Συγκριτικά κυκλώματα που χρησιμοποιούν IC 741, IC 311, IC 339

Δοκιμάστε Το Όργανο Μας Για Την Εξάλειψη Των Προβλημάτων





Η βασική λειτουργία ενός συγκριτικού κυκλώματος για τη σύγκριση δύο επιπέδων τάσης στις ακίδες εισόδου του και την παραγωγή μιας εξόδου για να δείξει ποια τάση εισόδου έχει υψηλότερο δυναμικό από την άλλη.

Σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε περίπλοκα πώς να σχεδιάζουμε σωστά κυκλώματα σύγκρισης χρησιμοποιώντας δημοφιλή IC όπως IC 741, IC 311 και IC LM339



Διαφορά μεταξύ ενός συγκριτή και Op Amp

Το IC 741 είναι ένα ιδανικό παράδειγμα ενός απλού ενισχυτή και το IC LM311 μπορεί να θεωρηθεί καλό παράδειγμα ενός αποκλειστικού συγκριτή.

Θα βρείτε ότι και οι δύο αυτές μονάδες έχουν ένα ίδιο σύμβολο συσκευής σχήματος «τριγώνου» εσωτερικά, το οποίο συνήθως αναγνωρίζουμε και χρησιμοποιούμε για το σχεδιασμό κυκλωμάτων σύγκρισης. Ωστόσο, η απόκριση εξόδου αυτών των δύο μορφών συγκριτών μπορεί να έχει μερικές σημαντικές διαφορές.



Αν και ένα op amp και ένα συγκριτικό μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να συγκρίνουν διαφορικά σήματα στους ακροδέκτες εισόδου τους, οι κύριες διαφορές μεταξύ των δύο ομολόγων είναι:

  • Σε κατάσταση λειτουργίας, η έξοδος ενός op ενισχυτή θα είναι είτε θετική είτε αρνητική, ανάλογα με τα επίπεδα τάσης του πείρου εισόδου, αλλά δεν μπορεί ποτέ να είναι ανοιχτή. Αντίθετα, ένα συγκριτικό αποτέλεσμα μπορεί να είναι ανοιχτό ή γειωμένο (αρνητικό) ή κυμαινόμενο.
  • Μια έξοδος op amp μπορεί να λειτουργήσει χωρίς αντίσταση τραβήγματος προς τα πάνω ή τραβήγματος προς τα κάτω, αλλά ένας συγκριτής θα απαιτεί πάντα μια εξωτερική αντίσταση pull-up ή pull down για να επιτρέψει στο στάδιο εξόδου να λειτουργεί κανονικά.
  • Ένα op amp μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή κυκλωμάτων ενισχυτή υψηλού κέρδους, ένα συγκριτικό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τέτοιες εφαρμογές.
  • Η απόκριση μεταγωγής εξόδου ενός op amp είναι συνήθως πιο αργή σε σύγκριση με ένα συγκριτικό IC.

Ένας κλασικός σχεδιασμός κυκλώματος σύγκρισης φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα:

Εδώ, η έξοδος αποκρίνεται με ένα «υψηλό» ψηφιακό σήμα, όποτε η τάση στην είσοδο μη-αναστροφής (+) είναι υψηλότερη από την είσοδο αντιστροφής (-). Αντίθετα, η έξοδος μετατρέπεται σε χαμηλό ψηφιακό σήμα, όποτε η τάση εισόδου χωρίς μετατροπή είναι χαμηλότερη από την τάση εισόδου αντιστροφής.


Αναφερόμενος στο παραπάνω σχήμα, μπορούμε να δούμε μια τυπική σύνδεση ενός κυκλώματος σύγκρισης που έχει μία είσοδο (η αντίστροφη είσοδος σε αυτό το παράδειγμα) διαμορφωμένη με μια τάση αναφοράς και τον άλλο ακροδέκτη εισόδου που είναι η μη αναστρέψιμη είσοδος συνδεδεμένη σε μια τάση σήματος εισόδου .

Κατά τη διάρκεια του χρόνου το Vin διατηρείται σε χαμηλότερη τάση από την τάση αναφοράς +2 V, η έξοδος παραμένει χαμηλή σε περίπου -10 V. Εάν το Vin αυξηθεί λίγο πάνω από +2 V, η έξοδος αλλάζει αμέσως την κατάσταση και μετατρέπεται υψηλή σε περίπου + 10 V. Αυτή η αλλαγή κατάστασης στην έξοδο από -10 V σε +10 V δείχνει ότι το Vin έχει γίνει υψηλότερο από το σημείο αναφοράς +2 V.

Το κύριο συστατικό μέσα σε οποιονδήποτε συγκριτή είναι ένα κύκλωμα op amp, το οποίο ρυθμίζεται σε πολύ υψηλή τάση. Για να μελετήσουμε με ακρίβεια τη λειτουργία ενός συγκριτή μπορούμε να πάρουμε το παράδειγμα του IC 741, όπως φαίνεται παρακάτω:

Κυματομορφή συγκριτικού εξόδου IC 741

Εδώ μπορούμε να δούμε ότι ο ακροδέκτης εισόδου 2 (-) αναφέρεται στη γείωση ή σε επίπεδο 0 V. Ένα ημιτονοειδές σήμα εφαρμόζεται στο pin3 που είναι η μη αναστρέψιμη είσοδος του op amp. Αυτό το εναλλασσόμενο ημιτονοειδές σήμα προκαλεί την εναλλαγή της εξόδου μεταξύ καταστάσεων υψηλής και χαμηλής εξόδου, όπως υποδεικνύεται στη δεξιά πλευρά της εικόνας.

Όταν η είσοδος Vin κινείται ακόμη και ένα millivolt πάνω από την αναφορά 0 V, η διαφορά ενισχύεται από τον εσωτερικό ενισχυτή υψηλής απόδοσης του IC, προκαλώντας την έξοδο να φτάσει ψηλά στο επίπεδο θετικού κορεσμού εξόδου. Αυτή η συνθήκη διατηρείται για όσο διάστημα το σήμα Vin παραμένει πάνω από την τιμή αναφοράς 0 V.

Τώρα, μόλις το επίπεδο σήματος πέσει μια σκιά κάτω από την αναφορά 0 V, η έξοδος οδηγείται στο χαμηλότερο επίπεδο κορεσμού. Και πάλι, αυτή η συνθήκη διατηρείται εφόσον το σήμα εισόδου Vin παραμένει κάτω από το επίπεδο αναφοράς 0 V.

Η παραπάνω εξήγηση και η κυματομορφή που παρουσιάζονται στην εικόνα δείχνουν σαφώς την ψηφιακή απόκριση της εξόδου για ένα γραμμικά μεταβαλλόμενο σήμα εισόδου.

Για κανονικές εφαρμογές, το επίπεδο αναφοράς δεν πρέπει να είναι 0 V, αλλά μπορεί να είναι οποιοδήποτε θετικό επίπεδο σύμφωνα με την απαίτηση. Και, στην περίπτωση που απαιτείται, η αναφορά μπορεί επίσης να συνδεθεί είτε με τις θετικές είτε με τις αρνητικές γραμμές τροφοδοσίας, ενώ το σήμα εισόδου εφαρμόζεται στον άλλο ακροδέκτη εισόδου.

Χρήση του IC 741 ως Συγκριτή

Στο παρακάτω παράδειγμα θα μάθουμε πώς να το κάνουμε αποτελεσματικά χρησιμοποιήστε ένα op amp ως συγκριτικό

IC 741 συγκριτής για τη λειτουργία ενός LED

Στο σχήμα μπορούμε να δούμε ένα κύκλωμα op amp που λειτουργεί με ένα θετικό σετ αναφοράς στον ακροδέκτη εισόδου του (-). Η έξοδος συνδέεται με LED.

Χρησιμοποιώντας τον τύπο δικτύου διαχωριστή τάσης, μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή τάσης αναφοράς στον ακροδέκτη εισόδου (-) του IC.

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

Δεδομένου ότι αυτή η αναφορά σχετίζεται με (-) ακίδα του IC, εάν η τάση Vin στην είσοδο (+) πηγαίνει υψηλότερη από αυτήν την αναφορά ή γίνεται πιο θετική από την αναφορά, θα αναγκάσει την έξοδο Vo να μεταβεί στο επίπεδο θετικού κορεσμού.

Αυτό θα κάνει το LED να ανάψει, υποδεικνύοντας ότι το Vin έχει γίνει πιο θετικό από το επίπεδο αναφοράς των +6 V.

Αντίθετα, εάν η μη αναστρέψιμη είσοδος (+) έχει διαμορφωθεί ως ο πείρος αναφοράς και ο Vin εφαρμόζεται στον ακροδέκτη εισόδου αντιστροφής (-), η έξοδος θα μειωθεί μόλις η είσοδος Vin πέσει κάτω από την τιμή αναφοράς και το αντίστροφο.

Αυτό θα προκαλέσει αμέσως το LED να σβήσει.

Επομένως, το LED μπορεί να δημιουργηθεί για να ενεργοποιεί ή να απενεργοποιεί ένα δεδομένο σήμα εισόδου, καλωδιώνοντας κατάλληλα τον πείρο εισόδων με το επίπεδο αναφοράς και το σήμα εισόδου.

Χρήση εξειδικευμένων συγκριτικών μονάδων IC

Κανονικά, οι ενισχυτές op λειτουργούν πολύ καλά ως κυκλώματα σύγκρισης, αλλά η χρήση ενός αποκλειστικού IC συγκριτικής λειτουργίας λειτουργεί ακόμα καλύτερα από ένα op amp για μια εφαρμογή σύγκρισης.

Τα συγκριτικά IC είναι ειδικά σχεδιασμένα ιδανικά για λειτουργία σύγκρισης και δείχνουν βελτιωμένη απόκριση, όπως ταχύτερη εναλλαγή στην έξοδο μεταξύ θετικών και αρνητικών επιπέδων.

Αυτά τα IC διαθέτουν μεγαλύτερη ανοσία στον θόρυβο, και σε πολλές περιπτώσεις οι έξοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα για την οδήγηση φορτίου.

Ας μάθουμε λεπτομερώς για μερικά δημοφιλή IC σύγκρισης, από την ακόλουθη συζήτηση.

Συγκριτικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας IC 311

Απλοποιημένο σχηματικό LM311 Λεπτομέρειες pinout συγκριτή IC 311

Η παραπάνω εικόνα δείχνει την εσωτερική διάταξη και τις λεπτομέρειες pinout του συγκριτή IC 311. Το IC έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί και από διπλή τροφοδοσία ισχύος, στην περιοχή των +15 V και -15 V, το οποίο είναι ένα τυπικό συμβατό επίπεδο για όλους σύγχρονα ψηφιακά IC.

Το στάδιο εξόδου μέσα στο IC έχει διπολικό τρανζίστορ, που έχει πλωτούς ακροδέκτες συλλέκτη και εκπομπής. Αυτό σημαίνει ότι η έξοδος από αυτό το τρανζίστορ μπορεί να διαμορφωθεί μπορεί να διαμορφωθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους:

  1. Προσθέτοντας μια αντίσταση έλξης με τον πείρο συλλέκτη7 και γειώνοντας τον πείρο εκπομπού1 και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας τον συλλέκτη ως έξοδο.
  2. Συνδέοντας τον συλλέκτη με τη θετική γραμμή και χρησιμοποιώντας τον πομπό ως έξοδο.

Η έξοδος τρανζίστορ μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση ενός ρελέ ή ενός μικρού φορτίου όπως μια λάμπα απευθείας χωρίς κανένα εξωτερικό στάδιο αποθήκευσης.

Το IC διαθέτει επίσης μια ισορροπία και μια είσοδο στροβοσκόπιο που μπορούν να περιφραγθούν με την έξοδο.

Θα συζητήσουμε μερικές χρήσιμες εφαρμογές αυτού του IC στις ακόλουθες ενότητες:

Εσωτερική διάταξη LM311 με έξοδο συνδεδεμένη με αντίσταση pull up

Το παραπάνω σχήμα δείχνει πώς μπορεί να διαμορφωθεί το IC 311 όπως ένα ανιχνευτής διέλευσης μηδέν συγκριτής για την αίσθηση της τάσης εισόδου, όποτε διασχίζει τη μηδενική γραμμή.

Η αντίστροφη είσοδος (-) του 311 μπορεί να φανεί συνδεδεμένη με το έδαφος. Κατά τη διάρκεια της περιόδου το σήμα εισόδου βρίσκεται στο θετικό επίπεδο, το τρανζίστορ εξόδου παραμένει ενεργοποιημένο, το οποίο δημιουργεί ένα χαμηλό (-10 σε αυτό το παράδειγμα) στην έξοδο (συλλέκτης τρανζίστορ).

Μόλις το σήμα εισόδου γίνει αρνητικό ή κάτω από 0 V, το τρανζίστορ απενεργοποιείται. Αυτό δημιουργεί θετικό + 10V στην έξοδο συλλέκτη του IC. Αυτό μας επιτρέπει να γνωρίζουμε πότε το σήμα εισόδου είναι πάνω από το επίπεδο μηδέν και πότε έχει πέσει κάτω από το επίπεδο μηδέν.

Το επόμενο σχήμα δείχνει πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο συγκριτής IC 311 για την κατασκευή ενός στροβοσκοπικού κυκλώματος.

Σε αυτό το παράδειγμα κυκλώματος σύγκρισης, η έξοδος pin7 θα γυρίσει υψηλή όταν το επίπεδο τάσης pin3 ανεβαίνει πάνω από την αναφορά pin2. Αλλά αυτό μπορεί να συμβεί μόνο όταν ο ακροδέκτης εισόδου στροβοσκόπιο pin6 είναι χαμηλός ή 0 V.

LM311 ως κύκλωμα σύγκρισης στροβοσκόπιο

Όταν εφαρμόζεται ένα υψηλό στροβοσκόπιο TTL στη βάση του τρανζίστορ, ο πείρος 6 γίνεται χαμηλός, προκαλώντας την απενεργοποίηση του τρανζίστορ εξόδου IC και επιτρέποντας έτσι στο pin7 να ανέβει ψηλά.

Η έξοδος συνεχίζει να είναι υψηλή όσο η είσοδος TTL διατηρείται υψηλή, ανεξάρτητα από την κατάσταση σήματος εισόδου στο pin3.

Ωστόσο, εάν το σήμα TTL εφαρμόζεται σε στροβοσκοπική μορφή, τότε η έξοδος ανταποκρίνεται στο σήμα εισόδου στο pin3. Με απλά λόγια, η έξοδος παραμένει κλειδωμένη στο υψηλό, εκτός αν το pin6 είναι στροβιλισμένο.

Πώς να συνδέσετε ένα ρελέ με έναν συγκριτή

Το επόμενο σχήμα δείχνει πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας ο συγκριτής 311 χειριστείτε ένα ρελέ .

LM311 ως συγκριτής ελέγχου ρελέ

Εδώ, όταν το επίπεδο τάσης στο pin2 εισόδου πέσει κάτω από 0 V, το pin3 γίνεται πιο θετικό από το pin2. Αυτό αναγκάζει τον συλλέκτη του εσωτερικού τρανζίστορ να απενεργοποιηθεί, το οποίο ενεργοποιεί το ρελέ. ο επαφές του ρελέ θα μπορούσε να συνδεθεί με ένα βαρύτερο φορτίο για την εκτέλεση μιας επιθυμητής ενέργειας εναλλαγής.

Εφόσον η είσοδος (+) στο pin2 παραμένει κάτω από 0 V, το ρελέ παραμένει ενεργοποιημένο. Αντίθετα, όταν υπάρχει θετικό σήμα στο pin2, το ρελέ θα παραμείνει απενεργοποιημένο.

Συγκριτικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας IC 339

Το IC 339, επίσης ευρέως γραμμένο ως LM339, είναι ένα IC τετραπλού συγκριτή. Δηλαδή, περιλαμβάνει 4 ξεχωριστούς συγκριτές τάσης των οποίων οι είσοδοι και οι έξοδοι τερματίζονται κατάλληλα μέσω των αντίστοιχων εξωτερικών ακίδων του πακέτου IC, όπως φαίνεται παρακάτω.

Σχέδιο pinout LM339

Όπως κάθε άλλος συγκριτής, κάθε συγκριτικό μπλοκ έχει μερικές εισόδους και μία έξοδο. Όταν το IC τροφοδοτείται με εφαρμογή τάσης σε όλη την Vcc και στους πείρους τροφοδοσίας γείωσης, ενεργοποιεί όλους τους συγκριτές μαζί. Έτσι, ακόμη και αν χρησιμοποιείται ένα μόνο συγκριτικό, όλοι οι άλλοι 3 θα καταναλώνουν κάποια ισχύ.

Όλοι οι συγκριτές έχουν ακριβώς ίδια χαρακτηριστικά, επομένως μπορούμε να αναλύσουμε οποιοδήποτε από αυτά για να μάθουμε τη βασική λειτουργία σύγκρισης.

Διαμόρφωση LM339 pin

Όταν μια θετική διαφορική είσοδος εφαρμόζεται στα τερματικά εισόδου, που σημαίνει ότι όταν η διαφορά μεταξύ των εφαρμοζόμενων σημάτων είναι θετική, απενεργοποιεί το τρανζίστορ εξόδου. Αυτό αναγκάζει την έξοδο να δείχνει ένα ανοιχτό κύκλωμα ή ένα ανοιχτό ανοιχτό κύκλωμα.

Όταν η διαφορική είσοδος είναι αρνητική, δηλαδή όταν η διαφορά μεταξύ των εφαρμοζόμενων σημάτων στους ακροδέκτες εισόδου είναι αρνητική, ανάβει το τρανζίστορ εξόδου του συγκριτή, το οποίο αναγκάζει τον πείρο εξόδου του συγκριτή να γίνει αρνητικός ή στο δυναμικό V.

Αναφερόμενος στο παραπάνω σχήμα, μπορούμε να κατανοήσουμε ότι όταν η μη αναστρέψιμη (+) είσοδος του IC χρησιμοποιείται ως πείρος αναφοράς, μια τάση χαμηλότερη από αυτήν την αναφορά στον αντιστρόφιο ακροδέκτη εισόδου (-) θα έχει ως αποτέλεσμα την έξοδο του συγκριτής για να γίνει ανοιχτός. Από την άλλη πλευρά, εάν το (-) χρησιμοποιείται ως πείρος αναφοράς, ένα επίπεδο τάσης στην είσοδο (+) υψηλότερο από το σημείο αναφοράς θα προκαλέσει την έξοδο αρνητική ή στο V-

Για να μάθετε πώς λειτουργεί το IC 339 σαν συγκριτικό, το ακόλουθο παράδειγμα δείχνει το IC ως ανιχνευτή μηδενικής διέλευσης.

LM339 συγκριτική κυματομορφή μεταγωγής

Τη στιγμή που το σήμα εισόδου ανεβαίνει πάνω από 0 V, η έξοδος μετατρέπεται σε υψηλό επίπεδο V +. Η έξοδος απενεργοποιείται μόνο στο V, ενώ η είσοδος διατηρείται κάτω από 0 V.

Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, το επίπεδο αναφοράς δεν χρειάζεται να είναι 0 V, αλλά μπορεί να αλλάξει σε οποιοδήποτε άλλο επιθυμητό επίπεδο. Επιπλέον, μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τον άλλο πείρο εισόδου (+) ως τον πείρο αναφοράς και τον πείρο εισόδου (-) ως τον πείρο εισόδου σήματος για αποδοχή του ποικίλου σήματος εισόδου.

Πλεονέκτημα της ύπαρξης κυμαινόμενης παραγωγής σε συγκριτικά IC

Όπως συζητήθηκε στις προηγούμενες εξηγήσεις, η έξοδος συγκριτών αλλάζει μέσω BJT που έχουν ανοιχτό συλλέκτη ως έξοδο. Αυτό δίνει το πλεονέκτημα της σύνδεσης των εξόδων δύο συγκριτών από το IC 339 απευθείας όπως Ή πύλη .

Ένα ωραίο παράδειγμα κυκλώματος σύγκρισης παραθύρων φαίνεται παρακάτω. Εδώ διαμορφώνονται δύο μπλοκ συγκριτών IC 339 με ένα κοινό κοινό σήμα εισόδου και οι έξοδοι ενώνονται όπως η πύλη OR.

LM339 ως συγκριτικό παραθύρων

Η έξοδος των αντίστοιχων συγκριτών πηγαίνει χαμηλή κάθε φορά που το σήμα εισόδου διασχίζει είτε το κατώτερο κατώφλι είτε το ανώτερο κατώτατο όριο, επιτρέποντας έτσι στον χρήστη να γνωρίζει πότε το σήμα είναι εκτός του καθορισμένου επιπέδου παραθύρου.

Ένας συγκριτής παραθύρων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για χρήσιμες εφαρμογές όπως προστατευτικό υψηλής τάσης κύκλωμα και ηλιακός ανιχνευτής κύκλωμα κ.λπ.

συμπέρασμα

Από τις παραπάνω εξηγήσεις, μάθαμε ότι:

Οι συγκριτές είναι βασικά μονάδες που έχουν δύο συμπληρωματικές εισόδους και μία αποκριτική έξοδο. Η έξοδος γυρίζει υψηλή ή χαμηλή όταν το επίπεδο τάσης σε μία από τις εισόδους πηγαίνει υψηλότερα ή χαμηλότερα από την άλλη είσοδο, ανάλογα με την είσοδο που χρησιμοποιείται ως αναφορά ή σε σταθερό επίπεδο τάσης.

Αν και ένα op amp μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σαν συγκριτής, τα εξειδικευμένα συγκριτικά IC είναι καλύτερα σχεδιασμένα ώστε να λειτουργούν σαν συγκριτικά.

Αποκλειστικά IC συγκριτή όπως LM311, LM339 είναι ειδικά σχεδιασμένα για εφαρμογή σύγκρισης, με ταχύτερη απόκριση και ευέλικτη ικανότητα εξόδου υψηλής ροής.

Εάν έχετε οποιεσδήποτε σχετικές ερωτήσεις, μη διστάσετε να τις ρωτήσετε μέσω του παρακάτω πλαισίου σχολίων.




Προηγούμενο: Πώς λειτουργούν οι μετασχηματιστές Επόμενο: Αμφίδρομος διακόπτης