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 | 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 | 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 | 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 | |
| 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: http://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
www.compel.ru
КОМПАРАТОРЫ И ПОЛИКОМПАРАТОРНЫЕ МИКРОСХЕМЫ в устройствах на микросхемах
Компараторами называют электронные устройства, предназначенные для сравнения двух или более электрических величин. Компараторы часто используют для преобразования аналогового сигнала в цифровой, а также для восстановления формы искаженных цифровых сигналов. Компаратор может использоваться в качестве порогового устройства, срабатывающего в случае, если входной контролируемый сигнал превысит по величине сигнал заданный, опорный.
По виду сравниваемых входных сигналов компараторы подразделяют на две группы: аналоговые; цифровые.
Учитывая специфику данной монографии, ограничимся описанием аналоговых компараторов.
Аналоговый компаратор можно представить как простейший однобитный аналого-цифровой преобразователь. Выходной сигнал такого компаратора представлен, как правило, двумя возможными значениями, соответствующими уровням входного сигнала больше или меньше некоторой заданной пользователем величины:
♦ уровнем логической единицы;
♦ уровнем логического нуля.
В связи с этим важнейшими характеристиками компаратора являются величина и стабильность уровня (порога) перехода устройства из одного стабильного состояния в другое.
Зависимость выходного напряжения компаратора UBbIX от уровня входного UBX можно представить как
где Uon — опорное напряжение (напряжение сравнения).
Или, иными словами,
Компараторы чаще всего используют в пороговых, релейных схемах, устройствах контроля критически значимых величин.
Помимо основного назначения компараторы способны работать в качестве генераторов импульсов, аналого-цифровых преобразователях, схемах согласования логических уровней, схемах очистки зашумленных цифровых сигналов и т. д. Менее распространены двух- или более пороговые компараторы, которые наиболее часто применяют в простых индикаторах уровня входного сигнала, например, в светодиодных шкалах.
Компараторы по своему назначению или особенностям строения можно подразделить на такие группы:
♦ высоковольтные;
♦ низковольтные;
♦ маломощные компараторы, в том числе с источником опорного напряжения, в качестве которого может быть использован ОУ;
♦ повышенной выходной мощности, в том числе с защитой от перегрузки;
♦ высокоскоростные или повышенного быстродействия;
♦ с открытом выходом, выходом на КМОП, транзисторнотранзисторной или эмиттерно-связанной логике;
♦ с выходом «rail to rail»;
♦ двух- и более скоростные с автоматическим переходом на экономичный режим работы;
♦ прецизионные;
♦ многопороговые;
♦ многоканальные;
♦ с гистерезисом;
♦ стробируемые;
♦ с цифро-аналоговым преобразователем;
♦ программируемые;
♦ прочие.
Примечание.
Как правило, заметный выигрыш по одному из параметров обуславливает не менее значимый проигрыш по другому параметру. Так; например, пониженное энергопотребление компаратора достигается за счет снижения его быстродействия.
Компараторы обычно не содержат элементов частотной коррекции, имеют передаточную характеристику релейного типа и поэтому не могут использоваться в качестве линейных усилителей аналоговых сигналов, например, в качестве ОУ В то же время компараторы широко применяют для сопряжения аналоговых и цифровых устройств, на их основе могут быть созданы эффективные усилители D-класса.
Как было показано ранее, в качестве компараторов могут быть использованы обычные операционные усилители, охваченные петлей положительной обратной связи. Порок такого решения — низкая нагрузочная способность подобных устройств, поскольку для управления энергоемкой нагрузкой требуется применение усилителей мощности.
Специализированные компараторы, ориентированные, в отличие от операционных усилителей, на решение узкого круга задач, отличаются:
♦ повышенной нагрузочной способностью;
♦ быстродействием;
♦ невозможностью работы в линейном режиме.
Схемы компараторов — детекторов нуля, работающих на положительных или отрицательных перепадах входного напряжения, показаны на рис. 18.1 и 18.2. Переходная характеристика UBblx = UBbDC (UBX ) идеального компаратора имеет строго прямоугольную форму. Реальная форма этой характеристики (рис. 18.1 и рис. 18.2), определяется конечной скоростью переходных процессов, неидеальностью работы компаратора и его элементов.
Примечание.
Отмечу, что в крайне узком диапазоне входных напряжений компаратор способен работать как усилитель с крайне высоким коэффициентом усиления (порядка 105—106 и более). Очевидно, что стабильность работы такого усилителя невелика, т. к. положение его рабочей точки в существенной мере зависит от температуры окружающей среды, стабильности источников питающих напряжений и других факторов.
При желании точку переключения состояния компаратора (порог срабатывания) можно сместить в любую сторону относительно нуля.
Пример компаратора со ступенчато переключаемым — плавно регулируемым порогом срабатывания приведен на рис. 18.3.
Порог переключения компараторов не является строго фиксированной величиной. Обычно напряжение переключения компаратора нестабильно и в процессе работы хаотически смещается в ту или иную сторону от заданного уровня. Амплитуда таких флуктуаций определяется: свойствами конкретного типа компаратора; его разновидности; качеством изготовления; температурой окружающей среды; внешними воздействиями.
Примечание.
В этой связи при построении прецизионных схем сравнения напряжений необходимо предусматривать минимизацию или нейтрализацию собственных шумов компаратора.
Неприятной особенностью работы компараторов является их работа при уровнях входных сигналов вблизи порога разрешения переключения. В этом случае, если входной сигнал сильно зашумлен, на выходе компаратора появляется последовательность дельтавидных или иглоподобных апериодических импульсов, вносящих обычно сбои в работу радиоэлектронной аппаратуры.
Для минимизации паразитного переключения компаратора в условиях его работы с зашумленными сигналами иногда применяют схемотехнический прием, заключающийся в преднамеренном искажении формы переходной характеристики. На переходной характеристике такого компаратора наблюдается отчетливо выраженный гистерезис.
Рис. 18.4. Схема компаратора с гистерезисом (триггера Шмитта)
На рис. 18.4 и 18.5 показаны схемы компараторов с искусственно организованными петлями гистерезиса. Ширину петли гистерезиса AUraCT можно определить из выраже-
Рис. 18.5. Схема компаратора с регулируемой шириной петли гистерезиса
напряжение ограничения компаратора. Напряжения переключения компаратора +U и -U относительно заданного (нулевого, рис. 18.4 и 18.5, уровня) можно определить по
формуле
Компаратор уровней сигнала по амплитуде позволяет сопоставить величину (уровень) двух сигналов и переключить свой выходной уровень с логической единицы на нуль (или наоборот) в случае, если входной сигнал превысит заданный порог срабатывания компаратора.
Рис. 78.7. Схема нерегулируемого двухпорогового компаратора напряжения
Рис. 78.6. Схема двухпорогового компаратора на операционном усилителе
Отдельной проблемой сопоставления уровней сигналов является задача двух- или многопорогового разделения сигналов. Варианты решения такой задачи показаны на рис. 18.6, 18.7 [18.1]. Зависимость выхо дного сигнала от уровня входного показана на рис. 18.7.
Порог переключения компаратора Όι (рис. 18.7) устанавливают подачей напряжения Uynp. В случае, если на вход компаратора подается высокое отрицательное напряжение, то оно действует только на инвертирующий вход микросхемы DA1.
При снижении уровня входного напряжения до значения
где UVD1=0,6—0,7 В (падение напряжения на кремниевом диоде VD1), на выходе ОУ установится положительное напряжение, рис. 18.7.
При дальнейшем возрастании уровня входного напряжения вплоть до значения U2 выходное напряжение компаратора имеет уровень логической единицы. Однако, при UBx >U2 диод VD1 более не шунтирует вход ОУ, компаратор вновь переключается, на его выходе устанавливается уровень логического нуля.
Для того, чтобы плавно управлять порогом переключения компаратора, может быть использована схема, рис. 18.8 [18.1]. Потенциометром R3 устанавливают порог переключения компаратора. Ширину зоны чувствительности компаратора регулируют потенциометром R2:
Сдвоенный компаратор К1464СА1
Рис. 78.8. Схема регулируемого компаратора напряжения
[18.2] (аналог LM193, LM293, LM393, LM2903 фирмы Philips, SGS-Thomson Microelectronics и NS [18.3]) отличается от иных:
♦ малой потребляемой мощностью;
♦ возможностью сравнивать сигналы, близкие к нулевому уровню.
Рис. 78.9. Состав и цоколевка микросхемы сдвоенного компаратора К1464СА1
Компаратор (рис. 18.9) работает при напряжении питания 2—36 В (однополярное) и 2±(1 —18) В (двуполярное питание) [18.2, 18.3]. Потребляемый ток менее 1 мА при напряжении питания 5 В и 2,5 мА при 36 В. Выходной ток — свыше 6 мА. Входное напряжение смещения не свыше 7 мВ при токе до 0,25 мкА. Выходные сигналы компаратора совместимы при работе с ТТЛ, ЭС77, КМОП- логическими элементами.
Примечание.
Отмечу, что перечисленные микросхемы отличаются лишь температурной областью устойчивой работы (температурный диапазон сужается от LM193K LM393).
На следующих рисунках показаны примеры практического использования микросхемы К1464СА1 (использован лишь один из двух компараторов) [18.2].
пор.н. ^ ^пор.в.’
Типовые схемы инвертирующего и неинвертирующего компараторов на микросхеме К1464СА1 приведены на рис. 18.10 и рис. 18.11. Значения нижнего и верхнего входного порогового напряжения U, рис. 18.10, определяется как [18.2]:
Рис. 18.14. Схема совместного использования компараторов LM 193, LM293, LM393, К1464СА1 сТТЛ и КМОП- логическими элементами
Рис. 18.10. Схема инвертирующего компаратора на микросхеме К1464СА1
Рис. 18.11. Схема неинвертирующего компаратора на микросхеме К1464СА1
Unop.H Unop в Unop.H Unop.в
Рис. 18.12. Передаточные характеристики компараторов
Рис. 18.13. Компаратор на микросхеме LM193, LM293, LM393, К1464СА1
При R1=R2=R3 UnopH * UniiT /3, UnopB * 2Unm /3, что примерно совпадает с соответствующими уровнями переключения из одного устойчивого состояния в другое для КМОП-микросхем. Передаточные характеристики инвертирующего и неинвертирующего компараторов показаны на рис. 18.12.
Типовая схема использования микросхем LM193, LM293, LM393, К1464СА1 в качестве компаратора показана на рис. 18.13 [18.3].
На рис. 18.14 показаны типовые схемы использования компараторов с микросхемами ТТЛ и КМОП-серий.
На рис. 18.15 показана схема выделения прохождения сигнала через ноль: при каждом прохождении входного напряжения через ноль детектор вырабатывает короткий импульс
[18.2]. В устройстве также использован инвертирующий компаратор напряжения с гистерезисом. Диод VD1 защищает входные цепи компаратора при появлении на входе минусовых полупериодов сигнала. Напряжение питания устройства 5 В.
На рис. 18.16 и рис. 18.17 показаны примеры использования компараторов в качестве НЧ усилителей с малой (рис. 18.16) и повышенной (рис. 18.17) нагрузочной способностью [18.3]. Коэффициент передачи усилителей определяется соотношением резистивных элементов R3/R2 и равен 100.
Рис. 18.18. Схема преобразователя- индикатора магнитного поля на компараторе LM393
Рис. 18.17. Схема НЧ усилителя на компараторе LM393 с повышенной нагрузочной способностью
Рис. 18.16. Схема НЧ усилителя на компараторе LM393
Рис. 78.75. Схема детектора «нуля».
На основе компараторов серии LM193, LM293, LM393, К1464СА1 может быть изготовлен преобразователь– индикатор магнитного поля, использующий в качестве датчика катушку индуктивности L1, рис. 18.18 [18.3].
Преобразователи амплитуды входного сигнала в ширину выходного используют в измерительной технике, импульсных блоках питания, цифровых усилителях.
На рис. 18.19,18.20 приведены схемы преобразователей амплитуды в ширину импульса [18.4]. Преобразователи выполнены на основе компараторов DA1 — К554САЗ. Напряжение на входах компаратора примерно равно половине напряжения питания (задается резистивным делителем R1/R2) и различается на величину напряжения, падающего на открытом переходе диода VD1. Входное сопротивление преобразователя равно Rl(R2)/2 или 25 кОм.
При подаче на вход синусоидального сигнала или сигнала пилообразной, треугольной формы и увеличении амплитуды, начиная с некоторого порогового значения, на выходе устройства формируются прямоугольные импульсы, ширина которых зависит от амплитуды входного сигнала. Схемы не требуют настройки. Полоса рабочих частот (область низких частот) определяется емкостью конденсаторов С1 и С2.
Устройства (рис. 18.19,
Рис. 18.79. Схема преобразователя амплитуды входного сигнала в ширину выходного на компараторе К554САЗ
18.20) отличаются способом подключения входов компаратора и, соответственно,
«полярностью» выходных сигналов. Частотная зависимость порогового напряжения начала работы преобразователей при использовании Si и Ge-диодов VD1 показана на рис. 18.21.
Для Ge-диодов (Д9Г) пороговое напряжение в полосе частот 5—200 кГц составляет 80—90 мВ, для Si (КД503А) — 250—270 мВ. Максимальная амплитуда входного сигнала — 2—2,5 В. При уменьшении номиналов резисторов R1 и R2 чувствительность устройства возрастает за счет снижения прямого напряжения на диоде VD1, одновременно снижается и входное сопротивление.
Преобразователь напряжения в частоту, схема которого представлена на рис. 18.22, позволяет при изменении входного напряжения от 0 до 5 В получить на выходе линейное увеличение частоты от О до 21 кГц (коэффициент преобразования 4,2 кГц/В с нелинейностью не свыше 3%) [18.5].
Таймер на микросхеме DA1 КР1006ВИ1 включен по схеме мультивибратора, времязадающий резистор которого заменен генератором тока на операционном усилителе DA1 741 (К140УД7).
Рис. 18.23. Схема прецизионного преобразователя напряжение-частота
Для получения высокой линейности преобразования отклонение сопротивление резисторов от номинала не должно превышать 0,5 %.
Помимо основного назначения — усиления сигналов, микросхема К1464УД1 может быть использована и в устройствах иного назначения, например, для преобразования напряжения входного сигнала в частоту выходного.
Преобразователь напряжение-частота (рис. 18.23) содержит управляемый генератор из интегратора на ОУ DA1.1 и компаратора с гистерезисом на ОУ DA1.2 [18.6]. На выходе интегратора формируется линейно изменяющееся во времени напряжение, скорость нарастания которого зависит от уровня входного напряжения UBX, а направление изменения — от состояния выхода компаратора DA1.2.
На выходе преобразователя формируется последовательность импульсов прямоугольной формы, частота которых прямо пропорционально зависит от уровня входного напряжения (0—3,5 В).
На основе ОУ КР140УД1208, который работает в диапазоне питающих напряжений ±1,5…±18 В при коэффициенте усиления до 200000, может быть собрано множество конструкций, в том числе устройств сравнения, часть из которых представлена на рис. 18.24—18.26 [18.7].
Примечание.
Микросхема выгодно отличается тем, что имеет защиту от короткого замыкания в цепи нагрузки.
Рис. 18.24. Схема индикатора разрядки батареи на микросхеме КР140УД1208
Индикатор разрядки батареи, рис. 18.24, содержит узел сравнения текущего значения контролируемого напряжения с некоторым образцовым значением. Для формирования образцового
напряжения использован узел, выполненный на транзисторе VT1. При достижении критического уровня напряжения, устанавливаемого при помощи потенциометра R9, включается генератор звуковых сигналов, выполненный на микросхеме DA1. В качестве излучателя звука использован пьезокерамический излучатель BF1 (ЗП-З).
Рис. 18.25. Упрощенный вариант индикатора разрядки батарей с визуальной индикацией
Емкость конденсатора С1 подбирают по максимальной громкости звучания пьезокерамического излучателя (настройка на его резонансную частоту).
Упрощенный вариант индикатора со светодиодной индикацией показан на рис. 18.25. Порог срабатывания (6,5 В) подбирают регулировкой потенциометра R2. Ток «молчания» индикаторов — 0,1 мА, индикации — 1 мА.
Индикатор электрического поля, схема которого представлена на рис. 18.26, предназначен для дистанционного бесконтактного контроля уровня электрического поля при приближении обслуживающего персонала к токонесущим конструкциям высокого напряжения.
В качестве антенны, определяющей чувствительность устройства, использована пластинка из фольгированного стеклотекстолита 55×33 мм, спрятанная в корпусе. Прибор срабатывает при приближении антенны к проводке под напряжением 220 В на расстояние не менее 50 см.
Совет.
Последовательно со светодиодом HL1 и капсюлем BF1 полезно включить токоограничивающий резистор сопротивлением до 300 Ом.
Рис. 18.26. Схема аудиовизуального индикатора электрического поля на микросхеме КР140УД1208
На основе компаратора DA1 КР554САЗБ может быть собрана схема фото- или термочувствительного реле, рис. 18.27 [18.8]. В первой из схем
(слева) в качестве светочувствительного элемента использован фотодиод VD1 КФДМ (или иной), входящий в состав сбалансированного резистивного моста. Балансировку моста осуществляют регулировкой потенциометра R2. К диагонали моста подключены входы компаратора DA1. Схема отрегулирована таким образом, чтобы при изменении уровня светового потока, падающего на приемную площадку фотоприемника, происходило переключение компаратора.
Примечание.
Если перед светочувствительным элементом установить светофильтр, можно создать прибор, чувствительный к излучению в определенной области спектра. Если использовать поляризационный светофильтр, прибор будет реагировать только на световой поток соответствующей поляризации. Такие устройства можно использовать, например, для автоматического открывания дверей ворот или гаража, когда к ним подъезжает автомобиль хозяина. Для повышения надежности срабатывания реле можно воспользоваться схемой совпадения, таким образом, реле будет срабатывать, если свойства сигнала-ключа будут отвечать, по меньшей мере, двум ключевым признакам.
В качестве нагрузки в реле [18.8] использовано оптоэлектронное реле 5П19.10ТМА-3-6, коммутирующее лампу накаливания, либо иную другую нагрузку.
Рис. 18.27. Схема фото- или термочувствительного реле на компараторе КР554САЗБ
Совет.
Вместо оптоэлектронного можно использовать и обычное электромагнитное реле с током срабатывания до 50 мА, обмотку которого в целях защиты выходного транзистора компаратора следует защитить параллельно подключенным диодом или электролитическим конденсатором.
Светодиод HL1 предназначен для визуального контроля момента срабатывания компаратора.
При желании фото- чувствительное реле (рис. 18.27, слева) легко преобразовывать в термочувствительное (рис. 18.27, справа). В качестве термочувствительного элемента можно использовать обычный кремниевый диод VD1, например, КД103А>
КД102А и др. Для снижения инерционности контроля в качестве датчика следует выбирать диод с минимальной массой.
Несколько модифицировав схему (рис. 18.27), можно получить реле времени для использования освещения подъездов и лестничных клеток, рис. 18.28 [18.8].
При кратковременном нажатии на любую из параллельно установленных на каждом этаже кнопок SB1—SBn кратковременно (на время, определяемое произведением R1C2), примерно на 60 с, включится лампа накаливания. Конденсатор С2 должен иметь малый ток утечки.
Пороговый индикатор превышения заданного уровня температуры, схема которого представлена на рис. 18.29 [18.9], может быть использован для автоматического регулирования теплового режима теплиц, инкубаторов, нагревательных узлов, систем сигнализации и т. д.
В устройстве использован компаратор DA1, нагруженный на светодиодный излучатель HL1. Питание индикатора стабилизировано. В качестве датчика температуры использован терморезистор R3 (или иной датчик). Рабочая точка (температура срабатывания) задается регулировкой потенциометра R4. Схему легко настроить на включение или отключении нагрузки (индикатора), поменяв его входы местами. В качестве датчика можно использовать, при необходимости, элементы, чувствительные к изменению освещенности (фоторезисторы), электрического поля (полевые транзисторы) и т. д.
Генератор на основе инвертирующего компаратора напряжения с гистерезисом на микросхеме К1464СА1, рис. 18.30,
вырабатывает короткие импульсы прямоугольной формы частотой 16 кГц [18.2]. Длительность импульса равна 0,7R4C1, паузы — 0,7R1C1, следовательно, период импульсов равен 0,7C1(R4+R1), а частота — 1,44/Cl (R4+R1).
Рис. 18.31. Схема удвоителя частоты на основе компараторе
Рис. 18.30. Схема генератора прямоугольных импульсов на компараторе
Пороговое устройство–компаратор может быть использовано в качестве широкодиапазонного (в определенных пределах) удвоителя частоты сигналов, рис. 18.31 [18.10]. Работа устройства основана на запоминании уровня сигналов на том или ином входе компаратора и последующем динамическом сопоставлении их уровня в ходе переходных процессов при заряде/раз- ряде конденсаторов.
В итоге на выходе устройства формируется последовательность импульсов с удвоенной по отношению к входному сигналу частотой, рис. 18.32. Входной сигнал имеет частоту 500—1000 Гц при амплитуде до 10 В.
Для иных частот потребуется подбор RC-элементов входных цепей.
Рис. 18.32. Входные и выходные сигналы удвоителя частоты на основе компараторе
Рис. 18.33. Схема устройства защиты от перенапряжения
Простое устройство (рис. 18.33) предназначено для защиты радиоэлектронного оборудования от недопустимых перепадов напряжения [18.11]. При снижении напряжения на входе устройства ниже некоторого заданного при помощи потенциометра R4 уровня сработает реле, отключив/подклю- чив своими контактами нагрузку, элемент защиты или стабилизации и т. п.
В качестве стабилитрона VD1 можно использовать стабилитрон на напряжение 3,3—5,1 В. Величина сопротивления R1 вычисляется исходя из того, чтобы напряжение на входном резистивном делителе R1—R2 примерно соответствовало напряжению на его движке, установленном посередине (т. е. примерно 2,4 В для стабилитрона КС147). Рассчитать
U, -U,
величину этого сопротивления можно из выражения: Rl=——-R2,
где Uj — входное напряжение срабатывания устройства, U2 — напряжение, примерно равное 2,4 В для стабилитрона КС147. Так, для 1^=100 В Rl=407 (390) кОм.
Напряжение питания устройства может быть выбрано в пределах 9—24 В. Следует лишь учитывать, чтобы реле надежно и без гистерезиса переключалось, а элементы схемы работали без перегрузок. На практике устройство можно использовать для автоматической записи телефонных разговоров. В этом случае параллельно резистору R2 рекомендуется подключить электролитический конденсатор емкостью не менее 100 мкФ.
Схема включения компаратора, рис. 18.34 [18.3], позволяет за счет наличия в его входных цепях RC-элементов отфильтровывать высокочастотные (R2C1) и низкочастотные (R1C2) наводки на полезный сигнал.
Пороговое устройство для слежения за температурным режимом, рис. 18.35, выполнено на микросхеме LM393 [18.12]. В качестве датчика температуры использован терморезистор R2, имеющий отрицательный температурный коэффициент. Для измерений используется традиционная мостовая резистивная схема.
Для сравнений уровней напряжения на диагонали моста использован компаратор. Порог срабатывания компаратора плавно регулируют потенциометром R4. Для звуковой индикации используют зуммер BF1 с пятивольтовым питанием (или заменяющий его мультивибратор с телефонным капсюлем в цепи нагрузки).
Рекомендуемые уровни напря
жений: 4,9 В — на выводе 5 микросхемы; 2,9 В — на выводе 6.
Параллельно шинам питания включают электролитический (470 мкФ) и керамический (0,1 мкФ) конденсаторы.
С использованием линейки однотипных компараторов (рис. 18.36) можно получить устройство светодиодной индикации уровня входного сигнала, например, радиоприемника, аудиоплеера [18.13]. Сетка опорных напряжений образуется на резистивном делителе R1—R9, образованном однономинальными резисторами. Входное напряжение поступает на неинвертирующие входы всех компараторов одновременно.
По мере повышения уровня входного напряжения поочередно будут высвечиваться светодиоды снизу вверх (по схеме), визуально в соответствии с уровнем входного сигнала будет перемещаться вверх-вниз или влево-вправо светящаяся точка, динамически показывающая уровень сигнала на входе устройства.
Чувствительность индикатора можно варьировать, подбирая соотношение номиналов входного резистивного делителя R10/R11.
Вход устройства можно подключить к движку потенциометра узла электронной настройки радиоприемника. В этом случае светодиодная шкала будет индицировать частоту приема, что особенно удобно при эксплуатации радиоприемника или передатчика в темное время суток.
Используя изложенный выше принцип поочередного управления нагрузками при изменении уровня входного управляющего напряжения, можно решить задачу многокомандного управления нагрузками по двухпроводной линии, рис. 18.37 [18.14]. Для этого использован выносной пульт-делитель напряжения, дающего при нажатии на кнопки S1—S8 сетку опорных управляющих напряжений.
Для дешифровки и преобразования уровней напряжения, поступающих по двухпроводной линии, использована линейка из восьми однотипных компараторов. Выходы компараторов через токоограничивающие резисторы R20—R27 соединены с входами КМОП-инверторов, в качестве которых могут быть использованы элементы КМОП-микросхем серии К561у К564у например, К561ЛН1УК561ЛН2 и им подобные (К564ЛЕ5, К561ЛА7 с параллельно включенными входами по схеме инвертора). Диодные цепочки, выполненные на германиевых диодах, предназначены для выполнения условия установки нулевого уровня сигнала на выходе задействованного канала управления.
Как следует из анализа схемы многоканального управления нагрузок, устройство избыточно усложнено. Например, за счет использования всего одной специализированной поликомпараторной микросхемы — амплитудного мультиплексора UAA180 (К1003ПП1) эта же задача может быть решена в расширенном варианте: двухпроводное управление 12-ю нагрузками при токе нагрузки до 10 мА [18.15—18.17].
Рис. 1837. Схема двухпроводного восьмикомандного управления по двум проводам
Рис. 1838. Схема многокомандного управления нагрузками по двухпроводной линии
Поликомпараторное устройство многокомандного управления нагрузками по двухпроводной линии [18.15] представлено на рис. 18.38.
Оно выполнено на основе специализированной микросхемы UAA180 (К1003ПП1), предназначенной для 12-ти ступенчатого дискретного преобразования уровня аналогового сигнала на управляющем входе в номер коммутируемого канала индикации. При размыкании одного из ключей S1—S12 на управляющем входе микросхемы DA1 формируется сигнал с напряжением по сетке 0—0,5—1,0— … 5,5 В (всего 12 уровней). Соответственно величине управляющего сигнала к шине питания подключается одна из 12-и нагрузок, варианты выполнения которых А и В представлены на рис. 18.38.
Если в качестве нагрузки включить резистор сопротивлением порядка 1 кОм и более, с этого сопротивления можно снимать логический сигнал с уровнем 1/0 для управления цифровыми логическими КМОП- устройствами.
Для формирования сетки напряжений необходим подбор номиналов резистивного делителя R1—R11. Проще всего подобрать эти резисторы можно путем замены каждого из резисторов потенциометром, регулировкой которого при нажатии на одну из кнопок S1—S11 следует добиться срабатывания требуемого канала индикации. Далее потенциометр можно заменить обычным резистором (или их набором) соответствующего номинала.
Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.
nauchebe.net
Компаратор. Описание и применение. Часть 2
Это продолжение предыдущей статьи. Диапазон гистерезиса компаратора может быть увеличен путем добавления резистора между выходом компаратора и его прямым входом (+). Это создает петлю обратной связи, в результате чего, когда происходит изменение сигнала на выходе, напряжения на входе (+) так же немного изменяется, в результате чего увеличивается разница напряжения между входами компаратора.
Следует отметить, что обратная связь может быть подключена только на прямой вход (+).
Если выход компаратора находится в стоянии «выкл.», то на инверсном входе (-) напряжение будет выше напряжения на его прямом входе (+) до того момента, когда выход перейдет в состояние «вкл.». При включенном выходе, на входе (-) напряжение становится немного ниже входного (+), до того момента, когда выход компаратора перейдет в выключенное состояние.
Для того, чтобы заставить выход компаратора переключаться как можно быстрее (чисто), можно увеличить разницу напряжений гистерезиса. Ниже приведена триггерная схемы с применением большого гистерезиса для того, чтобы создать эффект памяти, с большим изменением входного напряжения, необходимый для четкого переключения выхода компаратора.
Добавление разделительного диода к выходу компаратора
Диод может быть подсоединен к выходу компаратора для того, чтобы индикатор уровня выходного сигнал компаратора (светодиод), не влиял на схему компаратора.
Диоды также могут быть использованы для разделения нескольких контуров, подключенных к одному компаратора.
Двухпороговый компаратор
Двухпороговый компаратор, или как еще его называют компаратор «с окном» позволяет контролировать входное напряжение, которое должно находиться в заданном диапазоне напряжений.
Для этого компараторы, имеющие выход с открытым коллектором, например, LM339 или LM393, должны быть настроены так, чтобы на обоих выходах был высокий уровень, когда контролируемое входное напряжение находится в заданном диапазоне.
Генератор на компараторе
Компараторы также могут быть использованы в качестве генераторов, но они не очень хорошо подходят для этого типа схем.
Примеры применения компаратора
Ниже приведены несколько базовых схем с использованием компаратора. Значения сопротивлений резисторов не являются критическими и должны быть использованы в качестве ориентира.
Схема с фотодиодом
Если необходим более высокий ток нагрузки, то в таком случае необходимо к выходу компаратора подключить PNP-транзистор. Это позволит управлять нагрузкой до 300 мА, например, реле.
Схема временной задержки
Схемы коротких временных интервалов, такие как одиночные импульсы или временные задержки могут быть построены на одном или двух компараторах.
Обратите внимание, что второй компаратор в схеме имеет на своем прямом входе тоже опорное напряжение, что и первый компаратор. В большинстве случаев любое количество компараторов могут иметь один и тот же источник напряжения на одном входе, и это значительно упрощает схему.
Схемы с двухконтурным питанием
Поскольку выходной транзистор компаратора имеет открытый коллектор напряжение питания и нагрузки может быть разным. Это означает, что компаратор может работать, например, от 12 вольт, в то время как нагрузке необходимо 24 вольта (реле) или 5 вольт (светодиод). Следующие две схемы объясняют применение компаратора с двумя контурами напряжения.
Четырехуровневый индикатор напряжения.
Эта схема индикатора может последовательно указывать 4 уровня напряжения. Напряжение, при котором включается тот или иной светодиод, задается простым делителем напряжения на резисторах R2-R6..
Эта схема не имеет стабильного опорного напряжения и, следовательно, не подходит для индикации напряжения батареи от которой запитана сама схема, поскольку с снижением заряда батареи будет меняться и опорное напряжение компаратора.
Так же для построения индикаторов подобного типа существуют специализированные микросхемы: LM3914 и LM3915.
Компаратор на операционном усилителе
Операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов. Для этого необходимо к выходу операционного усилителя подключить диод или транзистор.
Использование транзистора позволяет обеспечить больший ток нагрузки, чем у обычного компаратора.
www.joyta.ru
USB зарядное устройство на компараторе LM393 – ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ – radio-bes
Я всегда жаловался на зарядные устройства, когда мне перед уходом нужно было что-то быстро зарядить. Этот проект упростил задачу, так как само устройство питается от USB-порта ноутбука, и способно зарядить пару вышеупомянутых батареек.Любой USB-порт может отдать 500мА при 5В. Но USB-устройства стандартно потребляют не более 100мА, поскольку порт имеет запас, это делает его идеальным источником энергии.
Есть и коммерческие зарядные устройства такого типа, но каждое из них имеет свои недостатки:
1) USB Cell это NiMH AA батарейка, ёмкостью 1300mAh со съемным верхом, что позволяет ей быть подключенной непосредственно к порту USB. Отдельное зарядное не требуется. К сожалению, емкость является очень маленькой (большинство NiMH AA батареек имеют ёмкость 2500mAh), и каждая требует свой собственный порт.
2) Существует два ЗУ на USB батарейках АА типа, продаются под разными названиями, но они заряжают на очень низких скоростях в 100 мА. Дистрибьютор называет их “овернайт зарядное”, при такой скорости заряда батарейка ёмкостью 2500мА будет заряжаться около 40 часов.
Зарядное устройство в этом проекте предназначено для зарядки двух АА NiMH или NiCd батареек любой ёмкости при токе около 470mA. Оно будет заряжать 700mAh NiCd батарейку около 1,5 часов, 1500mAh NiMH около 3,5 часов, и 2500mAh NiMH около 5,5 часов. Зарядное устройство включает средство автоматической зарядки, отключение схемы в зависимости от температуры, сами батарейки можно оставить в зарядном устройстве на неопределенный срок после отключения.
Технические условия
Это зарядное устройство имеет следующие технические характеристики:
Размер: 3.8 “Д х 1.2” Ш х 0,7 “В (9.7cm х 3.0cm х 1,5 см).
Аккумуляторы: Два, А.А. размера, NiMH или NiCd типа.
Зарядный ток: 470mA
Зарядка методом терминации: Температура батареи (33 ° С)
Tок подзарядки: 10 мА
Источник питания: настольный компьютер, ноутбук или USB-концентратор.
Условия эксплуатации: -15 ° С до 25 ° С (59 ° F до 77 ° F)
Схема
Сердце
этого зарядного устройства Z1A, одна половина LM393-двойного
компаратора напряжения. Выход (контакт 1) может быть в одном из двух
состояний, высоком или низком. Во время зарядки, выход нагружен на
транзистор Q1 и подает на него через резистор R5 около 5.2мА. Q1 имеет
бета-около 90, так что к аккумуляторам будет доходить около 470mA
зарядного тока.
Во время зарядки, R1, R2 и R4 образуют трехсторонний
делитель напряжения, который дает 1,26В на не инвертирующий вход Z1A
(контакт 3, Vref).
TR1 представляет собой термистор, что находится в прямом контакте с аккумулятором. Он имеет сопротивление 10 кОм при 25 ° C (77 ° F), которое обратно пропорционально температуре примерно на 3,7% за каждые 1С ° (1.8F °). R3 и TR1 образуют делитель напряжения, значение которого подается на инвертирующий вход (контакт 2, Vtmp). При температуре 20 ° C (68 ° F), TR1 имеет сопротивление 12kΩ, на входе Vtmp при этом 1.76V. По мере повышения температуры батареек, устойчивость TR1 падает. При 33 ° С (91 ° F), сопротивление будет около 7.4kΩ, на Vtmp при этом 1,26В, что соответствует напряжению Vref.
Когда температура поднимается выше 33 ° С, Vtmp станет меньше Vref , а выход Z1А будет высоким и откроет коллектор. Таким образом, ток, протекающий через R5 значительно снизится, так как он теперь ограничен R1, R2 и R4. В результате ток, протекающий через Q1 и батареи уменьшается до 10 мА.
Кроме того, поскольку R4 теперь подключен к +5 В через R5 и Q1, вместо того, чтобы давать 0.26V на Z1A, напряжения Vref изменится примерно до 2.37V. Это гарантирует, что, когда температура элемента падает, зарядное устройство не включится. Для того чтобы достичь Vtmp 2.37V, сопротивление TR1 должно было бы составить около 20 кОм, что соответствует температуре около 6 ° C (43 ° F), которая недопустима в комнате.
Z1B является другим компаратором LM393, и если внимательно посмотреть на схему, то он выполняет то же сравнение, что и Z1A. Это приводит в действие индикатор, обозначающий, что зарядка продолжается. R6 ограничивает ток светодиода до 10 мА. Запустив LED от собственного компаратора (который находится в чипе, используете эго или нет), текущий индикатор не оказывает никакого влияния на Vref.
Наконец, C1 используется, чтобы гарантировать, что зарядка начинается, когда пара батареек вставлена. При отсутствии батареек устройство отключено. Как только вторая из двух вставляется, положительная сторона С1 подключена к напряжению батарей (около 2,4). Через несколько секунд потенциалы на конденсаторе выравниваются, и он больше не влияет на схему.
Конструкция
Схемy лучше собрать на печатной плате.
Начните
с установки всех резисторов и конденсатора. Резисторы должны быть
установлены в горизонтальном положении. Установите LED1, чтобы
отрицательный вывод был подключён к контакту 7 Z1B.
Установите Z1
рядом, гарантируя, что контакт 1 (обозначается маленькой точкой на одном
углу IC) ориентирован, как показано на схеме размещения. Если хотите,
используйте разъем для Z1.
Транзистор Q1 установите на небольшом
радиаторе. Согните контакты на 90 ° только там, где они начинают
сужаться. Не сгибайте их слишком резко, они могут сломаться.
Далее установите держатель батареек и приклейте его к плате. Затем закрепите термистор.
Последний шаг-подсоединение USB-кабеля, его можно либо купить, либо отрезать от старой мышки. Не попутайте распиновку проводов.
Тестирование
Перед
подключением зарядного устройства к источнику питания, проверьте
тщательно вашу работу. Убедитесь, что все компоненты правильно
ориентированы (в частности, Q1, LED1, Z1, и держатель батареи).
Для
начальных испытаний, я предлагаю вам использовать активный
USB-концентратор. Используя концентратор, вы убедитесь, что зарядное
устройство не получает питание от компьютера, так как дефект в зарядном
устройстве может привести к повреждению источника питания. Кроме того,
можно использовать регулируемый источник питания 5В, временно
подключенный к +5 В и GND на печатной плате.
При подаче напряжения, проверьте, что индикатор не горит. Если он включен, использовать 330Ω резистор чтобы закоротить TR1 на мгновение. Если светодиод не гаснет, что-то не так.
С выключенным светодиодом, измерите напряжение между GND и Vref (контакт 3 Z1). Оно должно быть примерно 2.37V. Оно может быть немного больше или меньше в зависимости от конкретного напряжения и значения резистора. Также проверьте напряжение на Vtmp (контакт 2). При комнатной температуре, оно должно быть в диапазоне от 1.60V до 1,85, в зависимости от температуры.
Теперь вставьте пару одинаковых А.А. NiMH батареек, предпочтительно те, которые частично или полностью не разрядились. Как только вы вставите вторую батарейку, светодиод должен загореться. Измерьте напряжение Vref снова, оно сейчас должно быть около 1,26. Vtmp также может быть изменено немного, из-за падения напряжения питания, вызванного нагрузочной способностью блока питания.
Зарядное устройство в настоящее время заряжает и напряжение на клеммах аккумуляторов увеличится через некоторое время. Когда ёмкость достигает около 75 %, скорость заряда увеличивается снова. Наконец, когда батареи достигают 100 % заряда, напряжение начнет снижаться. От 15 до 20 минут спустя, зарядное устройство следует отключить.
Стоит также измерить ток заряда.
Если измеренный ток, I, слишком высокий или слишком низкий, замените R5 другим значением согласно следующей формуле:
R5 = 1,6хI
Используйте
ближайшее стандартное значение. Например, если ток 510mA, замените R5
на 820Ω. Если измеренный ток был 420мА, используйте 680Ω резистор.
Корпус
Пока ЗУ используется без него, но в будущем хочу сделать для него пластиковый корпус.
Использование зарядного устройства
Использовать
зарядное устройство легко. Просто подключите его к порту USB и вставьте
две батарейки, которые нужно заряжать. Когда индикатор гаснет, зарядка
завершена.
Так же батарейки должны бить одного типа и ёмкости, иначе одна зарядится больше, а другая меньше из-за отключения ЗУ при 33 °C.
В
общем, если две клетки используются вместе в одном устройстве (цифровая
камера, GPS и т.д.), то они будут оставаться в синхронизации, и могут
быть заряжены вместе.
По завершении зарядки, зарядное устройство переключится на непрерывную подзарядку током 10мА. Этого значения достаточно, чтобы преодолеть естественный уровень саморазряда батарей, но оно достаточно низкое, что бы их можно было оставлять в зарядном устройстве на неопределенный срок. Тем не менее, не оставляйте их в зарядном устройстве, если оно не подключено к питанию USB порта.
Зарядка AAA батареек.
Если
пружины в держателе батареи имеют достаточную длину, зарядное
устройство может быть также использовано для зарядки пары батареек типа
AAA. Тем не менее, в этом случае необходимо вставить прокладки между
клетками и по бокам отсека, чтобы батарейки оставались в контакте с
термистором. Только заряжать можно современные батарейки ААА, имеющие
емкость 700mAh или больше.
Список деталей
Part Description
R1 56kΩ ¼W, 5% resistor
R2 27kΩ ¼W, 5% resistor
R3 22kΩ ¼W, 5% resistor
R4 47kΩ ¼W, 5% resistor
R5 750Ω ¼W, 5% resistor
R6 220Ω ¼W, resistor
TR1 10kΩ @ 25°C thermistor, approx. 3.7%/C° NTC
Radio Shack #271-110 (discontinued†)
C1 0.1µF 10V capacitor
Q1 TIP32C PNP transistor, TO-220 case
Z1 LM393 dual voltage comparator IC, DIP
LED1 Red, green, or yellow LED, 10mA
Other 2-cell AA battery holder
USB cable
Small heatsink
radio-bes.do.am
Корпус: DIP-8 (LM393N)
Корпус: SO-8 (LM393D)
| LM393N/LM393D – двухканальный компаратор для работы в бытовом диапазоне температур (0..+70°С). Выход – открытый коллектор. Микросхема компараторов LM393 по функциональному назначению и расположению выводов аналогична таким микросхемам как LM193, LM293, LM2903, но отличается от них температурным диапазоном работы и незначительно другими параметрами. Аналоги: КР1401СА3 / КФ1401СА3.
Микросхема LM393 также может поставляться в зависимости от производителя с маркировкой DV393, UTC393, IL393N и др. | Предельные режимы LM393N/LM393D:
| Основные характеристики LM393N/LM393D:
|
tec.org.ru
