Circuite comparatoare folosind IC 741, IC 311, IC 339

Funcția de bază a unui circuit comparator de a compara două niveluri de tensiune la pinii de intrare și de a produce o ieșire pentru a arăta care tensiune de intrare are un potențial mai mare decât celălalt.

În acest articol vom învăța în detaliu cum să proiectăm corect circuite comparatoare utilizând circuite integrate populare precum IC 741, IC 311 și IC LM339

Diferența dintre un comparator și un amplificator op

IC 741 este un exemplu ideal al unui singur amplificator operațional, iar IC LM311 poate fi considerat un bun exemplu de comparator unic dedicat.

Veți găsi ambele unități având un simbol identic al dispozitivului în formă de „triunghi”, pe care îl recunoaștem și îl folosim în mod normal pentru desenarea circuitelor de comparare. Cu toate acestea, răspunsul de ieșire al acestor două forme de comparatoare poate avea câteva diferențe majore.

Deși un amplificator op și un comparator pot fi configurate pentru a compara semnalele diferențiale la pinii de intrare, principalele diferențe dintre cei doi omologi sunt:

• În condiții de alimentare, ieșirea unui amplificator operațional va fi fie pozitivă, fie negativă, în funcție de nivelurile de tensiune ale pinului de intrare, dar nu poate fi niciodată deschisă. În schimb, o ieșire comparativă poate fi deschisă sau împământată (negativă) sau plutitoare.
• O ieșire amplificator operațional poate funcționa fără rezistențe de tragere sau de coborâre, dar un comparator va necesita întotdeauna un rezistor de tragere sau de coborâre extern pentru a permite ca etapa de ieșire să funcționeze normal.
• Un amplificator op poate fi utilizat pentru a construi circuite amplificatoare cu câștig ridicat, un comparator nu poate fi utilizat pentru astfel de aplicații.
• Răspunsul de comutare a ieșirii unui amplificator de operare este de obicei mai lent în comparație cu un CI de comparare.

Un design clasic al circuitului comparator poate fi văzut în următoarea figură:

Aici, ieșirea răspunde cu un semnal digital „ridicat”, ori de câte ori tensiunea la intrarea fără inversare (+) este mai mare decât intrarea de inversare (-). În mod opus, ieșirea se transformă într-un semnal digital scăzut, ori de câte ori tensiunea de intrare neinversibilă este mai mică decât tensiunea de intrare inversantă.

Referindu-ne la figura de mai sus, putem vedea o conexiune standard a unui circuit de comparare având o intrare (intrarea inversantă din acest exemplu) configurată cu o tensiune de referință, iar celălalt pin de intrare care este intrarea neinversibilă conectată la o tensiune de semnal de intrare .

În timpul în care Vin este menținut la o tensiune mai mică decât tensiunea de referință de +2 V, ieșirea rămâne scăzută la aproximativ -10 V. Dacă Vin este crescut chiar peste +2 V, ieșirea schimbă instantaneu starea și se întoarce la aproximativ + 10 V. Această schimbare de stare la ieșirea de la -10 V la +10 V indică faptul că Vin a devenit mai mare decât referința +2 V.

Componenta principală din interiorul oricărui comparator este un circuit amplificator op, care are un câștig de tensiune foarte mare. Pentru a studia corect funcționarea unui comparator putem lua exemplul IC 741, așa cum se arată mai jos:

Aici putem vedea pinul de intrare inversant2 (-) este referit la masă sau la un nivel de 0 V. Un semnal sinusoidal este aplicat pe pinul 3, care este intrarea noninversivă a amplificatorului op. Acest semnal sinusoidal alternativ face ca ieșirea să treacă între stările de ieșire ridicate și scăzute, așa cum este indicat în partea dreaptă a imaginii.

Când intrarea Vin se deplasează chiar și cu un milivolț peste referința de 0 V, diferența este amplificată de amplificatorul intern intern de câștig ridicat, determinând ieșirea să crească la nivelul de saturație pozitivă a ieșirii. Această condiție este menținută atât timp cât semnalul Vin rămâne peste referința 0 V.

Acum, de îndată ce nivelul semnalului scade o umbră sub referința de 0 V, ieșirea este condusă la nivelul său inferior de saturație. Din nou, această condiție este menținută atât timp cât semnalul de intrare Vin rămâne sub nivelul de referință 0 V.

Explicația de mai sus și forma de undă prezentată în imagine indică clar răspunsul digital al ieșirii pentru un semnal de intrare care variază liniar.

Pentru aplicații normale, nivelul de referință nu trebuie să fie la 0 V, ci poate fi orice nivel pozitiv conform cerințelor. Și, în cazul în care este necesar, referința poate fi, de asemenea, conectată fie la liniile de alimentare pozitive, fie la cele negative, în timp ce semnalul de intrare este aplicat la celălalt pin de intrare.

Utilizarea IC 741 ca comparator

În exemplul următor vom învăța cum să procedăm în mod eficient folosiți un amplificator op ca comparator

În figură putem vedea un circuit amplificator op care funcționează cu un set de referință pozitiv la pinul de intrare inversant (-). Ieșirea este atașată cu un LED.

Folosind formula rețelei de divizare a tensiunii, putem calcula valoarea tensiunii de referință pe pinul de intrare (-) al CI.

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

Deoarece această referință este asociată cu pinul (-) al IC-ului, dacă tensiunea Vin la intrarea (+) depășește această referință sau devine mai pozitivă decât referința, va forța ieșirea Vo să treacă la nivelul său de saturație pozitiv.

Acest lucru va face ca LED-ul să se lumineze, indicând faptul că Vin a devenit mai pozitiv decât nivelul de referință de +6 V.

În mod opus, dacă intrarea neinversibilă (+) este configurată ca pin de referință și Vin aplicat pinului de intrare inversantă (-), ieșirea va scădea de îndată ce intrarea Vin va intra sub valoarea de referință și invers.

Acest lucru va determina instantaneu stingerea LED-ului.

Prin urmare, LED-ul poate fi pornit sau oprit pentru un semnal de intrare dat, prin cablarea corespunzătoare a pinului de intrare cu nivelul de referință și semnalul de intrare.

Utilizarea unităților IC de comparare specializate

În mod normal, amplificatoarele de operare funcționează excelent ca circuite de comparare, dar utilizarea unui IC de comparare dedicat funcționează chiar mai bine decât un amplificator de operare pentru o aplicație de comparare.

IC-urile de comparare sunt proiectate în mod ideal pentru funcția de comparator și prezintă un răspuns îmbunătățit, cum ar fi comutarea mai rapidă la ieșirea dintre nivelurile pozitive și negative.

Aceste circuite integrate au o imunitate mai mare la zgomot și, de multe ori, ieșirile pot fi utilizate direct pentru a conduce o sarcină.

Să aflăm despre câteva IC-uri de comparare populare în detaliu, din următoarea discuție.

Circuit de comparare folosind IC 311

Figura de mai sus prezintă aspectul intern și detaliile pinout ale comparatorului IC 311. IC este proiectat să funcționeze și de la o sursă de alimentare dublă, în intervalul de +15 V și -15 V, care este un nivel standard compatibil pentru toți circuite integrate digitale moderne.

Etapa de ieșire din interiorul CI are un tranzistor bipolar, având terminale plutitoare de colector și emițător. Aceasta înseamnă că ieșirea de la acest tranzistor poate fi configurată poate fi configurată în două moduri diferite:

1. Prin adăugarea unui rezistor de tracțiune cu pinul colectorului 7 și împământarea pinului emițătorului 1, și ulterior folosind colectorul ca ieșire.
2. Prin alăturarea colectorului cu linia pozitivă și folosirea emițătorului ca ieșire.

Ieșirea tranzistorului poate fi, de asemenea, utilizată pentru acționarea unui releu sau a unei sarcini mici, cum ar fi o lampă direct, fără nici o etapă tampon externă.

IC are, de asemenea, un echilibru și o intrare stroboscopică care poate fi închisă cu ieșirea.

Vom discuta câteva aplicații utile ale acestui IC în următoarele secțiuni:

Figura de mai sus arată cum IC 311 poate fi configurat ca un detector de trecere zero comparator pentru a detecta tensiunea de intrare, ori de câte ori acesta traversează linia zero.

Intrarea inversă (-) a 311 poate fi văzută unită cu solul. În perioada în care semnalul de intrare este la nivelul pozitiv, tranzistorul de ieșire rămâne pornit, ceea ce creează un nivel scăzut (-10 în acest exemplu) la ieșire (colector de tranzistori).

De îndată ce semnalul de intrare devine negativ sau sub 0 V, tranzistorul este oprit. Acest lucru creează un + 10V pozitiv la ieșirea colectorului IC. Acest lucru ne permite să știm când semnalul de intrare este peste nivelul zero și când a scăzut sub nivelul zero.

Următoarea figură de mai jos arată cum poate fi utilizat comparatorul IC 311 pentru realizarea unui circuit stroboscopic.

În acest exemplu de circuit de comparare, pinul de ieșire 7 va crește când nivelul de tensiune pin3 crește peste referința pin2. Dar acest lucru se poate întâmpla numai în timp ce pinul de intrare stroboscop pin6 este scăzut sau la 0 V.

Când se aplică un stroboscop TTL ridicat la baza tranzistorului, pinul 6 devine scăzut, provocând oprirea tranzistorului de ieșire IC, permițând astfel pin7 să se ridice.

Ieșirea continuă să fie ridicată atâta timp cât intrarea TTL este menținută ridicată, indiferent de starea semnalului de intrare la pin3.

Cu toate acestea, dacă semnalul TTL este aplicat în formă stroboscopică, atunci ieșirea răspunde la semnalul de intrare de la pinul 3. Pur și simplu, ieșirea rămâne blocată la mare, cu excepția cazului în care pin6 este strobos.

Cum să conectați un releu la un comparator

Următoarea figură de mai jos arată cum se poate utiliza comparatorul 311 direct operați un releu .

Aici, când nivelul de tensiune la pinul 2 de intrare scade sub 0 V, pin3 devine mai pozitiv decât pin2. Acest lucru determină oprirea colectorului tranzistorului intern, care pornește releul. contactele releului ar putea fi conectat cu o sarcină mai grea pentru executarea unei acțiuni de comutare dorite.

Atâta timp cât intrarea (+) la pinul 2 rămâne sub 0 V, releul rămâne pornit. În schimb, când un semnal pozitiv este disponibil pe pin2, releul va rămâne oprit.

Circuit comparator folosind IC 339

IC 339, scris de asemenea popular ca LM339, este un IC comparator quad. Adică, include 4 comparatoare de tensiune separate ale căror intrări și ieșiri sunt terminate în mod corespunzător prin pinii externi respectivi ai pachetului IC, așa cum se arată mai jos.

La fel ca orice alt comparator, fiecare bloc de comparator are câteva intrări și o ieșire. Când CI este alimentat prin aplicarea de tensiune pe Vcc și pinii de alimentare la sol, alimentează împreună toate comparatoarele. Deci, chiar dacă se folosește un singur comparator, toate celelalte 3 ar consuma puțină energie.

Toți comparatorii au caracteristici exact identice, prin urmare putem analiza oricare dintre acestea pentru a învăța funcția de bază a comparatorului.

Atunci când se aplică o intrare diferențială pozitivă la bornele de intrare, adică atunci când diferența dintre semnalele aplicate este pozitivă, oprește tranzistorul de ieșire. Acest lucru face ca ieșirea să arate un circuit deschis sau o deschidere plutitoare.

Când intrarea diferențială este negativă, adică atunci când diferența dintre semnalele aplicate la pinii de intrare este negativă, pornește tranzistorul de ieșire al comparatorului, ceea ce face ca pinul de ieșire al comparatorului să devină negativ sau la potențialul V.

Referindu-ne la figura de mai sus, putem înțelege că atunci când intrarea non-inversantă (+) a CI este utilizată ca pin de referință, o tensiune mai mică decât această referință la pinul de intrare inversant (-) va avea ca rezultat ieșirea comparator pentru a deveni deschis. Pe de altă parte, dacă (-) este utilizat ca pin de referință, un nivel de tensiune la intrarea (+) mai mare decât referința va face ca ieșirea să devină negativă sau la V-

Pentru a afla cum funcționează IC 339 ca un comparator, următorul exemplu arată IC-ul ca un detector de trecere zero.

În momentul în care semnalul de intrare crește peste 0 V, ieșirea este ridicată la nivelul V +. Ieșirea este oprită la V- numai în timp ce intrarea este menținută sub 0 V.

După cum sa explicat anterior, nivelul de referință nu trebuie să fie 0 V, acesta poate fi schimbat la orice alt nivel dorit. În plus, puteți utiliza și celălalt pin de intrare (+) ca pin de referință și pinul de intrare (-) ca pin de intrare a semnalului pentru acceptarea semnalului de intrare diferit.

Avantajul de a avea o ieșire plutitoare în circuite integrate comparatoare

Așa cum s-a discutat în explicațiile anterioare, ieșirile comparatoarelor sunt comutate prin BJT care au ca ieșire un colector deschis. Acest lucru oferă avantajul de a conecta ieșirile a două comparatoare de la IC 339 direct la fel ca un SAU poartă .

Un exemplu frumos de circuit de comparare a ferestrelor poate fi văzut mai jos. Aici două blocuri comparatoare IC 339 sunt configurate cu un singur semnal de intrare comun, iar ieșirile sunt unite ca poarta SAU.

Ieșirea comparatorilor respectivi scade de fiecare dată când semnalul de intrare trece fie pragul inferior setat, fie pragul superior setat, permițând astfel utilizatorului să știe când semnalul este în afara nivelului ferestrei setate.

Un comparator de ferestre poate fi folosit pentru aplicații utile, cum ar fi protector de joasa tensiune circuit și tracker solar circuit etc.

Concluzie

Din explicațiile de mai sus, am aflat că:

Comparatoarele sunt practic unități care au două intrări complementare și o ieșire receptivă. Ieșirea devine ridicată sau scăzută atunci când nivelul de tensiune de pe una dintre intrări crește sau scade decât cealaltă intrare, în funcție de ce intrare este utilizată ca referință sau la un nivel de tensiune fix.

Deși un amplificator operațional poate fi folosit și ca un comparator, CI-urile de comparator specializate sunt mai bine concepute pentru a funcționa ca și comparatoarele.

IC-urile de comparare dedicate, cum ar fi LM311, LM339, sunt special concepute pentru aplicații de comparare, cu răspuns mai rapid și o capacitate flexibilă de ieșire de curent mare.

Dacă aveți întrebări conexe, nu ezitați să le întrebați prin caseta de comentarii de mai jos.