжения и схемы

Скачать информацию о компараторе напряжения и схемах …

Информация о компараторе напряжения и схемах

Эта страница предоставляет основную информацию об интегральных схемах компаратора напряжения и служит справочным материалом для других схем. Показанные схемы основаны на микросхеме квадратного компаратора напряжения Lm339 или микросхеме двойного компаратора напряжения Lm393.Эти устройства функционально идентичны. Компаратор напряжения Lm311 может также использоваться для этих приложений и также имеет ряд уникальных функций.

Внутренняя схема для 1/4 части Lm339

Компаратор, эквивалент

Схема эквивалента компаратора с однополярным питанием Интегральная схема «Компаратор напряжения» эквивалентна операционному усилителю, такому как Lm358 или Lm324, с двумя транзисторами NPN, добавленными к выход каждого усилителя. (См. Схему выше.Эта компоновка дает выход «открытый коллектор» для каждого из четырех компараторов в микросхеме Lm339. Каждый выход может потреблять 15 миллиампер и выдерживать напряжение до 50 вольт. Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на входах ПЛЮС и МИНУС компаратора, см. Правила ниже. Входы довольно чувствительны, и разница всего в несколько милливольт между ними приведет к включению или выключению выхода. Микросхемы компараторов Lm339, Lm393 и Lm311 могут работать от одного или двух источников питания с максимальным напряжением до 32 В.При работе от двойных или раздельных источников питания основная работа микросхем компаратора остается неизменной, за исключением того, что для большинства устройств эмиттер выходного транзистора подключен к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением является Lm311, у которого есть отдельный вывод эмиттера, который можно подключить к любому из них.

Эквивалентная схема компаратора с двойным питанием

При работе от двойного или раздельного источника питания входные напряжения могут быть выше или ниже общего или нулевого напряжения источника.При необходимости один из входов можно подключить к общему, чтобы создать детектор «перехода через ноль».

Работа компаратора На следующем рисунке показаны две простейшие конфигурации компараторов напряжения. На схемах под схемами представлены выходные результаты в графической форме. Для этих схем ОПОРНОЕ напряжение фиксируется на уровне половины напряжения питания, а ВХОДНОЕ напряжение изменяется от нуля до напряжения питания. Теоретически ОПОРНОЕ и ВХОДНОЕ напряжения могут быть где угодно между нулем и напряжением питания, но существуют практические ограничения на фактический диапазон в зависимости от конкретного используемого устройства.

Базовый входной сигнал работы компаратора по сравнению с исходным значением. Результаты вывода 1.

Ток БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе PLUS ниже, чем напряжение на входе MINUS. 2. Ток НЕ БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе PLUS выше, чем напряжение на входе MINUS.

Вход Vs. Выходные результаты Компараторы входного смещения напряжения Компараторы напряжения не являются идеальными устройствами и в некоторых случаях могут страдать от воздействия параметра, известного как входное смещение напряжения.Эта проблема обычно возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Входное напряжение смещения для многих компараторов составляет всего несколько милливольт, и в большинстве схем им можно пренебречь. Конечным результатом входного смещения напряжения является то, что выходной транзистор не полностью включается или выключается, когда входное напряжение близко к опорному напряжению. Следующая диаграмма пытается проиллюстрировать влияние входного напряжения смещения на медленно меняющееся входное напряжение. Этот эффект усиливается по мере увеличения тока выходного транзистора, поэтому поддержание высокого значения RL поможет уменьшить проблему.

Влияние входного смещенного напряжения Входное смещенное напряжение и истеризация Влияние входного смещения напряжения можно нейтрализовать, добавив в схему истеризацию. Это вызывает изменение опорного напряжения, когда выход компаратора становится высоким или низким. Эффект заключается в том, что при медленном изменении входного напряжения опорное напряжение будет быстро меняться в противоположном направлении. Это дает компаратору «мгновенное» действие. См. Следующие параграфы для получения дополнительной информации.

Объяснение входного гистеризного напряжения Гистерезис — это разница между уровнями входного сигнала, при которых компаратор выключается и включается.Небольшой гистерезис может быть полезен в схеме компаратора, поскольку он снижает чувствительность схемы к шуму и помогает уменьшить количество переходов на выходе при изменении состояния.

Иногда в дискретной конструкции необходимо добавить внешний резистор между выходом компаратора и положительным входом, создавая слабую цепь положительной обратной связи. Когда выход делает переход, положительная обратная связь немного изменяет положительный вход, чтобы усилить изменение выхода.Механический аналог этого эффекта можно найти во многих электрических переключателях. Когда вы перемещаете ручку сразу за центральную точку, пружина в переключателе будет пытаться полностью потянуть ручку, гарантируя, что переключатель окажется в определенном состоянии ВКЛ или ВЫКЛ.

Входной гистеризис На приведенной выше диаграмме показана «петля» гистерезиса, описывающая работу компаратора. Горизонтальная ось «X» — это вход, и она представляет собой разницу двух входных напряжений. Вертикальная ось «Y» представляет состояние выхода компаратора.Если компаратор изначально находится в состоянии «ВЫКЛ», входное напряжение МИНУС должно стать немного выше входного напряжения ПЛЮС, прежде чем выход компаратора перейдет в состояние «ВКЛ». Это представлено движением вправо по нижней части петли. Когда компаратор находится в состоянии «ВКЛ», входное напряжение МИНУС должно упасть немного ниже входного напряжения ПЛЮС, прежде чем он снова отключится (перемещаясь влево вдоль верхней части контура). Ширина контура, обозначенная циклом «включено-выключено», является входным напряжением гистерезиса. Напряжение гистерезиса для большинства компараторов находится в диапазоне милливольт и обычно влияет только на цепи, где входное напряжение растет или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум».Диапазон напряжения гистериза может быть увеличен, если необходимо, чтобы помочь, когда входное напряжение зашумлено, чтобы выход не изменял состояния без необходимости. Схемы FLIP-FLOP

, показанные далее на этой странице, используют преувеличенный истериз для создания эффекта памяти.

Увеличение диапазона входного гистеризного диапазона напряжения детектора Компараторы цепи с выходами с открытым коллектором, такие как Lm339 или Lm393, должны быть сконфигурированы так, чтобы оба выхода были ВЫСОКИМИ, когда напряжение находится в желаемых пределах.Компаратор Lm311 может иметь другие устройства вывода, поскольку он имеет как открытый коллектор, так и открытый эмиттер на выходном транзисторе.

Компаратор окна Компаратор Схема осциллятора

Компараторы также могут использоваться в качестве генераторов, но они не подходят для этого типа приложений.

Генератор, созданный на основе компаратора с использованием OPAMP в качестве компаратора. Если в цепи остались операционные усилители и необходим компаратор, его можно создать, добавив к выходу усилителя диод или транзистор в зависимости от требуемой токовой нагрузки.

Компаратор на основе операционного усилителя Основные схемы компаратора На следующих схемах показаны некоторые основные схемы компаратора. Большинство из них имеет вход фотоэлемента на основе сульфида кадмия, но с таким же успехом можно использовать фототранзистор или сигнал напряжения от другой схемы в качестве входа. Значения сопротивления не являются критическими, но должны использоваться в качестве ориентировочных. В большинстве схем компаратора соотношение сопротивлений более важно, чем их фактические значения.

Схемы фотоэлементов

Схема схем фотоэлементов Если необходимо управлять более высокими токовыми нагрузками, к выходу компаратора можно добавить транзистор PNP, что позволит нагрузкам до 300 мА.быть под контролем.

Схема выходов драйвера реле Цепи временной задержки

Функции короткого времени, такие как импульсные выходы или временные задержки, также могут быть созданы с помощью одной или двух секций компаратора.

Схема временной задержки компаратора 1 Обратите внимание, что вторая секция компаратора в цепи временной задержки использует тот же вход опорного напряжения, что и первая. В большинстве случаев любое количество компараторов может иметь один и тот же источник напряжения на одном входе, это может значительно упростить схемы.Больше схем задержки.

Схема задержки таймера компаратора 2

Основные функции памяти Компараторы могут быть настроены для выполнения основной функции памяти, подключив их как тип «SET / RESET» для FLIP / FLOP. Этот тип цепи может использоваться при обходе дросселей без подключения к электросети, чтобы запомнить направление поезда, когда контроллер отключен. На следующей диаграмме компаратор запомнит, какой переключатель был нажат последним. Если нажать кнопку «SET», загорится светодиод, а при нажатии кнопки «RESET» светодиод погаснет.Также показана более поздняя текущая версия.

Схема компаратора FLIP / FLOP Принцип работы триггера. Очень простое описание.

1.

2. 3.

4.

5.

Когда выход компаратора выключен, напряжение на входе PLUS будет таким же, как напряжение питания. Если входное напряжение PLUS выше входного напряжения MINUS, выход останется выключенным. При нажатии кнопки SET напряжение на входе PLUS упадет до нуля, и выход включится.Когда кнопка SET отпущена, напряжение на входе PLUS повысится до 1/2 напряжения питания, а выход останется включенным, потому что напряжение на входе PLUS остается ниже напряжения на входе MINUS. При нажатии кнопки RESET напряжение на входе MINUS упадет до нуля с нормального уровня 3/4 напряжения питания. Выход выключится, потому что напряжение на входе MINUS ниже напряжения на входе PLUS. Когда выход выключается, напряжение на входе PLUS повысится до уровня напряжения питания.Когда кнопка RESET будет отпущена, напряжение на входе MINUS повысится до 3/4 напряжения питания. Входное напряжение ПЛЮС будет оставаться выше напряжения на входе МИНУС, а выход останется выключенным.

Выходные транзисторы с открытым коллектором Поскольку выходной транзистор компаратора имеет открытый коллектор, напряжения питания и нагрузки не обязательно должны быть одинаковыми. Это означает, что компаратор может использовать источник питания 12 В, а нагрузкой может быть реле на 24 В или цепь светодиода на 5 В.Следующие три диаграммы являются некоторыми примерами цепей с двойным напряжением. В первых двух напряжение на выходе компараторов может быть даже двухполупериодным постоянным током.

Схема выхода двойного напряжения

Схема выхода драйвера реле двойного напряжения

Схема FLIP / FLOP двойного напряжения

Детектор 4 уровня — напряжения Эта схема может последовательно отображать 4 отдельных уровня напряжения. Напряжения определяются номиналами резисторов с R1 по R5, расположенных в простой схеме делителя напряжения.

Схема четырехуровневого детектора

 

Основной список проектов электроники: Общие проекты электроники

      

                                                    

Мой канал на YouTube по электронике Raspberry Pi и Linux Проекты микроконтроллера Arduino Микрочип PIC18F2550 на C ++ Микрочип PIC16F628A в сборке Проекты микроконтроллера PICAXE Как я попал в электронику

Использование переключателей на эффекте Холла Как подключить батареи Последовательно / параллельно 12AV6 Vacuum Tube AM Radio Учебное пособие: схемы транзисторно-стабилитронного стабилизатора Уловки и подсказки для регуляторов напряжения серии LM78XX Биполярные источники питания Создайте усилитель для термопары Создайте картофельную батарею Создайте регулируемый источник питания 0-34 В с LM317 Тестирование базовых симисторов и тиристоров Diac Твердотельные реле переменного тока с симисторами Светоактивированный кремниевый управляемый выпрямитель (LASCR) Базовые схемы драйвера транзисторов для микроконтроллеров Оптоизолированный Tra Нсисторные драйверы для микроконтроллеров Создайте управление двигателем с Н-мостом с силовыми МОП-транзисторами / параллельными батареями с использованием CdS Фотоэлементы Информация о компараторах напряжения и схемы Резистивные датчики влажности Герконовые переключатели Базовые силовые трансформаторы Выпрямительные диоды и выпрямители источника питания

Компараторы

, невоспетые герои Of Electronics

Компараторы

Продукты Elliott Sound

Компараторы

© 2016 — Род Эллиотт (ESP)
Страница создана в августе 2016 г., обновлена ​​в июне 2021 г.

верхний

---

Основной индекс Указатель статей

---

Содержание

---

Преамбула

С самого начала стоит отметить, что операционные усилители часто отлично подходят в качестве компараторов в низкоскоростных приложениях.Хотя есть некоторые тексты, которые предупреждают о «ужасных последствиях», если вы даже думаете об использовании операционного усилителя, в них не проводится различие между «высокой» и «низкой» скоростью работы. 50-60 Гц — это низкая скорость, как и отфильтрованный выходной сигнал пикового детектора (например). Усилители класса D и импульсные источники питания — это высокоскоростной , и если вы попытались использовать операционный усилитель, то , вероятно, произойдут «плохие вещи» .

Электронные схемы

разработаны для определенной цели, и вам не нужен компаратор на 100 нс, если вы смотрите на форму сигнала сети 50 Гц или напряжение постоянного тока, которое изменяется в течение нескольких сотен миллисекунд.Если в схеме есть запасной операционный усилитель и вам не нужно время отклика менее микросекунды, то было бы глупо добавлять еще один пакет только потому, что вы читали статью, в которой говорится, что использование операционного усилителя приведет к взрыву «чего-то» ! Обычно ничего подобного делать не будет, но есть — это приложения , в которых низкая скорость может вызвать серьезные сбои в работе схемы.

Нет никаких сомнений в том, что использование неправильной детали может вызвать проблемы, но вы должны понимать, что делает схема, и проектировать соответственно.Компараторы часто позволяют делать то, что нельзя сделать с операционным усилителем, но это не значит, что вы никогда не должны использовать операционный усилитель в качестве компаратора, если скорость не является проблемой. Одна вещь, которую не может сделать , — это использовать компаратор в качестве операционного усилителя, потому что он не будет работать (или будет работать очень плохо).

Design — это понимание схемы, а не слепое следование техническому примечанию производителя (например), в котором конкретно не говорится о том, чего вы хотите достичь.

---

Введение

Во многих электронных схемах вы увидите что-то похожее на операционный усилитель, но это называется компаратором.Несмотря на внешний вид, они не совпадают, и хотя операционные усилители могут использоваться в качестве компараторов, обратное неверно. В этой короткой статье обсуждается разница между ними и описываются их различия. Да, он должен был быть коротким, но на самом деле есть много чего рассказать, и это все еще только вводный набег на тему.

Прежде всего, я должен повторить «Золотые правила» ESP для операционных усилителей (и компараторов, только №2!), Которые гласят следующее …

1. Операционный усилитель будет пытаться поддерживать одинаковое напряжение на обоих входах через сеть отрицательной обратной связи
2. Если это не удается, на выходе будет создаваться напряжение, имеющее ту же полярность, что и самый положительный вход .

В случае №1 операционный усилитель использует путь отрицательной обратной связи, чтобы гарантировать, что два входа (инвертирующий, или -ve, и неинвертирующий, или + ve) имеют одинаковое напряжение.Если на входе (+ ve in) 1 В, выход будет иметь соответствующую величину и полярность, чтобы гарантировать, что на входе -ve также 1 В, при условии, что схема работает в своей линейной области. Это операция «замкнутого контура», и это обычно способ использования операционных усилителей.

Когда применяется # 2, операционный усилитель будет качать свой выходной сигнал как можно ближе к соответствующему напряжению питания. Это не линейная функция, поскольку операционный усилитель работает в «разомкнутом контуре» (т.е. отрицательной обратной связи нет).Например, если на входе + ve + 1 В, а на входе -ve + 0,99 В, то вход + ve будет наиболее положительным, а на выходе будет (скажем) + 14 В, при условии, что стандартный операционный усилитель и Питание ± 15 В. Если входной сигнал -ve поднимется до 1,01 В, выход быстро изменится на -14 В. Когда оба входа находятся под одинаковым напряжением, но нет отрицательной обратной связи, состояние выхода неопределенно, и малейшее изменение входа вызовет большое изменение выхода.

Компараторы используются там, где выход включен или выключен.Линейной области нет, и попытка использовать компаратор в качестве линейного усилителя почти всегда приводит к генерации генератора, частота которого определяется паразитной емкостью, индуктивностью (например, на дорожках печатной платы) и сопротивлением. Некоторые компараторы могут вообще не работать, если вы попытаетесь работать в линейном режиме.

Обратите внимание, что почти все компараторы полагаются на внешний подтягивающий резистор (или активную схему) на выходе, потому что они не используют двухтактный выходной каскад. Самый распространенный выход — это NPN-транзистор с открытым коллектором.Также отсутствует защита от короткого замыкания выхода на плюс питания! Хотя подтягивание резистора является наиболее распространенным, в некоторых случаях это может быть активная цепь, такая как источник тока. Из-за дополнительных задержек распространения, создаваемых активной схемой, этот подход гораздо реже, чем резистор, и может быть значительно медленнее. Выходная нагрузка источника тока может добавлять ко времени отклика до 50 нс, в зависимости от реализации.

Несколько примеров использования компаратора включают следующее…

• Аналого-цифровые преобразователи
• Цепи отбора проб
• Приемники линии передачи данных (включая оптоволокно)
• Широтно-импульсные модуляторы
• Детекторы перехода через ноль
• Датчик тока для переключения регуляторов
• Триггеры, таймеры и т. Д.)
• Генераторы — кварцевые, R / C, L / C и т. Д.
• Термостаты, датчик освещенности и т. Д.

Это небольшой образец. Часто используемая микросхема таймера 555 использует компараторы как для синхронизации, так и для запуска, а пороговые напряжения устанавливаются внутри микросхемы.Большинство автономных компараторов имеют два входа, как операционные усилители, и ведут себя примерно так же, но не с отрицательной обратной связью . Если вам нужна линейная схема, используйте операционный усилитель, а не компаратор.

Процитируем Linear Technologies [1]: «Компараторы часто воспринимаются как устройства, грубо выражающие аналоговые сигналы в цифровой форме — 1-битный аналого-цифровой преобразователь. Строго говоря, эта точка зрения верна. Она также является расточительно ограничивающей в своем видении. Компараторы не «просто сравнивают» так же, как операционные усилители не «просто усиливают».Далее они заявляют, что «Компараторы могут быть наиболее недооцененным и недостаточно используемым монолитным линейным компонентом». Против этого очень трудно спорить, и операционные усилители взяли на себя многие функции, которые должны выполняться компараторами, и не всегда с лучшими результатами.

Из-за необычайной скорости некоторых компараторов (таких как LT1016 и многих других) кажущаяся безвредной компоновка печатной платы может привести к совершенно непредсказуемым выходным характеристикам, поэтому особое внимание уделяется заземлению и шунтированию.Больше пешеходных устройств может убаюкать дизайнера до самоуспокоения, которое улетучивается в мгновение ока при использовании высокоскоростной детали. Розетки? Забудь это. Емкости розетки может быть более чем достаточно, чтобы вызвать серьезные ошибки, включая устойчивые или паразитные колебания.

Это совершенно новый мир, который кажется слишком знакомым для непосвященных, но может вызвать лавину горя, если не будет выполнен должным образом. Также имейте в виду, что у некоторых операционных усилителей есть защитные диоды между входами, и попытка использовать их в качестве «быстрых и грязных» компараторов, вероятно, не закончится хорошо.Это особенно верно, если входные напряжения различаются более чем на 0,6 В, поскольку диоды будут проводить ток и могут нарушить работу схемы.

Условные обозначения операционных усилителей и компараторов

В некоторых случаях справа отображается символ компаратора. Обычно это используется, если компаратор используется в логических схемах, потому что он знаком разработчикам логики (кружок указывает на инверсию). Я предпочитаю использовать символ операционного усилителя, потому что он ближе к реальности — в конце концов, операционные усилители часто используются в качестве компараторов, где их низкая скорость не влияет на работу.

Первый упомянутый документ — это примечание по применению от Linear Technology, и это отчасти предостерегающий рассказ о ловушках и подводных камнях, которые ждут любого, кто воображает, что очень высокоскоростные компараторы так же просты в использовании, как, скажем, операционные усилители. Он также предоставляет ценные идеи схем и советы по использованию LT1016 — чрезвычайно быстрого компаратора. Фактически, он быстрее, чем инвертор TTL , и это требует определенных усилий. Маловероятно, что многие люди построят эталонные схемы, показанные в примечаниях к применению, но представленные идеи сами по себе поучительны.

Осторожно: Некоторые операционные усилители, такие как NE5532 / NE5534, имеют фиксирующие диоды между двумя входами. Это делает их непригодными для использования в компараторах, поскольку входные напряжения никогда не могут отличаться друг от друга более чем на 0,65 В. Их можно использовать в некоторых случаях, но в большинстве случаев их следует избегать в этой роли.

Рисунок 1 — Схема LM393

На приведенном выше чертеже показано внутреннее устройство компаратора LM393, адаптированное из таблицы данных Fairchild 2001 года.Это сдвоенное устройство с двумя независимыми компараторами, использующими только шины питания. Входы предназначены для работы при напряжении ниже нуля даже при однополярном питании (в таблице данных указано -1,5 В). Его можно использовать с двойным (положительным и отрицательным по отношению к земле) источником питания или с одинарным источником питания от 2 В до 36 В. Они существуют уже давно и доступны в версиях DIP и SMD. В разовых количествах они менее 1 австралийского доллара каждая. Это настоятельно рекомендуется, если вы хотите поэкспериментировать со схемами компаратора.

---

1 — Гистерезис

Все операционные усилители и компараторы имеют согласованные устройства ввода, но совпадение никогда не означает, что эти два устройства идентичны. Близко, возможно, даже очень близко, но это не то же самое, что идентично. Входы также могут быть подвержены шуму (внешнему, внутреннему или тепловому), и будут случаи, когда входное напряжение движется очень медленно (например, зарядный конденсатор в таймере). Будет точка, в которой входное и опорное напряжения будут в точке, в которой состояние выхода не определено.Это означает, что он может быть положительным, отрицательным, где-то посередине или колебаться. Если выход используется логическими схемами (включая микропроцессоры / контроллеры), это может вызвать ошибки.

Обычный способ предотвратить неопределенные состояния выхода — добавить небольшое количество положительной обратной связи . Это дает схеме некоторый гистерезис, поэтому, как только выходной сигнал становится (например) положительным, входное напряжение должно упасть на небольшую величину ниже опорного напряжения, прежде чем выход снова станет низким.Поначалу концепцию гистерезиса не так просто понять, потому что она несколько противоречит интуиции. Рассмотрим стандартный тумблер … нет положения привода, которое может привести к неопределенному выходу, поэтому переключатель всегда либо включен, либо выключен (по крайней мере, в этом идея — механическая система не всегда работает, если вы работаете. переключатель очень медленно). Наиболее распространенной версией устройства с гистерезисом является триггер Шмитта, но обычные устройства CMOS, такие как микросхемы триггера Шмитта 40106 или 74HC914, не имеют двух входов, поэтому «эталонное» напряжение составляет примерно половину напряжения питания.

Электронный гистерезис с компаратором почти такой же, как тумблер, за исключением того, что им легко управлять выбором компонентов, и он почти на 100% гарантирует то, что вы его настроили. Вы можете решить, насколько должно измениться входное напряжение, прежде чем выход изменит состояние, выбрав соответствующие значения резисторов. Гистерезис может быть добавлен к операционным усилителям, используемым в качестве компараторов, а также к «истинным» компараторам. Еще несколько примеров гистерезиса показаны ниже. На рисунке 2 (ниже) показана стандартная схема, используемая с операционным усилителем для получения гистерезиса.

На рисунке 2 вы можете видеть, что компаратор инвертирует, но точки срабатывания + ve и -ve различаются. Выход будет иметь высокий уровень только тогда, когда входное напряжение достигнет -1,3 В, и не вернется в низкий уровень, пока вход не достигнет + 1,3 В. Любое изменение между этими двумя напряжениями не имеет никакого эффекта. Без R3 (который обеспечивает положительную обратную связь) выход изменит состояние при нулевом напряжении (плюс или минус любое смещение входа), но на него легко повлияет шум. При медленном входном напряжении положительная обратная связь также сокращает время переключения, что может быть важно в некоторых приложениях.

Изменяя значение R3, вы можете применять больший или меньший гистерезис. Увеличение значения снижает эффект, а уменьшение дает больший гистерезис. Если R3 сделать равным R2, напряжения отключения будут составлять половину пикового выходного напряжения операционного усилителя (или компаратора). Для операционного усилителя TL07x это означает примерно ± 6,8 В при напряжении питания 15 В. Неинвертирующий триггер Шмитта должен иметь заземленный вход -ve, а вход — через последовательный резистор (R1 не заземлен, но становится входным резистором). Вход -ve заземлен.Недостатком этого является то, что быстрые импульсы проходят через входной резистор обратно в контролируемую цепь. Если это звуковая цепь, это обычно вызывает слышимые искажения, особенно на низких уровнях.

---

2 — Скорость нарастания

Все усилители имеют скорость нарастания, которая определяется скоростью активных устройств, плотностью тока (более высокий ток означает более высокую скорость) и импедансом цепи. Цепи с высоким импедансом обычно работают медленнее, чем типы с низким импедансом, потому что паразитная емкость имеет большее влияние.Паразитная емкость 10 пФ ограничивает цепь 1 МОм до 16 кГц (-3 дБ) или 16 МГц, если сопротивление уменьшается до 1 кОм. Конечно, более низкие импедансы означают более высокий ток, поэтому пределы напряжения для очень быстродействующих устройств обычно ниже, чем для более медленных цепей, чтобы ограничить рассеиваемую мощность.

Скорость нарастания — это просто скорость изменения выходного сигнала, обычно выражаемая в вольтах на микросекунду (В / мкс). Если входное напряжение изменяется слишком быстро, чтобы схема (и ее сеть обратной связи, если применимо) не успевала, выходной сигнал ограничивается скоростью нарастания.Скорость изменения выходного напряжения означает, что быстрый переходный процесс не может быть обнаружен и обработан должным образом. В аудиосистемах это привело к появлению искажений, называемых «TID» (переходные интермодуляционные искажения) или «TIM» (переходные интермодуляционные искажения). Эффекты, безусловно, реальны, но почти никогда не случаются с обычным звуковым сигналом, если дизайнер не допустил довольно эпическую ошибку.

Скорость нарастания напряжения важна для компараторов, используемых в высокоскоростной обработке, потому что, если она слишком низкая, рассеивание мощности может стать чрезмерным и / или процесс просто не будет работать должным образом.Операционные усилители варьируются от очень медленных 0,5 В / мкс (например, µA741) до 13 В / мкс (TL07x) и до нескольких сотен вольт на микросекунду (или более) для некоторых специализированных устройств. Однако то, что операционный усилитель имеет высокую скорость нарастания напряжения, не означает, что у него достаточно короткое время отклика, чтобы быть полезным в качестве быстрого компаратора.

Когда система линейной обратной связи доведена до точки, где скорость нарастания напряжения становится проблемой, операционный усилитель работает в разомкнутом контуре, в то время как скорость на выходе ограничена. Это означает, что отсутствует обратная связь , поэтому требования для «линейной» системы не выполняются, и в результате возникают искажения.Скорость нарастания — это просто максимальная скорость изменения выходного сигнала устройства (операционного усилителя, компаратора, усилителя мощности звука или промышленной системы управления). После достижения максимума не имеет значения, насколько сильнее вы нажимаете на вход, выход не может измениться быстрее.

Важно понимать, что скорость нарастания не обязательно одинакова для положительных и отрицательных выходных сигналов. В зависимости от схемы нередко обнаруживается высокая скорость нарастания для отрицательных сигналов, но гораздо более низкая скорость нарастания для положительного перехода (или наоборот).Могут быть случаи, когда это может быть использовано в ваших интересах, хотя я должен признаться, что не могу придумать ни одного.

---

3 — Компараторы операционных усилителей

Как отмечалось выше, вы можете использовать операционный усилитель в качестве компаратора, но по сравнению с «настоящим» операционный усилитель часто будет работать слишком медленно. Даже быстрые операционные усилители намного медленнее обычных компараторов, и это особенно верно, когда операционные усилители имеют встроенный компенсационный конденсатор. Колпачок используется для обеспечения стабильности операционного усилителя при применении обратной связи, обычно до единичного усиления.Для операционных усилителей, у которых нет внутреннего конденсатора, будут предусмотрены соединения, позволяющие разработчику добавить компенсационный конденсатор, предназначенный для поддержания стабильности при используемом усилении.

Когда любой операционный усилитель используется с высоким коэффициентом усиления, величина компенсации намного меньше, чем требуется для низкого (или единичного) усиления. Используя внешнюю компенсацию, можно оптимизировать схему, обеспечивая более высокую скорость нарастания, чем у устройств с внутренней компенсацией. Большинство операционных усилителей с внешней компенсацией также имеют нулевые контакты смещения входного сигнала.Они доступны в корпусах с 8 выводами, но содержат только один операционный усилитель. Любой 8-контактный двойной операционный усилитель должен иметь внутреннюю компенсацию, потому что контактов достаточно только для подачи питания, входов и выходов.

Есть несколько двойных операционных усилителей с внешней компенсацией в 14-выводных корпусах, но они не распространены. В общем, если вам нужен некомпенсированный операционный усилитель, вы будете использовать единый пакет, но не все одиночные операционные усилители имеют возможность внешней компенсации, поэтому вам нужно делать свой выбор осторожно.NE5534 является одним из примеров, это одиночный операционный усилитель с внешней компенсацией и нулевым смещением. Однако (и именно поэтому вам нужно свериться с таблицей данных) NE5534 уже компенсирует прирост в три или более, так что они не так быстры, как вы можете себе представить. Между двумя входами также используются фиксирующие диоды, что в большинстве случаев делает их непригодными.

На рисунке ниже показан операционный усилитель, подключенный в качестве компаратора, и применяется только Правило 2. Когда два входа находятся под одинаковым напряжением, выход неопределен, и на него будут влиять малейшие изменения напряжения, такие как крошечные изменения, которые мы получаем из-за нормального теплового шума.На переходное напряжение также влияют входные транзисторы операционного усилителя, которые никогда не будут идентичны на 100%. Учитывая, что коэффициент усиления разомкнутого контура многих операционных усилителей намного превышает 100000 (100 дБ), отсюда следует, что разница в несколько микровольт между двумя входами — это все, что необходимо для передачи выходного сигнала с одной шины питания на другую. В таблицах коэффициент усиления разомкнутого контура может быть указан как В / мВ, поэтому 200 В / мВ означает усиление 200000 (106 дБ).

Схема триггера Шмитта на операционном усилителе показана ниже вместе со стандартным символом для триггера Шмитта (кружок на выходе показывает, что он инвертируется).Количество положительной обратной связи устанавливается R2 и R3. R1 не нужен, если вход связан по постоянному току с инвертирующим входом операционного усилителя, и его значение выбирается в соответствии с приложением. Напряжения питания не показаны, но для моделирования предполагается, что они равны ± 15 В.

Рисунок 2 — Компаратор операционных усилителей с гистерезисом

R3 применяет небольшую положительную обратную связь, которая обеспечивает «зону нечувствительности» между двумя напряжениями отключения. Предполагая, что напряжение питания ± 15 В и размах выходного напряжения ± 14 В, входной сигнал должен возрасти до +1.27 В перед тем, как выходной сигнал станет высоким, и -1,27 В перед тем, как снова станет низким. Пока вход находится между этими двумя значениями, выход не изменяет состояние, поэтому шум (от любого источника) эффективно отклоняется. Чтобы уменьшить зону нечувствительности, уменьшите значение R2. Например, если R2 равно 1 кОм, гистерезис уменьшается до ± 138 мВ, или 100 Ом дополнительно уменьшают это значение до 14 мВ. Вместо того, чтобы уменьшать R2, вы можете увеличить R3, если хотите. Если используется операционный усилитель на биполярных транзисторах, при выборе значения R3 необходимо учитывать входной ток.

Обратите внимание, что описанные напряжения являются теоретическими значениями — дифференциальное напряжение смещения входной пары будет влиять на фактические напряжения. Размах полного размаха на выходе операционного усилителя также изменяет напряжения отключения, особенно когда используется лишь небольшой гистерезис. Некоторый гистерезис почти всегда необходим, если у вас медленный входной сигнал, такая большая временная задержка. Без него переход между высоким и низким состояниями будет плохо определен и может показывать большой шумовой сигнал при изменении состояния выхода.

Вы также должны знать, что большинство операционных усилителей не могут переключать свои выходы на полное напряжение питания, хотя некоторые из них указаны для размахов выходного напряжения Rail-to-Rail. Большинство операционных усилителей CMOS подходят очень близко, но на все выходные каскады операционных усилителей влияет нагрузка на выходе. Таблица данных определенно вам здесь (как всегда).

Когда операционный усилитель используется в качестве компаратора, наиболее важными характеристиками для разумной скорости являются скорость нарастания и время отклика, хотя последнее редко указывается для операционных усилителей.В общем, лучше использовать настоящий компаратор, чем операционный усилитель для всего, что работает на частоте более нескольких кГц. Естественно, это зависит от конкретного приложения, и задача дизайнера состоит в том, чтобы определить оптимальную деталь. Не все компараторы работают так быстро, как может потребоваться, и это затрудняет поиск наилучшего общего компромисса.

Обратите внимание, что триггер Шмитта операционного усилителя также может быть настроен как неинвертирующий. Инвертирующий вход подключается к опорному напряжению (или земле), а затем сигнал подается через R2.Поскольку ток, протекающий через R2, является нелинейным из-за положительной обратной связи, он может связывать переходные процессы переключения непосредственно с источником сигнала.

Вам также необходимо убедиться, что используемый вами операционный усилитель не имеет защитных диодов на входах, и что отсутствует реверсирование фазы при высоких синфазных напряжениях (это может исключить операционные усилители серии TL07x, поскольку они на имеют фазу разворот). Кроме того, убедитесь (обычно экспериментально, так как этого не будет в таблице данных), что нет взаимодействия между секциями операционных усилителей в сдвоенных или четырехканальных корпусах.Если вы не используете выходной операционный усилитель с Rail-to-Rail, он может некорректно взаимодействовать с логическими схемами TTL или даже с простыми транзисторными переключателями. С логикой CMOS (обычно) нет проблем, но ее необходимо проверить.

ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя семейство TL07x можно использовать в качестве компараторов для многих низкоскоростных приложений, будьте осторожны! Эти устройства (вместе с с несколькими другими операционными усилителями) происходит переворот выходной фазы при превышении их синфазного напряжения.Вы должны убедиться, что входное напряжение не может быть никогда приближаются к напряжению питающей шины или превышают его. Основываясь на данных таблицы TL071 для входного синфазного напряжения, утверждается, что максимальный синфазный режим в худшем случае напряжение составляет ± 11 В при использовании источников питания ± 15 В. Типичным считается значение от -12 В до + 15 В при тех же условиях.

Схема, в которой используется компаратор операционных усилителей, — это Project 39, в которой используется операционный усилитель µA741, поскольку скорость не является проблемой. В некоторых приложениях нет смысла использовать настоящий компаратор, особенно для схем с очень низкой скоростью.Компараторы также используются в аналого-цифровых преобразователях и бесчисленном множестве других схем. Многие могут использовать операционные усилители, потому что им не нужна высокая скорость, в то время как другим нужно работать как можно быстрее. Например, вы не можете использовать операционный усилитель в усилителе класса D, потому что они слишком медленные, чтобы иметь возможность следить за звуковыми и опорными (треугольными) сигналами. Операционные усилители также могут использоваться для детекторов пересечения нуля частоты сети (подробнее по этой теме ниже).

---

4 — Компараторы «Истинного» напряжения

Как следует из названия, компаратор предназначен для сравнения двух напряжений.Состояние выхода определяется наиболее положительным входным контактом. Как и в случае с операционными усилителями, всегда будет входное смещение, и это может вызвать ошибки при низких входных напряжениях. Многие компараторы имеют подстройку нуля смещения, чтобы погрешность можно было скорректировать. Гистерезис можно использовать для минимизации ошибок, вызванных шумом, но он может вызвать проблемы с некоторыми приложениями. Например, если в модулятор класса D встроен гистерезис, это вызовет искажение формы выходного сигнала.

Компараторы

используются во многих распространенных приложениях, и усилители класса D были упомянуты выше. Компаратор применяет входящий аудиосигнал к одному входу, а треугольную волну — к другому. Выходной сигнал представляет собой прямоугольную форму волны с соотношением между отметками и промежутками, изменяющимся в зависимости от входного аудиосигнала. Это показано с примерами осциллограмм в статье «Усилители класса D — теория и конструкция». Схема должна быть быстрой, потому что опорный сигнал треугольника обычно превышает 100 кГц (иногда даже больше!).

Как и операционные усилители, оба входа компаратора должны иметь подходящее напряжение, которое может быть заземлено или какое-либо другое напряжение, установленное делителем напряжения. Если вход оставить открытым, выход будет непредсказуемым, и схема не будет работать должным образом — если вообще будет. Входной сигнал может быть емкостным образом связан со входом, но вам все равно понадобится резистор (обычно для опорного напряжения), чтобы гарантировать наличие надлежащих условий постоянного тока. Также, как и операционные усилители, компараторы доступны в одинарной, двойной и четверной версиях и в различных стилях корпуса.

В отличие от операционных усилителей, многие компараторы имеют выход с открытым коллектором, и нет транзистора для повышения уровня выхода (я не знаю ни одного, использующего выходной транзистор PNP и требующего понижающего резистора, кроме дискретная схема показана ниже). Вам нужно подключить резистор от выхода к положительному (или отрицательному) питанию. Иногда это неприятно, но компараторы обычно используются не так, как операционные усилители, и выход с открытым коллектором часто более удобен (хотите верьте, хотите нет).

LM311 является примером выходного компаратора с открытым коллектором. Существуют также компараторы, которые разработаны специально для взаимодействия с ИС TTL и укомплектованы отдельным источником питания 5 В для логических выходов (например, LM361). Выход с открытым коллектором также может управлять реле, если ток меньше указанного максимального значения (50 мА для LM311). К реле необходимо добавить диодную защиту, чтобы защитить выходной транзистор от высокого напряжения при выключении реле.

Во многих таблицах данных компаратора не указывается скорость нарастания, но вместо этого указывается задержка распространения или время отклика. Например, LM311 имеет скорость нарастания (по графикам) около 30 В / мкс, а время отклика указано как 200 нс. Есть несколько зависимостей и условий, которые влияют на скорость нарастания и время отклика, и я предлагаю вам просмотреть данные, чтобы увидеть некоторую информацию. Это не особенно интуитивно понятно, поэтому будьте готовы потратить некоторое время, чтобы познакомиться с используемой терминологией.

Рисунок 3 — Компаратор напряжения с использованием LM311

LM311 — это быстрый компаратор с множеством опций. Как показано, входная секция использует источники питания ± 5 В, реле питается от +12 В (относительно земли). Небольшой положительный вход (456 мВ или более, как показано) на контакте 2 активирует реле, но его можно предотвратить с помощью логического сигнала, подаваемого на вход ‘Inhibit’ (этот вход в таблице данных называется ‘TTL-стробом’). .

Если вы хотите сработать реле на основе отрицательного входа, нужно просто поменять местами входные контакты, чтобы контакт 2 был возвращен на V ref , а вход был применен к контакту 3.Такой уровень гибкости не проявляется в операционных усилителях, особенно в вариантах питания. Выход относится к отдельному контакту (контакт 1), поэтому входы и выходы могут относиться к разным напряжениям. Операционному усилителю, используемому в схеме для достижения того же результата, потребуется гораздо больше вспомогательных деталей для достижения того же результата. Показанная схема адаптирована из таблицы данных LM311.

Таблицы данных для компараторов могут сбивать с толку, если вы привыкли читать данные для операционных усилителей, и они часто имеют, казалось бы, странные особенности.Хотя основные операции аналогичны операционным усилителям с разомкнутым контуром, существуют варианты, которые вы никогда не увидите для большинства типичных операционных усилителей. Однако нет смысла пытаться охватить их все, потому что (как и операционные усилители) существует поразительное количество различных устройств, некоторые из которых являются простыми, а другие очень разными.

Вы увидите компараторы со средствами для изменения смещения устройства ввода или «строб», когда выход может быть включен или выключен с помощью внешнего сигнала от микроконтроллера или другой логической схемы.Как отмечалось ранее, большинство из них имеют выходы с открытым коллектором, но некоторые другие имеют традиционный выходной каскад типа «тотемный полюс», аналогичный тому, который используется с логическими ИС.

В некоторых случаях, особенно если вам не нужна сверхвысокая скорость, отличным выбором может быть КМОП-компаратор. Как правило, они маломощны (некоторые — всего 1 мкА), обычно имеют чрезвычайно высокое усиление и обычно ведут себя довольно хорошо. Компаратор, такой как LMC7211-N, является примером. Ток питания составляет 7 мкА, и он будет работать от 2.Питание от 7 В до 15 В (максимум между контактами питания). Как и у большинства КМОП-микросхем, напряжение питания ограничено типичным максимумом 16 В, и большинство из них доступны только в корпусах SMD. Однако они являются хорошим выбором, когда ток ограничен (например, оборудование с батарейным питанием), и вам необходимо взаимодействовать с другими вентилями CMOS (или TTL) или другими логическими ИС.

Многие компараторы имеют как два выхода, так и два входа. Когда доступны двойные выходы, они (обычно) дополняют друг друга, поэтому, когда один становится высоким, другой становится низким.Это обеспечивает большую гибкость при взаимодействии с логикой и может избавить разработчика от необходимости включать отдельный инвертор для получения дифференциальных выходов.

---

5 — Дискретный компаратор

Если вы хотите это сделать, довольно легко сделать компаратор с дискретными компонентами. В этом нет особого смысла, потому что большинство компараторов имеют очень разумные цены, но создание одного из них гарантированно даст вам лучшее общее понимание. Схема простого компаратора показана ниже, и в смоделированном виде она работает довольно хорошо, несмотря на свою простоту.Это несколько нетрадиционно, поскольку выходной транзистор — PNP, в то время как в большинстве коммерческих устройств используется NPN-транзистор с открытым коллектором. Время нарастания и спада приличное, и время отклика также довольно хорошее. Он не побьет ни одно из сверхбыстрых устройств и, очевидно, займет гораздо больше места на печатной плате, чем микросхема, но это хороший инструмент для обучения.

Упрощенная схема также дает некоторое представление о внутренней работе. Как показано ниже, выходной подтягивающий резистор (R2) подключается к земле, но его можно так же легко подключить к любому другому напряжению, если оно меньше, чем напряжение + 5В.Нет причин, по которым его нельзя подключить к источнику питания -5 В, но напряжение в диапазоне от 0 до 5 В совместимо с большинством логических схем. Эта гибкость распространяется и на большинство версий ИС, хотя в большинстве из них используется подтягивающий резистор . Обычно он подключается к положительному источнику питания, но может подключаться к любому (обычно положительному) напряжению в пределах номинальных значений устройства.

Чтобы получить максимально возможное усиление от простой схемы, Q3 и Q4 образуют токовое зеркало в качестве нагрузки для входной пары.Вместо этого можно использовать резистор на коллекторе Q1, но это снижает доступное усиление, и схема работает не очень хорошо. Компараторы обычно имеют такой же коэффициент усиления, что и операционные усилители (обычно от 50 000 до 200 000).

Рисунок 4 — Дискретный компаратор с однополярным питанием

На графике показаны входной сигнал (красный) и выходной (зеленый), и вы можете увидеть небольшую задержку между повышением или понижением уровня входного сигнала и тем же действием выхода. Очевидно, что для выключения выхода требуется больше времени (от 580 нс до нуля), чем для включения (от 300 нс до +5 В).

Частично разница связана с использованием резистора для понижения выхода, но Q5 также должен покинуть область насыщения, что создает дополнительную задержку из-за накопленного базового заряда транзистора. Это можно уменьшить за счет большей сложности. Добавление большого количества дополнительных транзисторов не имеет большого значения для ИС, но оказывает большое влияние на дискретные схемы.

Согласно модели, время отклика значительно меньше 1 мкс, но, как видно выше, оно зависит от полярности входного сигнала.Время нарастания и спада составляет менее 25 нс, измерено с использованием стандартной процедуры, которая составляет от 10% до 90%. Не думаю, что я полностью верю в эту часть, потому что симуляторы и реальная жизнь часто могут значительно отличаться. Неужели он так же хорош, как дешевый и бодрый LM311? Нет, и LM311 будет стоить намного меньше, чем детали, необходимые для дискретной версии (LM311 доступен по цене менее 1 доллара, что очень трудно превзойти). По общему признанию, LM311 действительно нуждается в подтягивающем резисторе на выходе в большинстве случаев, но это верно для очень многих компараторов.

Многие спецификации компараторов включают упрощенную схему устройства, и их можно использовать для идей. Однако большинство из них намного сложнее, чем вы могли ожидать, и необходимы для достижения очень высокой скорости.

---

6 — Компаратор окон

Иногда необходимо отслеживать сигнал, чтобы убедиться, что он остается в определенных границах. Компаратор окна будет оставаться выключенным, пока вход находится в «окне» допустимых пределов. Оконный компаратор — это не единая часть — он построен с использованием двух компараторов с соответствующими резисторами смещения или эталонами напряжения, чтобы обеспечить верхнюю и нижнюю границы «окна».Оконные компараторы широко используются в промышленных процессах, чтобы гарантировать, что конкретный процесс работает в допустимых пределах.

Они также использовались в системах сигнализации, предназначенных для обнаружения взлома злоумышленниками. Вы также можете использовать оконный компаратор, чтобы гарантировать, что аудиосигнал остается ниже уровня ограничения, поэтому для схемы, работающей с источниками питания ± 15 В, вы можете указать перегрузку, если сигнал превышает ± 8 В. Диапазон диапазона от -8 В до + 8 В, и пока сигнал остается в этих пределах, светодиод перегрузки не горит.

Рисунок 5 — Окно компаратора для индикации звуковой перегрузки

Выше показан оконный компаратор, который обеспечит высокий выход, если входное напряжение поднимется выше 2/3 В или ниже 1/3 В (Vs — это общее напряжение питания , 30 В), и аналогичен устройству, используемому в таймер 555. В этом случае светодиод «перегрузка» загорится, если напряжение сигнала поднимется выше + 5В или ниже -5В. Выходы компаратора просто соединяются вместе, чего нельзя сделать с операционными усилителями.Если потребление энергии является проблемой, можно использовать устройство CMOS. Некоторые из них имеют общий ток потребления около 1-2 мкА, но общее напряжение питания обычно ограничивается примерно 16 В.

Чтобы изменить диапазон, в котором загорается светодиод перегрузки, просто измените R3. Например, увеличение R3 до 22k означает, что светодиод загорится, если входное напряжение превысит ± 7,86 В (достаточно близко к упомянутому выше ± 8 В). Вам нужен только закон Ома и формула делителя напряжения, чтобы вычислить необходимое значение. Если вам нужно обнаружить, что сигнал отклонился только на небольшую величину, может потребоваться использование компараторов, которые обеспечивают регулировку смещения постоянного тока, чтобы гарантировать точный результат.

Обратите внимание, что на рисунке не показаны конденсаторы байпаса питания (по одному от каждого вывода питания к земле), но они необходимы, потому что многие компараторы будут колебаться, если они не включены. Это особенно важно для очень быстрых устройств. Колпачки байпаса должны быть как можно ближе к ИС, а все дорожки на печатной плате до входов должны быть короткими.

Для достижения того же результата при использовании двойного операционного усилителя вам необходимо добавить 2 диода (по одному на выходе каждого операционного усилителя), чтобы можно было добавить выходы, не вызывая чрезмерного потребления тока на выходах операционных усилителей.Выходы с открытым коллектором компараторов означают, что их можно просто соединить, и либо U1A, либо U1B могут подтянуть катод светодиода к низкому уровню, чтобы указать, что предел окна был превышен в любой полярности.

Многоуровневые компараторы также могут быть изготовлены по тому же принципу, что и показанный выше, но с большим количеством секций в цепи делителя напряжения и несколькими компараторами. Этот метод используется во внутренней схеме драйверов светодиодных гистограмм LM3914 (линейный) и LM3915 (логический).Эквивалентные схемы показаны в обоих таблицах данных, и если вам нужно знать, как создать многоуровневый компаратор, это хороший справочник.

---

7 — Генераторы

Многие из генераторов, которые обычно строятся с использованием операционных усилителей, лучше работают с компаратором. Для низких частот (менее 1 кГц или около того) это не имеет значения, но ни один обычный операционный усилитель не может использоваться в качестве кварцевого генератора, работающего на частоте 10 МГц или более. Генераторы компаратора ограничены генерацией сигналов прямоугольной формы.Если вам нужна синусоида, это линейная функция и, следовательно, требуются операционные усилители (интегрированные или дискретные).

Рисунок 6 — Генераторы компаратора, а) резистор / конденсатор, б) кристалл

RC-генератор показан почти во всех когда-либо созданных заметках по применению операционных усилителей, и он, безусловно, хорошо работает с большинством операционных усилителей с частотой до нескольких кГц или около того. Если вы используете операционный усилитель, R5 не нужен, но он необходим здесь, потому что компаратор имеет выход с открытым коллектором. При построении с использованием компаратора характеристика может быть легко увеличена до 1 МГц с использованием «обычных» компараторов, но легко достигаются гораздо более высокие частоты.Как показано, частота составляет около 95 кГц, и ее можно легко отрегулировать, сделав R4 переменным. Схема адаптирована из таблицы данных LM311.

Показанный кварцевый генератор адаптирован из таблицы данных LT1016 и может использоваться до 25 МГц. Такие скорости немыслимы с операционными усилителями. Некоторые могут дать вам до 1 МГц или около того (с некоторыми трудностями), но быстрый компаратор делает это проще. Оба генератора имеют прямоугольные выходы. Поскольку некоторые контакты на компараторах имеют «нечетные» назначения, также показаны различные назначения заземленных контактов, а два неиспользуемых контакта включены в список для LM311.

Чтобы дать вам представление о том, насколько «нечетными» могут быть назначения выводов, выводы 5 и 6 на LM311 предназначены либо для нулевого смещения, либо для увеличения тока входного каскада, а вывод 6 также может использоваться как вход «стробоскопа». чтобы отключить вывод. Естественно, что только одна из этих дополнительных функций обычно может использоваться одновременно. Выход также можно взять с контакта 1 (обычно GND) и использовать в качестве эмиттерного повторителя, подключив контакт 7 (выход) к положительному источнику питания и используя резистор для заземления в качестве понижающего.

Запутались? Добро пожаловать в чудесный мир компараторов.

---

8 — Простые таймеры

Когда люди думают о таймерах, на ум сразу приходит 555. Это, конечно, небезосновательно, потому что идеально подходит для поставленной задачи. В основе таймера 555 лежат компараторы. Опять же, совсем не безосновательно. Однако не каждому таймеру нужен 555, хотя они дешевы, широко распространены и хорошо работают. Чтобы узнать больше о таймере 555, прочтите статью о таймере 555.Однако, если вы хотите поэкспериментировать с компаратором отдельно, то в отделе знаний можно многому научиться.

Напряжение на конденсаторе с течением времени определяется емкостью и зарядным током. Когда для зарядки крышки используется резистор с фиксированным напряжением питания, напряжение на резисторе падает по мере зарядки крышки, уменьшая ток заряда и создавая знакомую форму волны экспоненциального заряда. Это видно на графике ниже (V _C1 ).

Рисунок 7 — Простой таймер, активируемый вручную

Таймер запускается нажатием кнопки. Это разряжает C1 (через R1, который ограничивает ток разряда конденсатора), и отсчет времени начинается, когда кнопка отпускается. Этот общий класс таймеров может использоваться для средних задержек до нескольких минут. Время задержки можно изменять с помощью потенциометра (VR1). На графике показаны напряжения, когда VR1 имеет минимальное сопротивление, а время задержки увеличивается с увеличением сопротивления потенциометра.

Нажмите кнопку, C1 разряжается, а выход U1 переходит с низкого на высокий. Когда кнопка отпущена , C1 заряжается до тех пор, пока его напряжение не достигнет порогового значения 8,25 В (V ref ). Как только порог достигнут, выход снова становится низким, указывая на то, что выбранное время истекло. Обратите внимание на диод, включенный последовательно с R6 — который применяет положительную обратную связь для обеспечения однонаправленного гистерезиса — он работает только при падении выходного сигнала с высокого на низкий, но не влияет на напряжение отключения, устанавливаемое делителем напряжения (R3, R4).Когда на выходе падает низкий уровень, опорное напряжение снижается с 8,25 В до примерно 6,5 В (синяя кривая). Это обеспечивает быстрый и однозначный переход вывода.

Для показанных значений временная задержка составляет от 11,5 секунд до примерно 125 секунд путем регулировки VR1 (максимальное сопротивление дает максимальную временную задержку). Имейте в виду, что эта схема предназначена только для примера и не является рекомендуемой конструкцией. Наиболее очевидная проблема заключается в том, что время можно продлить, просто удерживая кнопку нажатой, поэтому нельзя полагаться на надежную задержку.Также плохая идея использовать электролитические колпачки в цепи синхронизации, потому что они имеют большой допуск по емкости и не особенно устойчивы к температуре. Есть и другие проблемы, поэтому используйте это в качестве примера, чтобы вы могли понять основную функцию, а не воображать, что это обязательно пригодный для использования дизайн, как показано.

Показанная схема будет одинаково хорошо работать с операционным усилителем или компаратором, но последний имеет то преимущество, что у него есть выход с полной нагрузкой на шины, ограниченный только нагрузкой на выходе.Это должно быть не менее чем в 10 раз больше значения R5, чтобы минимизировать ошибки. Если ток нагрузки слишком велик (относительно тока через R5), цепь может выйти из строя.

Есть одно применение этого типа таймера — выключатель с задержкой для освещения. Пока переключатель замкнут, свет будет гореть. Когда переключатель выключен, свет будет гореть в течение предварительно установленного времени задержки и выключится, когда задержка истечет. Да, я знаю, что это можно сделать проще, но это пример, демонстрирующий, что даже явно «несовершенные» схемы часто имеют очень правильное применение.

---

9 — Детектор перехода через ноль

Есть много мест, где используются детекторы перехода через нуль. Переключение управления фазой сети — очень распространенное использование, так как детектор перехода через ноль необходим для обнаружения начала каждого цикла. В другом случае аудиосигнал должен переключаться «бесшумно», поэтому переключение происходит, когда аудиосигнал проходит через ноль. Детекторы пересечения нуля также используются для приложений генерации сигналов, таких как генераторы тональных пакетов.Из компараторов получаются очень хорошие детекторы перехода через нуль, и схема, показанная на рисунке 2, является одним из способов сделать это.

Необходимая величина гистерезиса очень мала (в зависимости от уровня сигнала), иначе вы можете «обмануть» и использовать усилитель перед компаратором, как показано ниже. Не имеет значения, зажимается ли каскад усилителя (на самом деле, лучше, если он есть), потому что нас интересует только период, когда входное напряжение равно нулю (или близко к нему). Частота выходных импульсов от показанного типа детектора в два раза превышает входную частоту, потому что на каждое пересечение нуля приходится один импульс, то есть два на входной цикл.

Недостатком компараторов является то, что они обычно выдают положительный выходной сигнал, когда сигнал проходит через ноль от отрицательного значения к положительному, и отрицательный сигнал в течение другого полупериода. Это означает, что необходима дополнительная обработка, чтобы обеспечить (скажем) положительные импульсы для каждого пересечения, независимо от полярности сигнала. Если вам нужен детектор пересечения нуля, который генерирует только положительные импульсы каждый раз, когда входной сигнал проходит через ноль, вы можете использовать что-то вроде схемы, показанной ниже.

Рисунок 8 — Детектор пересечения нуля

Первый каскад усиливает напряжение (x38) и вместе со следующим каскадом (инвертор с единичным усилением) выдает двухполупериодный выпрямленный выход. Когда входной сигнал проходит через ноль, выходной сигнал выпрямителя также равен нулю, и это обнаруживается компаратором, который выдает положительный импульс. Ширина импульса в значительной степени определяется величиной усиления в первом каскаде и входной частотой, а с показанными значениями обеспечивает 7.Импульсы 2 мкс с синусоидальным входным сигналом 2 В (размах) при 1 кГц (рабочий цикл менее 1,5%). Ширина импульса может быть уменьшена для уменьшения коэффициента заполнения (и уменьшения ширины импульса) за счет увеличения коэффициента усиления U1A, что обеспечивает лучшее разрешение точки пересечения истинного нуля. Если используется очень высокое усиление, необходимо будет использовать операционные усилители, обеспечивающие регулировку смещения постоянного тока. C1 используется для минимизации смещения для менее важных приложений.

Опорное напряжение на входе + ve U3 номинально составляет около 120 мВ, повышаясь до 130 мВ, когда на выходе высокий уровень.Это небольшой гистерезис, но его достаточно для обеспечения чистых переходов в каждой точке пересечения нуля. Можно использовать больший гистерезис (и / или увеличить опорное напряжение), увеличив значение R8. Это также сделает импульсы шире, поэтому усиление U1A может быть увеличено для компенсации.

Схема хорошо управляемая и очень гибкая, и ее можно легко изменить в соответствии с вашими конкретными потребностями. Он более сложен, чем большинство из тех, что вы увидите в сети, но он имеет то преимущество, что его легко настраивать, и он дает положительный импульс при каждом пересечении нуля.Если требуется большая скорость, используйте более быстрые операционные усилители и более быстрый компаратор. Обратите внимание, что крышки байпаса подачи необходимы, но не показаны для ясности.

Дополнительные идеи по детекторам пересечения нуля в целом см. В AN005 — Детекторы пересечения нуля на веб-сайте ESP.

---

Заключение

Как и большинство статей по ESP, это просто введение в предмет. Таблицы данных производителей обычно являются одним из лучших мест для начала, если вы хотите узнать больше, и там, где они доступны, примечания к приложениям могут предоставить вам много дополнительной информации и часто содержат конкретные примеры для множества различных схем.Естественно, они ссылаются только на детали этого производителя, но вы часто можете заменить другие устройства, чтобы повысить производительность или снизить стоимость.

В области аудио обычно не существует большого спроса на «настоящие» компараторы, потому что представляющие интерес сигналы почти всегда сравнительно медленные. Другое дело, конечно, аналого-цифровые преобразователи и модуляторы класса D, но чаще всего они основаны на ИС, и вся необходимая обработка обычно выполняется внутри самой ИС. В некоторых случаях гибкость компараторов делает их лучшим выбором, чем схемы, использующие операционные усилители, особенно для индикаторов перегрузки и аналогичных схем, но скорость даже « медленных » компараторов такова, что им легко вносить шум при переходных процессах переключения.

Даже операционные усилители, используемые в качестве компараторов, могут легко создавать переходные процессы переключения, и, как правило, рекомендуется обеспечить изоляцию источника питания, например, с помощью ферритовых шариков или резисторов с низким сопротивлением, а также с отдельными разделительными конденсаторами. Изоляция необходима для предотвращения воздействия быстрых переходных процессов на звуковые цепи. Особого внимания требует также заземление. «Общее» заземление обычно является рецептом для нежелательных помех, поэтому вам необходимо разработать план, чтобы убедиться, что токи заземления разделены.

Как должно быть очевидно, компараторы очень отличаются от операционных усилителей, и, хотя они гораздо более гибкие, они также гораздо менее снисходительны. Большинство операционных усилителей указывают период короткого замыкания как «неопределенный», но многие компараторы либо не могут выдержать короткое замыкание на выходе, либо могут делать это только в течение ограниченного времени (некоторые указывают 10 секунд, но даже это является риском). Шунтирование питания критично для любого высокоскоростного компаратора (в гораздо большей степени, чем для операционных усилителей), и компоновка печатной платы должна быть правильной, иначе вы получите колебания при переходе выхода из одного состояния в другое.

Если вы намереваетесь использовать компараторы в проекте, вы должны свериться с таблицей данных и / или любыми доступными примечаниями по применению, потому что вам нужно знать, какие меры предосторожности необходимы для обеспечения надежной работы. Их самое большое преимущество (скорость) — это еще и то свойство, которое делает их сварливыми, если IC не все устраивает.

Ссылки, показанные ниже, легко найти в сети, а некоторые устройства доступны из разных источников (хотя сейчас TI владеет National Semiconductor).Существуют буквально сотни (возможно, тысячи) различных устройств от многих производителей, и было бы непрактично даже пытаться приводить примеры и ссылки на них всех. Вы также можете посмотреть Maxim, ON Semiconductor, Intersil, Toshiba, Analog Devices, ST Microelectronics — список можно продолжить. Вы можете получить компараторы, использующие биполярные транзисторы или технологию CMOS, быстрые и медленные, микромощные и т. Д., Так что определенно найдется подходящее устройство для каждого случая.

Примечание: Включение (или исключение) какого-либо производителя не подразумевает каких-либо предпочтений или иным образом с моей стороны, а также не указывает на какую-либо связь с перечисленными.Указанные производители предназначены только для помощи читателю и не указаны ни для каких других целей.

---

Список литературы

1. Методы высокоскоростного компаратора — линейная технология AN13F
2. LT1016 — Техническое описание и примечания по применению компаратора Ultra Fast ™ Precision 10ns
3. Компаратор напряжения LM311 Лист данных
4. Лист данных компаратора напряжения LM393

---

---

Основной индекс Указатель статей

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2016. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Журнал изменений: страница создана и авторские права © август 2016 г. / Обновлено в декабре 2020 г. — добавлены схема LM393 и текст. / Июн 2021 г. — добавлена ​​преамбула.

Лучшая схема автомобильного зарядного устройства на 12 В с использованием LM311

Лучшая схема автомобильного зарядного устройства на 12 В с использованием LM311 Наша лучшая схема зарядного устройства на 12 В, это зарядное устройство ci

Просмотры 24 Загрузки 0 Размер файла 260KB

Отчет DMCA / Copyright

СКАЧАТЬ ФАЙЛ

Рекомендовать истории

---

Предварительный просмотр цитирования

---

Лучшая схема автомобильного зарядного устройства на 12 В с использованием LM311 Наша лучшая схема зарядного устройства на 12 В, это автоматическая система зарядного устройства, затем, когда напряжение аккумулятора ниже указанного, эта схема немедленно подает питание на аккумулятор и прекращает зарядку, когда аккумулятор полностью только.Идеально подходит для использования в аварийных источниках питания или системах резервного питания от батарей любого типа. И конечно, если вы обращаетесь к своему автомобильному аккумулятору, то в нем нет никаких правил. И самое главное цена, которая была действительно очень. мы быстро построим есть в наличии. Как работает эта схема Из схемы видно, что в основе лежит операционный усилитель IC1 под номером LM311. Который подключен к сравниваемой схеме. Обычно напряжение на выводе 3 будет равно 6В с стабилитроном ZD1-6V. Пока аккумулятор полностью заряжен напряжением.Выходное напряжение на выводе 6 равно отрицательному напряжению на стабилитроне, чтобы транзистор BC337-Q1 и реле-RY1 также не работали. Таким образом, вход переменного напряжения на трансформатор-T1 будет отключен.

Снижение напряжения батареи приведет к тому, что напряжение на выводе 2 IC1 будет ниже, чем на выводе 3. Это сделает напряжение на выводе 6 IC1 положительным, и если оно будет выше 3,3 В, это приведет к тому, что база ток (Ib из Q1) поступает смещенным на Q1, и реле также работает, контакт реле будет подключать переменное напряжение к трансформатору T1, так что переменное напряжение вторичной обмотки подключено к мостовой схеме BD1 к постоянному току (15 В постоянного тока) и через падение на C11. , 000uF для формы двухполупериодного выпрямителя сигнала фильтра, снова в систему зарядки аккумулятора.До тех пор, пока при полном напряжении аккумулятора контакт 2 IC1 не станет положительным по сравнению с напряжением на контакте 3, эта схема сразу отключит ток, который заряжает аккумулятор, и снова начнет возобновлять заряд, когда напряжение ниже, чем вы установили.

Список компонентов IC1-LM311 ___ Компаратор Одиночный ± 15 В, 30 В, 8-контактная пластиковая контактная планка Q1_____BC337___45 В 0,8 А NPN-транзистор RY1____ Реле 12 В — 5 А, контакт. C1_____1000uF 35V Электролитические конденсаторы C2, C3 _____ 0,1uF 50V Керамические конденсаторы R1, R3, R5 _____ 22K____0.Резисторы 5 Вт R2 _____ 18K _________ ”_______” R6, R7 _____ 1K _________ ”_______” R4_____150 Ом _________ ”_______” T1___ Трансформатор 3A – 12В. полярность диода и электролитического конденсатора подключена правильно или нет. Когда все сделано правильно, чтобы попробовать подключить источник питания с регулируемым выходным напряжением, введите разъем для зарядки аккумулятора. Примечание. Не подключайте этот проект к сети переменного тока и подключайте аккумулятор.

Устанавливаем схему. Затем установите напряжение на 11 В и отрегулируйте VR1, пока светодиодный индикатор не покажет, что реле-RY1 работает правильно. Напряжение постепенно увеличивается. Напряжение равно 13 В. Светодиод выключит реле, чтобы отключить цепь. Если светодиод не гаснет, снова отрегулируйте VR1. Регулировка VR1, которую можно регулировать несколько раз, в зависимости от схемы. ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Автоматически Зарядное устройство 6V-12V с реле, отключенным LM324 Это зарядное устройство автоматической схемы снова интересная схема.Из-за использования микросхемы LM324 то сэкономили. Зарядное устройство может работать как с батареей 12В, так и с 6В с фильтрацией, как у S1. Конечно, цепь это все еще базовое свойство будет, когда батарея

уже имеет полное напряжение, цепь как результат приказывает реле RY1 отключить, система немедленно отходит от батареи. Для R1 и R7 используйте для тонкого украшения быстроты цепи. В результате тест проходит легко. Проведите батарею с полным напряжением, чтобы украсить R1 и R7, чтобы RY1 заработал.детали другой части см. на схематическом изображении сэр.

Визуализация макета печатной платы Eagle для измерителя LM311 LC с Arduino Uno

Недавно я учился использовать пакеты 3D CAD, чтобы разрабатывать и создавать корпуса и корпуса для тех проектов электроники, о которых я писал здесь. Я использовал EagleCad ULP (программу на языке пользователя) под названием eagleUp 4.4. Он предоставляет способ визуализации компоновки печатной платы с компонентами, чтобы ее можно было просматривать в Sketchup.

Вы можете скачать eagleUp 4.4 отсюда:

eagleUp4.4.zip

Я бы на самом деле следовал инструкциям с веб-сайта eagleUp, хотя там можно найти дополнительную информацию:

http://eagleup.wordpress.com/installation-and-setup /

После того, как вы установили и настроили программы, действительно очень просто визуализировать вашу печатную плату в трехмерное изображение, чтобы вы могли просматривать «заполненную» печатную плату и проектировать готовые к производству механические корпуса с помощью трехмерной печати или с помощью лазерного резака.

Вам также необходимо получить копию Sketchup версии 8

sketchup 8 загрузить

Я бы установил программы в соответствии с инструкциями, прежде чем продолжить! Вам нужно будет следовать инструкциям, чтобы указать sketchup, где находится надстройка eagle up, чтобы можно было загрузить файл.eup в sketchup. Не волнуйтесь, это несложно!

Недавно я разработал версию LC Meter для одного из читателей блога, использующего компаратор LM311. Он использует ту же прошивку, что и в предыдущем посте, но вместо использования четырехканального компаратора LM339 он использует двойной компаратор LM311. Схема работает точно так же, как и в предыдущей версии. Если люди хотят узнать, как это работает, они должны проверить предыдущий пост:

Вот принципиальная схема:

Вот нижний слой печатной платы:
Нижний слой здесь зеркально отражен, так что на нем можно напечатать готовый к переносу тонера для изготовления печатной платы.Он не показывает, перекрываются ли какие-либо компоненты или загрязняются, или как будет выглядеть верхняя сторона печатной платы после заполнения компонентами. Здесь вам пригодится eagleUp 4.4!

На экране компоновки печатной платы eagle щелкните значок запуска ULP:

Теперь выберите eagleUp_export.ulp в открывшемся диалоговом окне:
Появится следующее окно:
Это параметры, которые можно изменить в зависимости от ваших требований:

Экспорт изображения — количество пикселей, присутствующих в рендере — чем выше dpi, тем больше размер файла и тем больше времени потребуется для рендеринга печатной платы

Слой контура — выберите слой, который изображение будет использовать в качестве измерения.

Слои шелка — Выберите, хотите ли вы, чтобы шелкография присутствовала и использовала как диаграммы мест, так и имена и идентификаторы компонентов, или не используйте их вообще

Разное — Выберите, хотите ли вы визуализировать печатную плату с компонентами и переходными отверстиями или с ними.

Толщина платы — Физическая толщина стекловолоконной подложки, поддерживающей медные дорожки и компоненты

Выберите цвет паяльной маски — Какой цвет (Я британец!) Стоит ли нам использовать для травления резиста — большинство людей используют зеленый, но OSH park любит использовать фиолетовый! Все зависит от пользователя…

Выберите покрытие — какого цвета вы хотите, чтобы дорожки были …. Я всегда выбираю золото, но опять же, это зависит от пользователя.

Выберите цвет шелка — Какого цвета будет шелкография … Я снова всегда выбираю белый цвет, но это выбор пользователя.

Когда все будет готово, нажмите «ОК» и дождитесь завершения магии — это может занять некоторое время, хотя для большинства плат это было менее 2 минут. Печатная плата и компоненты визуализируются и размещаются на печатной плате в виде эскиза.

Загрузите Sketchup 8 и щелкните в меню плагинов. Импорт элемента eagleUp v4.4.
Затем, когда появится диалоговое окно, перейдите в соответствующий каталог орла для проекта.

Мой назывался LC Meter dif Ver …

Внутри этой папки проекта eagle теперь будет папка с надписью eagleUp. Выберите эту папку, а затем выберите файл .eup внутри нее.

После того, как вы снова нажмете «Открыть», будьте готовы к короткому ожиданию около двух минут … программа запускает файл сценария, который размещает компоненты и визуализирует изображение.

После завершения процесса вам, вероятно, будет представлено следующее диалоговое окно:
Если мы присмотримся к диалоговому окну поближе, оно говорит нам, что в программе нет эскизных моделей с правильными именами, чтобы разместить их на печатной плате. Запишите все имена в диалоговом окне, поскольку эта информация нам понадобится позже:
Когда будете готовы, нажмите ОК. Теперь мы собираемся найти подходящие модели для недостающих частей, а затем пометить файлы правильными именами, чтобы при повторном запуске скрипта импорта eup все недостающие элементы были найдены и отображены правильно.

Щелкните меню файлов в sketchup и перейдите в раздел 3D-склада:

Мы собираемся найти подходящую модель для каждого из недостающих элементов в списке и сохранить их в папке моделей в eagle, чтобы все компоненты были правильно отрисованы. Я не буду перебирать каждый пункт в списке, так как это будет повторяться. Вот как я нашел подходящую модель для диода 1N4148:
Если подходящая модель доступна, модели будут отображаться:
Нажмите на подходящую модель — в нашем случае это будет любая из моделей слева.Если возможно, скачайте модель и сохраните ее в каталоге моделей в программных файлах / eagle:
Убедитесь, что при сохранении файла вы даете ему то же имя, что и отсутствующий пакет — в данном случае DIODE-1N4148. Затем это сохранит модель для использования позже и должно гарантировать, что модель будет найдена в следующий раз, когда мы запустим скрипт.

Чтобы сэкономить время, я зашел в eaglecad и составил список материалов для этого проекта. В ведомости материалов указаны названия пакетов для всех этих частей.Если я затем зайду в Интернет и найду правильные модели, я смогу затем переименовать их в требуемые пакеты, а затем повторно запустить скрипт — подлый!

После завершения и запуска сценария вас спросят, хотите ли вы изменить размер какой-либо из моделей. Я предлагаю вам сказать «да», так как изменение их размера самостоятельно сложно и требует много времени. С этого момента необходимо переместить модели компонентов в нужное положение, выровнять их и при необходимости изменить размер. Это довольно утомительная работа, но после ее завершения результаты будут впечатляющими и полезными.

Я загрузил созданную мной модель этой печатной платы на склад Sketchup 3D — она ​​доступна для загрузки, если люди захотят ее найти:

3d склад LC Meter Model

Вот несколько снимков экрана просто для удовольствия.

На этом пока все — в следующем посте будет обсуждаться, как сконструировать корпус для измерителя LM311 LC.

Ура, Лангстер!

.