Схемы компараторов на операционных усилителях: портал и журнал для разработчиков электроники

Схема компаратора на операционном усилителе, lm393 принцип работы

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как известно напряжение на выходе ОУ UВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения UД (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению КU

Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при UПИТ = 15 В, КU = 105, UД ≈ 150 мкВ). С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь

(ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.

Контроль уровня освещенности с помощью ОУ [3]

Многие современные портативные устройства с аккумуляторным питанием имеют дисплей. Как правило, дисплей вносит значительный вклад в общее потребление системы. Для его снижения, используют динамическую подстройку яркости экрана в зависимости от яркости внешнего освещения.

Для контроля освещенности очень часто используют простейшую схему, состоящую из фотодиода и трансимпедансного усилителя (рисунок 4). Этот усилитель необходим для преобразования тока фотодиода в напряжение. Так как ток фотодиода очень мал (субмилиамперный диапазон), то резистор обратной связи (Rf) должен быть большим. Усилитель MAX40007 хорошо подходит для данного приложения, так как обладает сразу несколькими достоинствами: малым значением входного тока (всего 40 пА), низким уровнем шума, и низким собственным потреблением. Типовое суммарное потребление схемы при максимальном уровне освещения не превышает 740 нА.

Рис. 4. Схема измерения освещенности на MAX40007

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже

Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом

по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.

Входное напряжение смещения компаратора

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

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

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

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

Основные схемы компаратора

Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю

, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор
сравнивает два напряжения с учётом знака
. Расссмотрим обе схемы подробнее.
Схема одновходового компаратора.
На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению

Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2

Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.

Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже

Схема двухвходового компаратора.

В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.

Компараторы применяются в широком спектре схем:

1. Триггеры Шмитта и в схемах формирования сигнала, преобразующих сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал.
2. Детекторы уровня – схемы, в которых происходит индицирование момента достижения входным сигналом заданного уровня опорного напряжения.
3. Генераторы импульсных сигналов, например, треугольной или прямоугольной формы.

При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Типовые схемы применения операционных усилителей

Подробности

Категория: РЗиА

• РЗиА
• реле

Содержание материала

• Серийные реле защиты на интегральных микросхемах
• Интегральные микросхемы – техническая основа для создания аппаратуры
• Свойства интегральных микросхем
• Типовые схемы применения операционных усилителей
• Основные узлы реле защиты, выполненных на операционных усилителях
• Типы серийных реле защиты, выполненных на операционных усилителях
• Техника обслуживания аппаратуры релейной защиты

Страница 4 из 7

3. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ
В данном параграфе описывается работа отдельных элементарных звеньев, из которых собираются основные узлы реле защиты. Каждое звено предназначается для осуществления одной из частных операций, присущих данному узлу. В схеме звена может содержаться одна или несколько микросхем, благодаря которым такие звенья относят к активным и называют функциональными элементами.

Наряду с функциональными элементами в схемах реле защиты применяют также звенья, не содержащие интегральных микросхем. В отличие от функциональных элементов такие звенья называют пассивными.

Рис. 8. Отдельные типовые схемы усилителей на реальных ОУ:
а – усилитель-ограничитель; б – сумматор на базе инвертирующего усилителя; б – дифференциальный усилитель
Остановимся на типовых схемах функциональных элементов, используемых в серийных реле защиты. Большинство из них заимствовано из схем, используемых в измерительной технике и промышленной автоматике.
К числу наиболее часто применяемых функциональных элементов следует в первую очередь отнести схемы усилителей, содержащих ОУ. Среди них можно указать уже известные из предыдущего параграфа схемы неинвертирующего и инвертирующего усилителей, изображенные на рис. 5, б, в. Широко применяют также повторители напряжения, показанные на рис. 5, а.
Наряду с ними довольно часто в реле защиты применяют усилители с ограничением уровня выходного напряжения, называемые сокращенно усилителями-ограничителями. Ограничения достигают за счет включения параллельно сопротивлению обратной связи двух встречно включенных стабилитронов (рис. 8, а). При подъеме выходного напряжения более UCT + 0,7 В сопротивление обратной связи шунтируется и рост их прекращается. Здесь UcT — напряжение пробоя стабилитрона, а 0,7 В – падение напряжения на стабилитроне в прямом, диодном направлении.
Часто используют схемы сумматоров напряжения на ОУ. Один из вариантов схемы сумматора с тремя входами, выполненный на основе инвертирующего усилителя, показан на рис. 8, б. На инвертирующий вход подаются складываемые напряжения через индивидуальные резисторы Rl —R3. Выходное напряжение будет пропорционально сумме входных напряжений. Сумматоры обладают малым собственным потреблением и позволяют поднять значение суммы напряжений до желаемого уровня. Они успешно используются в схемах формирователей сигналов, фильтров симметричных составляющих и для сравнения мгновенных или средних значений подаваемых напряжений.
К числу типовых относится также схема дифференциального усилителя, показанная на рис. 8, е.
Таким образом, данная схема обеспечивает усиление разности входных напряжений. Дифференциальный усилитель применяется также в качестве основы для получения схем различных сумматоров-вычитателей.
Рассмотрим еще несколько схем применения серийных ОУ.
Компараторы представляют собой схемы, обеспечивающие сравнение двух входных напряжений. Напряжение на выходе компаратора скачкообразно изменяется, когда одна из сравниваемых величин становится больше другой.
В реле защиты широко используются компараторы, в которых одной входной величиной является опорное напряжение заданного значения, а другой — напряжение, пропорциональное измеряемому напряжению или току, которое поступает от соответствующих датчиков.
Компараторы используются также в качестве нуль-индикаторов. В них один из входов компаратора заземляется и скачкообразное изменение выходного напряжения происходит при переходе измеряемого сигнала через нулевое значение. Одна из типовых схем компаратора показана на рис. 9, а. На вход 1 подается измеряемый сигнал, а на вход 2 — опорное напряжение. Пока измеряемое напряжение меньше опорного, на выходе ОУ держится максимальное выходное напряжение, совпадающее по знаку с опорным. Как только измеряемое напряжение станет больше опорного примерно на величину, равную свойственному данному ОУ напряжению суммирующей точки, выходное напряжение немедленно изменит свой знак на противоположный, сохранив максимальное значение. Диоды VD1 и VD2 защищают входы ОУ от повышенных значений дифференциального напряжения.

Рис. 9. Компаратор на реальных ОУ:
а – однопороговый для однополярных сигналов; б – однопороговый для разнополярных сигналов; в – двухпороговый компаратор; г – инвертирующий триггер Шмитта; д – передаточная характеристика триггера Шмитта
Если нужно ограничить выходное напряжение определенным уровнем, то в цепи обратной связи устанавливают два стабилитрона, включенных встречно.
Другая типовая схема компаратора, называемого еще суммирующим, показана на рис. 9, 6. Компаратор применяется для сравнения разнополярных напряжений, подаваемых на его входы, при этом входные напряжения могут быть весьма большими. Изменение знака выходного напряжения происходит при переходе напряжения, приходящего на инвертирующий вход, через нулевое значение. Описанные компараторы получили наименование однопороговых.
Схема двухпорогового компаратора показана на рис. 9, в. При отсутствии входного сигнала диоды VD1-VD4 открыты за счет протекания по ним тока от источников питания ± 15 В. Потенциалы узлов моста, примыкающих к инвертирующему входу и выходу ОУ, одинаковы, при этом сопротивление в цепи отрицательной обратной связи настолько мало, что коэффициент усиления схемы близок к нулю. Выходное напряжение держится на уровне прямого падения напряжения на диодах VD1-VD4. При появлении входного сигнала по диодам
VD1- VD4 начинают протекать дополнительные токи. Если Е/вх положительно, то эти токи, проходя по диодам VD1 и VD4, будут направлены навстречу току, идущему от источника питания, и будут вычитаться из него, а при протекании этих токов через диоды VD2 и VD3 их направление будет совпадать с током от источника питания, и эти токи сложатся. При некотором значении Е/вх, называемым пороговым, диоды VD1 и VD4 закроются. Это приведет к резкому возрастанию сопротивления обратной связи и соответственно к появлению максимального значения ивых. При отрицательном входном напряжении схема работает аналогично, только знак выходного напряжения будет противоположным.

Подбором сопротивлений —R3 можно регулировать уровень порогового напряжения. Рассмотренная схема обладает повышенной помехоустойчивостью.
Триггер Шмитта представляет собой компаратор с одним заземленным входом, заданным опорным напряжением и положительной обратной связью. Благодаря ей изменение знака выходного напряжения и обратный переход в начальное состояние происходит при разных уровнях входного напряжения.
Зависимость С/вых от С/вх приобретает форму прямоугольной петли гистерезиса. Рассмотрим, как работает одна из распространенных схем — инвертирующий триггер Шмитта со смещенной характеристикой, изображенный на рис. 9, г. Для того чтобы срабатывание и возврат триггера происходили при изменениях входного напряжения одного знака, на его инвертирующий вход подается отрицательное напряжение смещения — Е/см.
Рис. 10. Двухполупериодный выпрямитель на реальных ОУ
Для возврата триггера в исходное состояние входное напряжение нужно снизить до значения t/BX Ha4 – UB’X. На рис. 9,д приведена передаточная характеристика такого триггера Шмитта. Она имеет четко выраженный “релейный” характер. Поэтому такие триггеры часто используют в исполнительной части реле. Применяют их также для преобразования синусоидальных напряжений в прямоугольные, особенно при искаженной форме кривой напряжения. Существуют и другие схемы исполнения триггеров Шмитта, на которых мы останавливаться не будем, чтобы не повторяться.
Выпрямители на операционных усилителях применяют в тех случаях, когда нужно обеспечить выпрямление с точным сохранением формы кривой выпрямленного сигнала. В качестве примера рассмотрим одну из часто встречающихся схем.
Двухполупериодный выпрямитель, воспроизводящий с большой точностью каждый из двух полупериодов выпрямленного напряжения переменного тока, показан на рис. 10. Благодаря тому, что диоды VD1 и VD2 включены в цепь обратной связи операционного усилителя А1, падение напряжения на них не сказывается на форме выходного напряжения, что позволяет без искажений выпрямлять напряжения, измеряемые единицами милливольт. Все сопротивления, установленные в схеме, имеют одинаковые значения.

При поступлении на схему положительной полуволны выпрямляемого напряжения на выходе появляется напряжение отрицательного знака того же значения, так как при этом открывается диод VD1, и обратная связь осуществляется через резистор R2. Первый каскад работает как инвертирующий усилитель с К и = 1. Поступая во второй каскад на операционном усилителе А2, у которого неинвертирующий вход находится под потенциалом суммирующей точки А1, близким к нулю, зто напряжение инвертируется. На выходе схемы получается напряжение, совпадающее по знаку и по значению со входным.
Когда на схему приходит отрицательная полуволна измеряемого напряжения, режим обратной связи первого каскада изменяется. Диод VD1 закрывается, открывается диод VD2, и обратная свзяь проходит параллельно через R3 и сумму сопротивлений R2 и R4, объединенных в суммирующей точке А2. Коэффициент усиления первого каскада становится равным R3 (R2 +R4)/Ri (R2 +Rз что при одинако
вых значениях этих сопротивлений составляет 2-1/(1+2) = 2/3. Напряжение на выходе А1 имеет положительный знак и равняется 2/3 входного. Режим второго каскада становится другим. Его инвертирующий вход оказывается связанным с суммирующей точкой А1, имеющей потенциал, близкий к нулю, через резисторы R2 и R4. На неинвертирующий вход А2 приходит положительное напряжение с выхода А1. Второй каскад будет работать в этом случае как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1 +Д5/(К2 + R*)- Так как все резисторы одинаковы, то его значение будет равняться 3/2. Коэффициент усиления схемы для положительных входных напряжений получается равным K\j = 2/3-3/2 = 1. Таким образом, схема обеспечивает выпрямление входных сигналов без искажения как положительных, так и отрицательных полуволн.
Интеграторы, выполненные на ОУ, часто применяются в схемах реле защиты. Они используются при осуществлении различных фильтров, а также в элементах, реагирующих на среднее значение поступающего сигнала.
Интегрирование в геометрическом понятии представляет собой измерение площади, заключенной между двумя перпендикулярами, опущенными в начале и конце отрезка сложной кривой, и ограниченной самой кривой и ее проекцией на ось х. Операция интегрирования
записывается в видегде а и b — координаты начала и конца
проекции отрезка кривой на ось х.
Полной электрической аналогией процесса интегрирования является суммирование мгновенных значений переменного напряжения в заданном интервале времени.
Простейший интегратор на операционном усилителе изображен на рис. 11, а. В электротехнике емкость С измеряется как отношение q/U, где q — электрический заряд. Отсюда q = CU. Ток ic через емкость С определяется как изменение заряда q в единицу времени i с – ~dq/dt. Учитывая сказанное выше, получаем ic = C(dU/dt.).
Полагая, что схема интегратора выполнена на идеальном ОУ, мы можем принять, что напряжение в суммирующей точке UD- 0. Так как неинвертирующий вход заземлен, то и потенциал инвертирующего входа можно считать равным нулю. Током, входящим в инвертирующий вход, можно также пренебречь и считать, что токи через сопротивление R и емкость С одинаковы, т.е. /д = ic.

Рис. 11. Интегратор на ОУ:
а – схема интегратора на идеальном ОУ; б — характеристики интегратора при входном сигнале постоянного значения; в – характеристики интегратора при входном периодическом сигнале прямоугольной формы; г — схема интегратора на реальном ОУ

 

На рис. 11, б, в показано, как выглядят выходные сигналы интегратора при подаче на его входы ступенчатого сигнала и колебаний прямоугольной формы.
При выполнении интегратора на серийных ОУ схема рис. 11, а требует некоторых дополнений. Это вызвано тем, что у реального усилителя может наблюдаться некоторый сдвиг выходного напряжения и имеются токи смещения, под действием которых может происходить заряд емкости при отсутствии входного сигнала. Для исключения влияния этих факторов параллельно емкости С включают резистор обратной связи R2 с большим сопротивлением, а неинвертирующий вход соединяют с нулевой шинкой через резистор R3, значение которого равно сопротивлению параллельно соединенных сопротивлений в цепи инвертирующего входа и в цепи обратной связи, т. е. R3= RlR2/(Rl + R2) (рис. 11, г).

Рис. 12. Дифференциатор на ОУ:
а — принципиальная схема; б — характеристики дифференциатора при входном сигнале треугольной формы; б – характеристики дифференциатора при входном сигнале прямоугольной формы
Ключ К нужен для разряда емкости перед повторным включением интегратора.
В схемах интегратора рекомендуется применять ОУ с большим входным сопротивлением, например К544УД1А. Кроме того, должны применяться добротные конденсаторы с очень малыми токами утечки.
Дифференциаторы – это схемы, напряжение на выходе которых пропорционально скорости изменения входного напряжения. Для этой цели они и используются в схемах реле защиты. Применительно к идеальным ОУ дифференциатор может быть представлен схемой, показанной на рис. 12, а. Так как на входе ОУ стоит емкость С, то входной ток такой схемы равен iBX = С (dUBx/dt), при этом на выходе ОУ получается напряжение £/вых =-iBxR =-CR (dUBX/dt). На рис. 12, б показано, какое получается напряжение на выходе дифференциатора при подаче на его вход треугольного сигнала, а на рис. 12, в приведены аналогичные графики для случая подачи на его вход прямоугольного сигнала. Эту схему применяют сравнительно редко из-за низкой помехоустойчивости, трудно поддающейся устранению.
Активные фильтры довольно часто используются в реле защиты. Они представляют собой функциональные элементы, в которых в качестве частотно-избирательных звеньев используют резисторно-конденсаторные ЛС-цепочки, а в качестве активного звена — операционный усилитель. Благодаря наличию ОУ такие фильтры называют активными.
В отличие от них фильтры, содержащие только резисторы, конденсаторы и индуктивности, называют пассивными. По сравнению с последними активные фильтры имеют меньшие габариты и потребление, особенно при работе на частотах ниже 0,5 МГц.
Из других достоинств активных фильтров следует отметить, что они просты в изготовлении и При настройке, не содержат нелинейных элементов в виде индуктивностей, обеспечивают при необходимости усиление выходного сигнала и хорошее согласование с входными и выходными цепями. Они имеют небольшие размеры и массу. К недостаткам активных фильтров можно отнести необходимость источника питания и ограничение диапазона рабочих частот несколькими мегагерцами. В применении к реле защиты эти недостатки существенного значения не имеют.
Активные фильтры могут использоваться как фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые (селективные) фильтры (ПФ, СФ) и заграждающие (режекторные) фильтры (ЗФ, РФ), называемые еще фильтрами-пробками. На рис. 13 показаны примерные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) таких фильтров, представляющие собой зависимость выходного напряжения фильтра f/вых от частоты подаваемого входного напряжения.
На каждой из показанных характеристик фильтров могут быть выделены три определенные полосы частот: полоса пропускания а, где выходное напряжение имеет наибольшее значение, полоса запирания или подавления е, где выходное напряжение доходит до минимума, и промежуточная или переходная полоса б. Последняя — это интервал частот, в пределах которого значение выходного напряжения изменяется от максимального до минимального. Чем уже переходная полоса, тем ближе характеристика фильтра к идеальной. Для ФНЧ первой границей полосы пропускания считается частота, при которой выходное напряжение фильтра становится ниже 0,707 его наибольшего значения в полосе пропускания. Эту частоту называют частотой среза /с. Частотой запирания, иногда называемой частотой подавления или частотой ослабления и являющейся второй границей переходной полосы, считается частота flt при которой значение выходного напряжения спадает ниже 0,3 максимального. Для ФВЧ понятия /с и fx аналогичны.
Для полосовых фильтров характерны граничные частоты полосы пропускания /i и /2 и полосы заграждения //и /2′. Заграждающие фильтры характеризуются полосой запирания в интервале частот от Д до /2, в пределах которой выходное напряжение имеет значение ниже 0,707 выходного напряжения за ее пределами. Средней или рабочей частотой полосовых и заграждающих фильтров считается частота /0 = V/1/2.

Рис. 13. Амплитудно-частотные характеристики активных фильтров
Кроме амплитудно-частотных характеристик для анализа работы фильтров строят также фазо-частотные характеристики (ФЧХ), представляющие собой зависимость угла между векторами входного и выходного напряжений от частоты.
При построении АЧХ и ФЧХ фильтров пользуются обычно полулогарифмической шкалой для осей координат. Это позволяет получать данные об изменении напряжений непосредственно в децибелах. В качестве одного из основных параметров служит величина затухания коэффициента усиления фильтра, выраженная в децибелах при изменении частоты относительно /0 в 2 раза (на октаву) или в 10 раз (на декаду).
В настоящее время разработано много различных схем активных частотных фильтров.
Из большого числа таких схем наиболее приемлемыми для использования в реле защиты оказались активные фильтры второго порядка, в которых содержится два /?С-звена. Такой выбор обусловлен тем, что для обеспечения правильной работы реле требуется, чтобы переходные процессы в фильтрах не вызывали заметных задержек в срабатывании реле, когда возникают условия для его действия. Это возможно, если переходные процессы в отдельных контурах имеют одинаковые постоянные времени. При колебательном характере переходного процесса нужно, чтобы частота колебаний была близка к промышленной. Как показали исследования, приемлемый характер переходного процесса легче достигается в фильтрах второго порядка.
В серийных реле защиты, выпускаемых в настоящее время, применяют активные частотные фильтры второго порядка, собранные по схеме с многопетлевой отрицательной обратной связью (МОС).
На рис. 14 представлены соответственно схемы фильтра нижних частот (рис. 14, а) и полосового фильтра (рис. 14, б) с МОС.
Отношение амплитуды выходного напряжения любого фильтра к амплитуде входного напряжения определяется из выражения, отражающего зависимость этого отношения от частоты подаваемого сигнала. Это выражение называют передаточной функцией фильтра. В общем случае передаточная функция активного частотного фильтра второго

Рис. 14. Схемы активных ЛС-фильтров:
а – ФНЧ второго порядка с МОС; б – ПФ второго порядка с МОС
порядка имеет следующий вид:

где s =/ со, Р (s) — уравнения не выше второго порядка, характерные для данного вида фильтра; Ъх и сх — постоянные числа.
В связи со сложностью теории фильтров при дальнейшем изложении все формулы даются без теоретических выкладок.

Фильтр нижних частот показан на рис. 14, а. Действительно, если частота поданного на фильтр сигнала намного меньше /с, то реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2 значительно превышает сопротивление резисторов R1-R3, при зтом коэффициент усиления фильтра практически равен К =—R2/Ri. По мере увеличения частоты реактивное сопротивление С2 падает, вызывая понижение уровня сигнала, поступающего на вход ОУ. Одновременно снижается и коэффициент усиления за счет уменьшения реактивного сопротивления конденсатора С1 в цепи обратной связи ОУ. При увеличении частоты входного сигнала выше /с этот процесс нарастает. Ширина переходной полосы такого фильтра зависит от подбора установленных в нем резисторов и конденсаторов.

По сравнению с приведенным выше общим выражением для передаточной функции фильтра в нее введена постоянная величина — круговая частота среза со с. Коэффициент Ьг и Ci — это постоянные числа, от значения которых зависит форма АЧХ фильтра данного типа. Так, амплитудно-частотная характеристика ФНЧ, имеющая форму, подобную показанной на рис. 13, имеет значение Ьг = у/Т= 1,412214 и сл =1. Такой фильтр относится к фильтрам типа Баттерворта (по фамилии автора, разработавшего теорию этих фильтров). Затухание UByix/ в переходной полосе у описываемого фильтра в 2 раза больше, чем у простейшего ФНЧ, и равно 12 дБ на октаву или 40 дБ на декаду.
В серийных реле фильтры типа Баттерворта применяются редко из-за сравнительно широкой переходной полосы. В них обычно используют фильтры типа Чебышева, являющегося автором теории фильтров этого типа. АЧХ этих фильтров в полосе пропускания имеют чередующиеся подъемы и спады, число которых зависит от порядка фильтра. Их еще называют равноволновыми фильтрами. 
В заключение остановимся на схеме элемента задержки, выполненного на ОУ (рис. 17, а). На вход схемы поступает сигнал с выхода предыдущего каскада, выполненного также на ОУ. В исходном состоянии этот сигнал имеет максимальное отрицательное значение. Диод VD открыт, и на конденсаторе С удерживается такое же напряжение. На верхнем графике рис. 17, б показано изменение падения напряжения на зарядном сопротивлении R2, начиная с момента перемены знака напряжения на выходе предыдущего каскада. Этот момент соответствует началу перезаряда конденсатора С, когда на нем еще удержи-
вается исходное отрицательное напряжение. Перезаряд конденсатора идет с постоянной времени, определяемой произведением R2C. Когда напряжение на конденсаторе перейдет через нулевое значение, знак дифференциального сигнала на входе ОУ изменится, и его выходное напряжение скачком приобретет максимальное положительное значение, что соответствует срабатыванию элемента задержки. Так как это действие происходит на линейной части характеристики перезаряда конденсатора С, разброс во времени срабатывания элемента получается очень небольшим и этим обеспечивается высокая точность его работы. Сопротивление резистора R1 берется небольшим, так как он служит только для ограничения тока разряда конденсатора, не вызывая заметного увеличения времени возврата элемента.
Отметим, что описанные схемы охватывают только наиболее часто встречающиеся варианты использования типовых схем применения ОУ в реле защиты.
С учетом рассмотренных схем можно облегчить себе восприятие других схем, не попавших в данную книгу. Более подробно схемы с ОУ, используемые в релейной защите, рассматриваются в [5, 7 и 8].

• Назад
• Вперёд

• Назад
• Вперёд

• Вы здесь:  
• Главная
• Книги
• РЗиА
• org/ListItem”> Определение мест повреждения на ВЛ

Еще по теме:

• Газовое реле РГЧЗ-66 и работа элементов реле при повреждениях силового трансформатора
• Проверка релейной части ЭПЗ 1643-69 при новом включении
• Проверка релейной части ДФЗ 201 при новом включении
• Проверка и регулировка тепловых реле
• Газовое реле

Схема компаратора операционного усилителя

| Comparator Output Waveform

Схема компаратора операционных усилителей — в обсуждавшихся до сих пор применениях операционных усилителей усилители используют отрицательную обратную связь. В нормальных условиях, когда в такой схеме используется отрицательная обратная связь, выходное напряжение усилителя принимает значения между положительным и отрицательным пределами насыщения. Усилитель имеет высокий коэффициент усиления, а отрицательная обратная связь постоянно заставляет напряжение между дифференциальным входом быть небольшим.

Когда операционный усилитель используется без обратной связи (работа без обратной связи), выход усилителя обычно находится в одном из состояний насыщения. Применение небольшого разностного входного сигнала соответствующей полярности заставляет выход переключаться в другие состояния насыщения.

Таким образом, компаратор представляет собой схему с двумя входами и одним выходом. Два входа можно сравнивать друг с другом, т. е. один из них можно считать эталонным терминалом.

Когда неинвертирующее входное напряжение выше или больше, чем инвертирующее входное напряжение, выход компаратора высокий, а когда неинвертирующее напряжение меньше последнего, выход компаратора низкий.

Если инвертирующая клемма заземлена, даже малейшего входного напряжения на неинвертирующей клемме достаточно, чтобы насытить операционный усилитель. Следовательно, выход находится в состоянии положительного насыщения, как только напряжение на неинвертирующем выводе становится немного выше нуля.

Аналогично, операционный усилитель переходит в отрицательное насыщение, как только напряжение на неинвертирующем выводе становится немного ниже уровня земли.

Схема компаратора операционных усилителей, показанная на рис. 14.20, состоит из фиксированного опорного напряжения (V _ref ), подаваемого на инвертирующую входную клемму, и синусоидального сигнала V _в , подаваемого на неинвертирующую клемму. Как обсуждалось ранее, когда V _в больше, чем V _ref, , выходное напряжение достигает положительного насыщения, т. е. V _out = +V _sat = +V _cc  и когда V _in меньше, чем V _ref , выход переходит в отрицательное насыщение, то есть V _out  = – V _sat  = – В _ЕЕ .

Следовательно, выходной сигнал изменяется от одного уровня насыщения к другому всякий раз, когда V _в ≡ V _ref , как показано на рис. 14.21.

Поскольку синусоидальный вход подается на неинвертирующий вывод, эта схема называется неинвертирующим компаратором.

Аналогичным образом можно получить инвертирующий компаратор, подав синусоидальный вход на инвертирующий вывод.

Диоды Д ₁ и Д ₂ , показанные на рис. 14.20, служат для защиты ОУ от повреждения из-за чрезмерного входного напряжения (В _в ). Разностное входное напряжение (V _id ) операционного усилителя ограничивается либо +0,7 В, либо –0,7 В из-за диодов D ₁ и D ₂ . Поэтому диоды называются фиксирующими диодами.

На рис. 14.22 (а) показана схема инвертирующего компаратора, осциллограммы вход-выход показаны на рис. 14.22. (б). В этой схеме V _ref получается с помощью потенциометра, который образует делитель потенциала. Схемы компараторов операционных усилителей используются в качестве дискриминаторов, детекторов уровня напряжения, генераторов, цифровых интерфейсов, триггеров Шмитта и т. д.

Как использовать операционные усилители в качестве компараторов

Учитесь на знаниях сообщества. Эксперты добавляют свои идеи в эту совместную статью на основе ИИ, и вы тоже можете.

Это новый тип статьи, которую мы начали с помощью ИИ, и эксперты продвигают ее вперед, делясь своими мыслями непосредственно в каждом разделе.

Если вы хотите внести свой вклад, запросите приглашение, поставив лайк или ответив на эту статью. Узнать больше

— Команда LinkedIn

Последнее обновление: 27 апреля 2023 г.

Операционные усилители или операционные усилители — это универсальные устройства, которые могут выполнять различные линейные функции, такие как усиление, фильтрация и интегрирование. Однако их также можно использовать в качестве компараторов, которые представляют собой нелинейные схемы, сравнивающие два входных напряжения и выдающие высокое или низкое выходное напряжение в зависимости от того, какое из них больше. В этой статье вы узнаете о преимуществах и недостатках использования операционных усилителей в качестве компараторов, а также несколько советов о том, как выбрать лучший операционный усилитель для вашего приложения компаратора.

Зачем использовать операционные усилители в качестве компараторов?

Одной из основных причин использования операционных усилителей в качестве компараторов является то, что они широко доступны, недороги и просты в использовании. Вы можете просто подключить два входных напряжения к инвертирующей и неинвертирующей клеммам операционного усилителя, и выходное напряжение будет переключаться между положительной и отрицательной шинами питания в зависимости от того, какой вход выше. Вы также можете отрегулировать опорное напряжение, добавив резисторный делитель или потенциометр к одному из входов. Кроме того, операционные усилители имеют высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и высокий коэффициент усиления, что делает их подходящими для сопряжения с различными типами сигналов и нагрузок.

Каковы недостатки использования операционных усилителей в качестве компараторов?

Несмотря на свою простоту и удобство, операционные усилители не предназначены для использования в качестве компараторов, и у них есть некоторые ограничения и недостатки, о которых следует знать. Одним из основных недостатков является то, что операционные усилители имеют большое время отклика или скорость нарастания, что означает, что они не могут достаточно быстро переключать выходное напряжение для высокочастотных или быстро меняющихся сигналов. Это может привести к колебаниям, выбросам и задержкам на выходе, что может повлиять на точность и надежность схемы компаратора. Другой недостаток заключается в том, что операционные усилители имеют ограниченный размах выходного напряжения, что означает, что они не могут достичь точных шин питания, и они могут иметь область насыщения, в которой выходное напряжение не изменяется, даже если изменяется входное напряжение. Это может вызвать ошибки и гистерезис в схеме компаратора.

Как повысить производительность компаратора на операционных усилителях?

Если вы хотите использовать операционные усилители в качестве компараторов, есть несколько способов улучшить их характеристики и устранить некоторые из их недостатков. Одним из наиболее распространенных и эффективных методов является добавление положительной обратной связи или гистерезиса в схему компаратора. Это означает, что вы подключаете резистор между выходом и неинвертирующим входом операционного усилителя, создавая контур, который стабилизирует выходное напряжение и предотвращает колебания. Величина гистерезиса зависит от номинала резистора и входного напряжения, и его можно рассчитать по простой формуле. Другой метод заключается в использовании триггера Шмитта, который представляет собой специальный тип компаратора со встроенным гистерезисом и малым временем отклика. Вы можете либо использовать специальную микросхему триггера Шмитта, либо сделать ее, используя операционный усилитель и несколько резисторов и конденсаторов.

Как выбрать лучший операционный усилитель для схемы компаратора?

При выборе операционного усилителя для компараторов следует учитывать несколько факторов, таких как скорость нарастания, колебания выходного напряжения, потребляемая мощность и полоса пропускания. Скорость нарастания определяет, насколько быстро операционный усилитель может переключаться между высоким и низким состояниями. Размах выходного напряжения влияет на различие между двумя состояниями. Потребляемая мощность влияет на срок службы батареи и тепловыделение схемы. А полоса пропускания определяет частотный диапазон, который можно усилить без затухания или искажений. Выбор операционного усилителя с высокой скоростью нарастания, большим размахом выходного напряжения, низким энергопотреблением и широкой полосой пропускания обеспечит оптимальную работу вашей схемы.

Примеры схем компараторов операционных усилителей

Чтобы проиллюстрировать, как использовать операционные усилители в качестве компараторов, вот несколько примеров распространенных схем компараторов операционных усилителей, которые вы можете построить и с которыми можно экспериментировать. Например, детектор пересечения нуля представляет собой простую схему, которая обнаруживает, когда входной сигнал пересекает уровень нулевого напряжения, и соответственно создает высокое или низкое выходное напряжение. Вы можете использовать эту схему для измерения частоты или фазы входного сигнала или для преобразования синусоидальной волны в прямоугольную. Для этого требуется операционный усилитель, два резистора и конденсатор. Оконный компаратор является более сложным и определяет, когда входной сигнал попадает в определенный диапазон напряжения или выходит за его пределы. Вы можете использовать эту схему для контроля или управления уровнем входного сигнала, или для включения сигнализации или реле. Для этого требуются два операционных усилителя, четыре резистора и диод. Отчетность и документирование инцидента помогут вам проинформировать и успокоить заинтересованные стороны, а также предоставить ценную информацию для улучшения вашего состояния безопасности в облаке.

Вот что еще нужно учитывать

Здесь можно поделиться примерами, историями или идеями, которые не вписываются ни в один из предыдущих разделов. Что бы вы еще хотели добавить?

Оценить эту статью

Мы создали эту статью с помощью ИИ.