Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Микросхема lm339n и ее применение схема

Микросхема lm339n и ее применение схема

Схема индикатора температуры на микросхеме LM339N

Схема индикатора температуры на счетверённом компараторе LM339N, предназначена для индикации нагрева теплоотводов в мощных усилителях низкой частоты, фазовых регуляторов мощности. Также его можно использовать для световой сигнализации перегрева электродвигателей, трансформаторов сварочных аппаратов, двигателей внутреннего сгорания с воздушным охлаждением.

Интегральная микросхема LM339N представляет собой счетверённый прецизионный компаратор напряжения. Микросхема выполнена в стандартном корпусе DIP-14, имеет широкий диапазон питающего напряжения — двуполярное от ±1 В до ±18 В, однополярное от 2 до 36 В. Функциональная схема одного компаратора микросхемы показана на рис. 2.

Схема индикатора температуры на микросхеме LM339N Используя эту микросхему, легко построить, например, различные узлы индикации со светодиодной шкалой.

В недалёком прошлом построение устройств со светодиодными шкалами вызывало определённые трудности, связанные с тем, что несколько одновременно включенных светодиодов потребляли от источника питания значительный ток, иногда достигающий сотен миллиампер.

В настоящее время, с появлением сверхярких светодиодов, которые достаточно ярко светят уже при токе менее 1 мА, можно создавать линейные светодиодные шкалы с простым управлением, потребляющие ток менее 20 мА при 10 и более одновременно включенных светодиодах.

В качестве датчика температуры работает терморезистор R1 с отрицательным ТКС — чем больше температура его корпуса, тем меньше сопротивление. Работает устройство следующим образом. Допустим, напряжение на входе «+», вывод 7 компаратора DA1.1 больше, чем на входе «-«, вывод 6 DA1.1. В этом случае на выходе компаратора, вывод 1 будет высокий уровень напряжения, светодиод HL1 не светится.

При нагреве корпуса терморезистора R1 напряжение на его выводах понижается, также понижается напряжение на выводе 7 DA1. Когда напряжение на входе «+» DA1.1 станет меньше напряжения на входе «-» DA1.1, на выходе этого компаратора высокий уровень напряжения сменится на низкий, светодиод HL1 зелёного цвета свечения засветится.

Если движки подстроенных резисторов R2 -R5 настроены так, что, начиная с R2, на движке каждого следующего подстроечного резистора напряжение меньше, чем у предыдущего, то при нагреве корпуса терморезистора светодиоды HL1-HL4 будут последовательно зажигаться. Сначала загорится светодиод зелёного цвета HL1, затем жёлтого HL2, красного HL3.

Светодиод HL4 красный мигающий, вспышки которого по замыслу должны сигнализировать критический нагрев контролируемого объекта. Стабилитрон VD1 уменьшает напряжение питания мигающего светодиода до безопасного для него уровня. Светодиод HL5 синего цвета свечения светит постоянно, он обозначает начало шкалы.

Конденсаторы С2, С3, С4 и дроссель L1 выполняют функцию фильтра питания микросхемы. Резисторы R10 — R13 осуществляют небольшую отрицательную обратную связь по постоянному напряжению, что позволяет наблюдать относительно плавное зажигание или погасание светодиодов при изменении температуры. Если вы желаете, чтобы светодиоды зажигались на полную яркость и погасали мгновенно, то резисторы R10 — R13 нужно исключить.

Вместо компаратора LM339N можно применить аналогичные LM339AN, LM239AN, LM239A, MC3302N, LM139N. Светодиоды можно взять любые доступные сверхяркие, например, из серий КИПД40, L-1513, L-1503, L-7104, L-7113, L-7143. Стабилитрон КС175А можно заменить на Д814А1, 2С175Ж, 2С483Г, 1N4737A.

При напряжении питания устройства менее 9 В этот стабилитрон можно не устанавливать. Оксидные конденсаторы — аналоги К50-35, К53-19. Неполярные — К10-17, К10-50, КМ-5. Дроссель L1 — любой малогабаритный маломощный.

При отсутствии можно заменить резистором сопротивлением 1,0. 2,2 Ом. Переменные резисторы — малогабаритные импортные в закрытом корпусе. Также подойдут высоконадёжные отечественные СП4-1 или малогабаритные многооборотные СПЗ-39. Терморезистор ММТ-1, ММТ-4 или другой малогабаритный сопротивлением 4,3. 10 кОм при 25 °С.

Чем меньше размер терморезистора, тем быстрее он будет реагировать на резкое изменение температуры контролируемого объекта. При отсутствии подходящего терморезистора его можно заменить сборкой из 8. 12 включенных параллельно германиевых точечных диодов серий Д9, Д18. Сопротивление резистора R1 подбирают так, чтобы при номинальной рабочей температуре напряжение на выводах терморезистора R1 было равным примерно половине от напряжения питания.

Светодиоды располагают в конструкции в виде шкалы, начинающейся со светодиода HL5, после которого последовательно установлены HL1 — HL4. Если последовательно с мигающим светодиодом HL4 вместо резистора R17 установить пьезокерамический или электромагнитный излучатель звука с встроенным генератором, например, НРА24АХ, то устройство, в такт со вспышками светодиода HL4 будет издавать прерывистый сигнал тревоги.

Индикатор температуры желательно питать стабилизированным напряжением. Если, например, в модернизированном усилителе отсутствует стабилизатор напряжения +12. +18 В, то его можно изготовить дополнительно, например, на микросхеме КР142ЕН8В, 7815. При напряжении питания +15 В и погашенных светодиодах HL1 — HL4 устройство потребляет от источника питания ток около 8 мА.

Компаратор

Компара́тор аналоговых сигналов (от лат.  comparare  «сравнивать») — сравнивающее устройство [1] : электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая сигнал высокого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе («+») больше, чем на инвертирующем (инверсном) входе («−»), и сигнал низкого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе меньше, чем на инверсном входе. Значение выходного сигнала компаратора при равенстве входных напряжений, в общем случае не определено. Обычно в логических схемах сигналу высокого уровня приписывается значение логической 1, а низкому — логического 0.

Через компараторы осуществляется связь между непрерывными сигналами, например, напряжения и логическими переменными цифровых устройств.

Применяются в различных электронных устройствах, АЦП и ЦАП, устройствах сигнализации, допускового контроля и др.

Читайте так же:
Поделки на токарном станке по металлу

Одно из напряжений (сигналов), подаваемое на один из входов компаратора обычно называют опорным или пороговым напряжением. Пороговое напряжение делит весь диапазон входных напряжений, подаваемых на другой вход компаратора на два поддиапазона. Состояние выхода компаратора, высокое или низкое, указывает, в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение. Компаратор с одним входным пороговым напряжением принято называть однопороговым компаратором, существуют компараторы с двумя или несколькими пороговыми напряжениями, которые, соответственно делят диапазон входного напряжения на число поддиапазонов на 1 большее числа порогов.

Сравниваемый сигнал может подаваться как на инвертирующий, так и на неинвертирующий вход компаратора. Соответственно, в зависимости от этого компаратор называют инвертирующим или неинвертирующим.

Содержание

Математическое описание компаратора [ править | править код ]

В аналитическом виде идеальный однопороговый неинвертирующий компаратор задаётся следующей системой неравенств:

Третьему, неопределённому значению, в случае бинарного состояния выхода можно:

  1. присвоить U 0 > или U 1 > ,
  2. присвоить U 0 > или U 1 > случайным образом динамически,
  3. учитывать предыдущее состояние выхода и считать равенство недостаточным для переключения,
  4. учитывать первую производную по времени выходного сигнала и её равенство нулю считать недостаточным для переключения.

В случае использования многозначной логики, например, троичной для учёта третьего состояния (равенство) применить соответствующую троичную функцию из чёткой троичной логики с чётким третьим значением.

Схемотехника компараторов [ править | править код ]

Схемотехнически простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления (в идеале — бесконечным). Обычно в качестве компараторов напряжения в современной электронике применяют микросхемы операционных усилителей (ОУ). Но существуют и выпускаются специализированные для применения в качестве компараторов микросхемы.

Микросхема компаратора отличается от обычного линейного (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

  • Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон дифференциальных входных напряжений (между инвертирующим и неинвертирующим входами), вплоть до значений питающих напряжений, а также полный диапазон синфазных напряжений.
  • Выходной каскад компаратора обычно конструируют совместимым по логическим уровням и токам с распространённым типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны исполнения выходного каскада компаратора на одиночном транзисторе с открытым коллектором, что обеспечивает одновременную совместимость с ТТЛ и КМОП логическими микросхемами.
  • Микросхемы компараторов не рассчитаны для работы с отрицательной обратной связью как ОУ и при их применении отрицательная обратная связь не используется. И наоборот, для формирования гистерезисной передаточной характеристики компараторы часто охватывают положительной обратной связью. Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.
  • При проектировании микросхем компараторов уделяется особое внимание быстрому восстановлению входного каскада после перегрузки и смены знака разности входных напряжений. В быстродействующих компараторах для повышения быстродействия схемотехнически не допускают захода биполярных транзисторов в выходном каскаде в режим насыщения.

Компараторы охваченные положительной обратной связью имеют гистерезис и по сути являются двухпороговыми компараторами, часто такой компаратор называют триггером Шмитта.

При равенстве входных напряжений реальные компараторы и ОУ, включенные по схеме компараторов дают хаотически изменяющийся выходной сигнал из-за собственных шумов и шумов входных сигналов. Обычная мера подавления такого хаотического переключения — введение положительной обратной связи для получения гистерезисной передаточной характеристики.

При программном моделировании компаратора возникает проблема выходного напряжения компаратора при одинаковых напряжениях на обоих входах компаратора. В этой точке компаратор находится в состоянии неустойчивого равновесия. Проблему можно решить множеством разных способов, описанных в подразделе «программный компаратор».

Программное моделирование компаратора [ править | править код ]

В программах в качестве первого приближения можно использовать простейшую модель асимметричного компаратора, в котором третье значение с равными величинами сравниваемых входных переменных постоянно приписывается к «0» или к «1», в примере, приведенном ниже, третье значение постоянно приписывается к «0»:

В более сложных моделях симметричных компараторов третье значение можно, в рамках двоичной логики:

  1. приписать к «0» или к «1» постоянно,
  2. приписывать к «0» или к «1» случайным образом динамически,
  3. учитывать предыдущее значение и считать равенство недостаточным для переключения,
  4. учитывать первую производную и её равенство нулю считать недостаточным для переключения,

или выйти за рамки двоичной логики и:

  1. для учёта третьего значения (равенство) применить соответствующую троичную функцию из чёткой троичной логики с чётким третьим значением.

Существующая проблема третьего состояния при программном моделировании, когда два числа, представленные кодовыми словами, могут быть в точности равны, на практике не имеет места: два напряжения не могут в точности совпадать, так как, во-первых, аналоговое напряжение величина неквантуемая, а во-вторых, существует шум, напряжение смещения входов компаратора, и иные возмущения, разрешающие неоднозначность даже в случае равенства входных напряжений аналогового компаратора.

Компараторы с двумя и более напряжениями сравнения [ править | править код ]

Строятся на двух и более обычных компараторах.

Двухпороговый (троичный) компаратор [ править | править код ]

Двухпороговый (троичный) компаратор имеет два напряжения сравнения и состоит из двух обычных компараторов. Два напряжения сравнения делят весь диапазон входных напряжений на три нечётких поддиапазона в нечёткой (fuzzy) троичной логике, которым присваиваются три чётких значения в чёткой троичной логике. Двухбитный троичный (2B BCT) логический сигнал (трит) на выходе троичного компаратора указывает, в каком из трёх поддиапазонов находится входное напряжение. Логическая часть троичного компаратора выполняет унарную троичную логическую функцию — «повторитель» (F1073 = F810). Двухбитный троичный трит (2B BCT) может быть преобразован в трёхбитный трит (3B BCT) или в трёхуровневый трит (3LCT) [ источник не указан 1421 день ] .

В аналитическом виде двухпороговый (троичный) компаратор задаётся следующими системами неравенств:

где:
Uref1 и Uref2 — напряжения нижнего и верхнего порогов сравнения,
Uout1 и Uout2 — выходные напряжения компараторов, а
Uin — входное напряжение на компараторах.

Двухпороговый (троичный) компаратор является простейшим одноразрядным троичным АЦП.

Троичный компаратор является переходником из нечёткой (fuzzy) троичной логики в чёткую троичную логику для решения задач нечёткой троичной логики средствами чёткой троичной логики.

Тумблеры и переключатели на 3 положения без фиксации (ON)-OFF-(ON) [2] [3] являются механоэлектрическими троичными (двухпороговыми) компараторами, в которых входной величиной является механическое отклонение рычага от среднего положения.

Двухпороговый (троичный) компаратор выпускается в виде отдельной микросхемы MA711H (К521СА1).

Применяется в прецизионном триггере Шмитта популярной микросхемы-таймера NE555.

Троичный компаратор низкого качества с двоичными компараторами на цифровых логических элементах 2И-НЕ применён в троичном индикаторе напряжения источника питания с преобразованием трёх диапазонов входного напряжения в один трёхбитный одноединичный трит (3B BCT) [4] . Для построения прецизионного триггера Шмитта в этой схеме не хватает двоичного RS-триггера, который можно выполнить на двух дополнительных логических элементах 2И-НЕ (например, использовать два из четырёх логических элементов 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3).

Многовходовые компараторы [ править | править код ]

Примеры интегральных микросхем компараторов [ править | править код ]

Пример широко известных компараторов: LM311 (российский аналог — КР554СА3), LM339 (российский аналог — К1401СА1). Эта микросхема часто встречается, в частности, на системных платах ЭВМ, а также в системах управления ШИМ контроллеров в блоках преобразования напряжения (например, в компьютерных блоках питания с системой питания ATX) [5] [6] .

Параметры компараторов [ править | править код ]

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные. Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения tп. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения Uвх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения Uвх над опорным напряжением. Время переключения компаратора tп можно разбить на две составляющие: время задержки tз и время нарастания до порога срабатывания логической схемы tн. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

Записки программиста

Ранее мы с вами познакомились с такими интегральными схемами, как таймер 555, счетчик 4026, логические вентили, а также сдвиговые регистры и декодеры. Теперь же пришло время узнать о компараторах. Несмотря на кажущуюся простоту, компараторы — куда более интересные устройства, чем может показаться на первый взгляд. Читайте далее, и сможете убедиться в этом самостоятельно.

Крайне наглядная картинка, объясняющая работу компаратора, была найдена в книге Чарльза Платта Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих. С некоторыми изменениями эта иллюстрация приведена ниже:

Внутреннее устройство компаратора

Компаратор имеет два входа, обозначаемые знаками минус (инвертирующий вход) и плюс (неинвертирующий вход), и один выход. Для нормальной работы выход компаратора обязательно должен быть подключен к плюсу источника питания через подтягивающий резистор. Почему нельзя было сделать это просто внутри микросхемы, скоро станет понятно.

Используется компаратор следующим образом. На инвертирующий вход подается эталонное напряжение. Когда напряжение на втором, неинвертирующем, входе больше эталонного, выход компаратора имеет высокое напряжение. Если же напряжение на неинвертирующем входе ниже эталонного, выход компаратора имеет низкое напряжение. Проще говоря, компаратор сравнивает два значения напряжения и на выходе говорит, какое больше. Входы компаратора можно использовать и наоборот, тогда выход компаратора будет инвертирован.

В качестве типичной микросхемы, содержащей внутри себя целых 4 компаратора, можно назвать LM339. Данный чип выпускается как в виде SMD-компонента, так и варианте для монтажа через отверстия. Распиновка у LM339 следующая:

Распиновка LM339

На практике компараторы чаще всего используют одним из следующих образов:

Примеры использования компаратора

Важно! По неудачному стечению обстоятельств, компаратор обозначается на схемах точно так же, как и операционный усилитель. Однако операционные усилители работают иначе, нежели компараторы, и их не следует путать. Определить, что именно используется в схеме, обычно можно по указанному названию чипа.

В левой части схемы изображен компаратор, чей выход соединяется с неинвертирующим входом через потенциометр или резистор. Это — так называемая положительная обратная связь. Благодаря ей достигается гистерезис. То есть, если напряжение на неинвертирующем входе будет колебаться в некотором коридоре возле эталонного, выход компаратора не будет постоянно изменяться. Если помните, триггер Шмитта (чип 74HC14) делает то же самое.

Кстати, можно заметить, что одна из связей на потенциометре в положительной обратной связи как бы лишняя. Как объяснил мне Melted Metal, так принято делать на случай потери контакта движка потенциометра с резистивной дорожкой.

Что же касается правой части схемы, на ней изображена схема двухпорогового компаратора. Если вход схемы, обозначенный, как signal, имеет напряжение между low и high, на выходе схемы образуется высокое напряжение. В противном случае напряжение на выходе низкое.

На следующем фото изображена первая схема, собранная на макетной плате:

Пример использования LM339, собранный на макетке

Потенциометр слева задает напряжение на инвертирующем входе, а потенциометр справа — на неинвертирующем. Потенциометр по центру участвует в положительной обратной связи. Напряжение на обоих входах отображается при помощи миниатюрных цифровых вольтметров. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе выше эталонного, светодиод, подключенный к выходу компаратора, горит.

Обратите внимание, что на входы неиспользованных компараторов также подается высокое и низкое напряжение. Это увеличивает надежность работы схемы и уменьшает потребляемую ею электроэнергию. Не имеет значения, на какой из входов подается высокое напряжение, а на какой — низкое. Главное, чтобы выход каждого отдельного компаратора был строго определен.

Вторую схему в собранном виде здесь я не привожу. Так что, вам придется поверить мне на слово, что она работает 🙂

Помимо всех озвученных выше, следует иметь в виду еще пару важных моментов:

  • Через компаратор не следует пропускать слишком большой ток. Ток больше 20 мА может его сжечь;
  • Напряжение на выходе компаратора может быть как выше, так и ниже напряжения на любом из входов. То есть, выход можно питать от совершенно другого источника питания. А питание на саму микросхему при этом может идти от третьего. Для правильной работы микросхемы нужно только, чтобы все эти источники имели общую землю;

Последнее обстоятельство позволяет использовать компаратор в качестве преобразователя уровня сигнала. Кроме того, теперь наконец-то стало ясно, зачем были все эти сложности со внешним подтягивающим резистором.

Вообще, компаратор можно рассматривать, как очень простой вольтметр или АЦП. В частности, с его помощью не представляет труда собрать индикатор уровня заряда Li-Ion аккумулятора. Если же у вас есть лишний фоторезистор (см заметку Мои первые страшные опыты с Arduino) или фототранзистор, на базе компаратора можно сделать датчик освещения. Если же вместо фоторезистора воспользоваться термометром типа TMP36, можно собрать устройство, управляющее кулером или кондиционером, способное регулировать температуру.

Наконец, компаратор можно использовать в качестве логического элемента НЕ, а также, если соединить выходы нескольких компараторов, в качестве И. Отсюда несложно получить ИЛИ, по форуме x || y = !(!x && !y) , ровно как и любую другую булеву функцию. Само собой разумеется, при желании можно придумать и другие применения.

Счетверенный компаратор LM339N

Согласно техническим характеристикам микросхема lm339n и ее стандартные схемы включения разработаны американской компании Texas Instrument(TI). Она представляет собой счетверенный компаратор напряжения. Предназначен для создания функциональных генераторов. Широко применяется в устройствах автоматики и различной радиоэлектронной аппаратуре.

Описание

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

Распиновка микросхемы lm339(N)

Максимальные параметры

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

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

Принцип работы

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

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

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

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

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

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

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

Аналоги

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

Применение

Одну из возможных схем применения LM339 для индикатора заряда батареи на 12 В можно скачать по ссылке. Опорное напряжение 4,7 В в ней подается на неинвертирующие входы. Оно получено за счёт использования стабилитрона KC147 и сопротивления R5. Светодиоды разного цвета подключены катодом на открытый коллектор компаратора, а анодом на плюс источника питания через токоограничивающие резисторы.

Схема работает от источника питания, уровень которого она же и контролирует. Через резистивные делители к инвертирующим входам микросхемы подключены источники тестируемого напряжения. При полном заряде батареи загорится зеленый светодиод, при разряде — красный.

Производители

LM339(N) широко распространена в России от компании Texas Instrument. Вместе с тем, она так же встречаются от таких производителей: STM, On Semiconductor, Fairchild, Motorolla. Скачать даташит можно кликнув по наименованием.

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Эта статья содержит основную информацию о работе компараторов напряжения построенных на интегральных микросхемах и может быть использована в качестве справочного материала для построения различных схем.

В электронике, компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.

Компаратор, как правило, построен на дифференциальном усилителе с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)

Примеры работы компаратора приведены на основе микросхемы LM339 (счетверенный компаратора напряжений) и LM393 (сдвоенный компаратор напряжения). Эти две микросхемы по своему функционалу идентичны. Компаратор напряжения LM311 так же может быть использован в данных примерах, но он имеет ряд функциональных особенностей.

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

  1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
  2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Входное напряжение смещения и гистерезис

Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.

Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.

Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.

Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).

Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…

Похожие записи:

редактор

4 комментария

Если пишете что с однополярным источником питания, то почему вводите в заблуждение и указываете неправильную маркировку? + — это двуполярное питание. Если питание однополярное то нужно писать + и значок земли.

«Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.»

Это не так. Напряжение смещения является причиной того, что при замкнутых между собой прямом и инверсном входах через плечи входного дифференциального каскада протекают разные токи, хотя в идеале должны быть одинаковые. Напряжение смещения по определению представляет собой такую разность напряжений на входах, при которой токи в этих плечах становятся равными. Даже если вам попадется экземпляр компаратора у которого чисто случайно напряжение смещения окажется равным 0, то это никак не избавит его от того «что выходной транзистор не полностью открывается» при малых дифференциальных входных напряжениях. Причиной этого является не напряжение смещения, а конечный коэффициент усиления схемы. В некоторых компараторах для борьбы с логической неопределенностью на выходе вводят внутреннюю ПОС для образования гистерезиса, но не в обсуждаемых здесь микросхемах.

А вот выдержка из datasheet от TI на LM339:
«Overdrive voltage is the differential voltage produced between the positive and negative inputs of the comparator over the offset voltage. To make an accurate comparison, the overdrive voltage (V OD ) must be higher than the input offset voltage (V IO ). Overdrive voltage can also determine the response time of the comparator, with the response time decreasing with increasing overdrive.»

Отсюда видно что для гарантированно правильного срабатывания компаратора входной импульс должен иметь перепад больше (достаточно 1 мВ превышения, поскольку типичный коэффициент усиления для этих микросхем по напряжению порядка 50 В/мВ) чем напряжение смещения (которое гарантируется справочными данными не больше 9мВ, а для версии «A» не более 4мВ) т. к. из входного импульса как-бы вычитается напряжение смещения и дальше схема усиливает именно эту разность, а значит входной импульс будет однозначно определять выходной сигнал только если он по модулю превышает смещение. И еще при этом чем больше перепад тем быстрее появится отклик на выходе. Для входных импульсов 5мВ и 100мВ разница в задержке выходного сигнала может составлять 1/0,5мкс для положительного/отрицательного фронта.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector