Сравнителни схеми, използващи IC 741, IC 311, IC 339

Основната функция на сравнителната верига е да сравнява две нива на напрежение във входните си щифтове и да произвежда изход, за да покаже кое входно напрежение има по-голям потенциал от другото.

В тази статия ще научим подробно как правилно да проектираме схеми за сравнение, използвайки популярни интегрални схеми като IC 741, IC 311 и IC LM339

Разлика между компаратора и операционния усилвател

IC 741 е идеален пример за единичен усилвател и IC LM311 може да се счита за добър пример за специален единичен компаратор.

Ще откриете, че и двата модула имат идентичен символ на устройство с форма на триъгълник, който обикновено разпознаваме и използваме за чертане на сравнителни схеми. Изходният отговор на тези две форми на компаратори обаче може да има няколко основни разлики.

Въпреки че операционният усилвател и компараторът могат да бъдат конфигурирани да сравняват диференциални сигнали на техните входни щифтове, основните разлики между двата аналога са:

• В захранвано състояние изходът на операционния усилвател ще бъде положителен или отрицателен в зависимост от нивата на напрежение на входния щифт, но никога не може да бъде отворен. За разлика от това изходът за сравнение може да бъде или отворен, или заземен (отрицателен), или плаващ.
• Изходът на операционния усилвател може да работи без издърпващи или издърпващи резистори, но за сравнение винаги ще е необходим външен издърпващ или издърпващ резистор, за да може изходният етап да работи нормално.
• Операционният усилвател може да се използва за изграждане на усилвателни вериги с високо усилване, а за такива приложения не може да се използва компаратор.
• Изходният превключващ отговор на операционния усилвател обикновено е по-бавен в сравнение с IC за сравнение.

Класически дизайн на схемата за сравнение може да се види на следната фигура:

Тук изходът реагира с „висок“ цифров сигнал, когато напрежението на неинвертиращия (+) вход е по-високо от инвертиращия (-) вход. Обратно, изходът се превръща в нисък цифров сигнал, когато неинвертиращото входно напрежение е по-ниско от инвертиращото входно напрежение.

Позовавайки се на горната фигура по-горе, можем да видим стандартна връзка на верига за сравнение, имаща един вход (инвертиращия вход в този пример), конфигуриран с референтно напрежение, и другия входен щифт, който е неинвертиращият вход, свързан към напрежение на входния сигнал .

По време на времето, когато Vin се задържа при по-ниско напрежение от референтното напрежение от +2 V, изходът остава нисък при около -10 V. Ако Vin се увеличи малко над +2 V, изходът незабавно променя състоянието си и се превръща високо до около + 10 V. Тази промяна на състоянието на изхода от -10 V до +10 V показва, че Vin е станал по-висок от еталонните +2 V.

Основният компонент във всеки компаратор е операционна усилвателна схема, която е настроена на много високо напрежение. За да проучим точно работата на компаратора, можем да вземем примера на IC 741, както е показано по-долу:

Тук можем да видим, че инвертиращият входен щифт2 (-) е свързан със земя или ниво 0 V. Синусоидален сигнал се подава на pin3, който е неинвертиращият вход на операционния усилвател. Този алтернативно променлив синусоидален сигнал кара изхода да превключва между високо и ниско състояние на изхода, както е показано в дясната страна на изображението.

Когато входният Vin премести дори миливолт над референтната стойност от 0 V, разликата се усилва от вътрешния усилвател на усилвателя на IC с висока печалба, което кара изхода да отиде високо при положителното ниво на насищане на изхода. Това състояние се поддържа, докато Vin сигналът остава над 0 V еталон.

Веднага щом нивото на сигнала падне на сянка под референтната стойност от 0 V, изходът се насочва към по-ниското ниво на насищане. Отново това условие се поддържа, докато входният сигнал Vin остава под референтното ниво 0 V.

Горното обяснение и формата на вълната, представени на изображението, ясно показват цифровия отговор на изхода за линейно променлив входен сигнал.

За нормални приложения референтното ниво не трябва да бъде на 0 V, а може да бъде всяко положително ниво според изискването. И, в случай че се изисква, референтът може да бъде свързан или към положителните или отрицателните захранващи линии, докато входният сигнал се подава към другия входен щифт.

Използване на IC 741 като компаратор

В следващия пример ще научим как ефективно използвайте операционен усилвател като сравнителен

На фигурата можем да видим операционна усилвателна верига, работеща с положителен референтен набор в инвертиращия си входен щифт (-). Изходът е прикрепен с LED.

Използвайки формулата на мрежата на делителя на напрежението, можем да изчислим референтната стойност на напрежението на (-) входния щифт на IC.

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

Тъй като тази референция е свързана с (-) щифт на IC, ако напрежението Vin на (+) входа стане по-високо от тази референция или стане по-положително от референтното, ще принуди изхода Vo да превключи на положителното си ниво на насищане.

Това ще доведе до светване на светодиода, което показва, че Vin е станал по-положителен от референтното ниво от +6 V.

Обратно, ако неинвертиращият вход (+) е конфигуриран като референтен щифт и Vin се прилага към инвертиращия входен (-) щифт, изходът ще намалее, веднага щом входът Vin намалее под референтната стойност, и обратно.

Това незабавно ще доведе до изключване на светодиода.

Следователно светодиодът може да бъде включен или изключен за даден входен сигнал, чрез подходящо свързване на щифта на входовете с референтното ниво и входния сигнал.

Използване на специализирани сравнителни IC единици

Обикновено операционните усилватели работят чудесно като схеми за сравнение, но използването на специален IC за сравнение работи дори по-добре от операционния усилвател за приложение за сравнение.

Сравнителните интегрални схеми са специално идеално проектирани за функция за сравнение и показват подобрена реакция, като например по-бързо превключване на изхода между положителното и отрицателното ниво.

Тези интегрални схеми притежават по-висока устойчивост на шум и в много случаи изходите могат да се използват директно за задвижване на товар.

Нека научим за няколко популярни сравнителни интегрални схеми в детайли от следващата дискусия.

Сравнителна схема, използваща IC 311

Фигурата по-горе показва вътрешното оформление и подробностите за пиновете на компаратора IC 311. IC е проектиран да работи и от двойно захранване, в диапазона от +15 V и -15 V, което е стандартно съвместимо ниво за всички съвременни цифрови интегрални схеми.

Изходният каскад вътре в ИС има биполярен транзистор, имащ плаващи колекторни и емитерни клеми. Това означава, че изходът от този транзистор може да бъде конфигуриран, може да бъде конфигуриран по два различни начина:

1. Чрез добавяне на издърпващ резистор с колекторния щифт7 и заземяване на емитерния щифт1 и впоследствие използване на колектора като изход.
2. Чрез свързване на колектора с положителната линия и използване на излъчвателя като изход.

Изходът на транзистора може да се използва и за задвижване на реле или малък товар, като лампа директно без външен буферен каскад.

IC също разполага с баланс и стробоскоп, който може да се затвори с изхода.

Ще обсъдим няколко полезни приложения на този IC в следващите раздели:

Фигурата по-горе показва как IC 311 може да бъде конфигуриран като a детектор за пресичане на нула компаратор, за да усети входното напрежение, когато пресича нулевата линия.

Обръщащият се вход (-) на 311 може да се види свързан със земята. По време на периода входният сигнал е на положително ниво, изходният транзистор остава включен, което създава ниско (-10 в този пример) на изхода (транзисторен колектор).

Веднага щом входният сигнал стане отрицателен или под 0 V, транзисторът се изключва. Това създава положително + 10V на изхода на колектора на IC. Това ни позволява да знаем кога входният сигнал е над нулевото ниво и кога е паднал под нулевото ниво.

Следващата фигура по-долу показва как сравнителят IC 311 може да се използва за направата на стробоскоп.

В този пример за сравнителна схема изходният щифт7 ще се превърне в висок, когато нивото на напрежение на pin3 се повиши над референтната стойност на pin2. Но това може да се случи само докато входният щифт на щрих pin6 е нисък или при 0 V.

Когато в основата на транзистора се приложи стробоскоп с висок TTL, pin6 става нисък, което кара IC изходния транзистор да се изключи и по този начин позволява pin7 да отиде високо.

Изходът продължава да бъде висок, докато TTL входът се държи високо, независимо от състоянието на входния сигнал на pin3.

Ако обаче TTL сигналът се прилага в стробовидна форма, тогава изходът реагира на входния сигнал на pin3. Казано по-просто, изходът остава заключен на високо, освен ако pin6 не е стробиран.

Как да свържете реле с компаратор

Следващата фигура по-долу показва как сравнител 311 може да се използва директно управлявайте реле .

Тук, когато нивото на напрежение на входния pin2 падне под 0 V, pin3 става по-положителен от pin2. Това води до изключване на колектора на вътрешния транзистор, който включва релето. The контакти на релето може да бъде свързан с по-голямо натоварване за изпълнение на желано превключващо действие.

Докато входът (+) на pin2 остава под 0 V, релето остава включено. И обратно, когато има положителен сигнал на pin2, релето ще остане изключено.

Сравнителна схема, използваща IC 339

IC 339, известен също като LM339, е четириядрен компаратор IC. Това означава, че включва 4 отделни компаратора на напрежение, чиито входове и изходи са подходящо завършени чрез съответните външни щифтове на IC пакета, както е показано по-долу.

Подобно на всеки друг компаратор, всеки блок за сравнение има няколко входа и един изход. Когато IC се захранва чрез подаване на напрежение през Vcc и захранващи щифтове, той захранва всички компаратори заедно. Така че дори ако се използва единичен компаратор, всички останали 3 ще консумират малко енергия.

Всички компаратори имат точно идентични характеристики, поради което можем да анализираме някоя от тях, за да научим основната функция за сравнение.

Когато положителен диференциален вход е приложен през входните клеми, което означава, че когато разликата между приложените сигнали е положителна, той изключва изходния транзистор. Това кара изхода да показва отворена верига или плаващ отворен.

Когато диференциалният вход е отрицателен, което означава, че когато разликата между приложените сигнали на входните щифтове е отрицателна, той включва изходния транзистор на компаратора, което кара изходния щифт на компаратора да се превърне отрицателен или при V-потенциал.

Позовавайки се на фигурата по-горе, можем да разберем, че когато неинвертиращият (+) вход на интегралната схема се използва като референтен щифт, напрежение по-ниско от това референтно на инвертиращия входен щифт (-) ще доведе до изхода на сравнителен да стане отворен. От друга страна, ако (-) се използва като референтен щифт, ниво на напрежение на (+) входа, по-високо от референтното, ще доведе до превръщане на изхода към отрицателно или при V-

За да научите как IC 339 работи като компаратор, следващият пример показва IC като детектор за пресичане на нула.

В момента, в който входният сигнал се повиши над 0 V, изходът се превръща високо на ниво V +. Изходът се изключва при V-, докато входът се задържа под 0 V.

Както беше обяснено по-рано, референтното ниво не трябва да бъде 0 V, то може да бъде променено на всяко друго желано ниво. Освен това можете да използвате и другия входен щифт (+) като референтен щифт, а (-) входния щифт като входен щифт за сигнал за приемане на променливия входен сигнал.

Предимство да има плаващ изход в сравнителни интегрални схеми

Както беше обсъдено в предишните обяснения, изходът на компараторите се превключва през BJT, който има отворен колектор като изход. Това дава предимството да свържете изходите на два компаратора от IC 339 директно точно като ИЛИ порта .

Хубав пример за схема за сравнение на прозорци може да се види по-долу. Тук два блока за сравнение IC 339 са конфигурирани с един общ входен сигнал и изходите са свързани като ИЛИ порта.

Изходът на съответните компаратори намалява, когато входният сигнал премине или долния или горния зададен праг, като по този начин дава възможност на потребителя да знае кога сигналът е извън зададеното ниво на прозореца.

Сравнител на прозорци може да се използва за полезни приложения като протектор с високо ниско напрежение верига и слънчев тракер верига и т.н.

Заключение

От горните обяснения научихме, че:

Компараторите са основно единици, които имат два допълващи входа и един реагиращ изход. Изходът се превръща в високо или ниско, когато нивото на напрежение на един от входовете отива по-високо или по-ниско от другия вход, в зависимост от това кой вход се използва като еталон или при фиксирано ниво на напрежение.

Въпреки че операционният усилвател може да се използва и като компаратор, специализираните интегрални схеми за сравнение са по-добре проектирани да работят като компаратори.

Специализирани интегрални схеми за сравнение като LM311, LM339 са специално проектирани за приложение за сравнение, с по-бърза реакция и гъвкава висока мощност.

Ако имате някакви свързани въпроси, моля не се колебайте да ги зададете чрез полето за коментари по-долу.