Összehasonlító áramkörök az IC 741, IC 311, IC 339 alkalmazásával

Az összehasonlító áramkör alapvető funkciója két feszültségszint összehasonlítása a bemeneti tüskéin és egy kimenet előállítása annak bemutatására, hogy melyik bemeneti feszültségnek van nagyobb potenciálja, mint a másiknak.

Ebben a cikkben részletesen megtanuljuk, hogyan kell helyesen megtervezni az összehasonlító áramköröket olyan népszerű IC-k használatával, mint az IC 741, IC 311 és IC LM339

Különbség a komparátor és az Op Amp között

Az IC 741 ideális példa egyetlen op erősítőre, az IC LM311 pedig egy dedikált egyetlen komparátor jó példájának tekinthető.

Mindkét egységnek azonos „háromszög” alakú eszközszimbóluma lesz, amelyet általában felismerünk és összehasonlító áramkörök rajzolásához használunk. E két összehasonlító forma kimeneti válaszának azonban van néhány fő különbsége.

Bár egy op erősítő és egy komparátor is konfigurálható, hogy összehasonlítsák a differenciális jeleket a bemeneti tűiken, a két partner közötti fő különbségek a következők:

• Tápfeszültség alatt az op erősítő kimenete pozitív vagy negatív lesz, a bemeneti tű feszültségszintjétől függően, de soha nem lehet nyitott. Ezzel szemben az összehasonlító kimenet lehet nyitott vagy földelt (negatív), vagy lebegő.
• Az op erősítő kimenete minden felhúzási vagy lehúzási ellenállás nélkül működhet, de egy komparátorhoz mindig szükség lesz egy külső felhúzási vagy lehúzási ellenállásra, hogy a kimeneti fokozat normálisan működjön.
• Op erősítő használható nagy erősítésű erősítő áramkörök kiépítésére, összehasonlító ilyen alkalmazásokhoz nem használható.
• Az op erősítő kimeneti kapcsolási válasza általában lassabb, mint egy összehasonlító IC.

A klasszikus összehasonlító áramkör kialakítása a következő ábrán látható:

Itt a kimenet „magas” digitális jellel reagál, amikor a nem invertáló (+) bemenet feszültsége magasabb, mint az invertáló (-) bemenet. Ezzel szemben a kimenet alacsony digitális jellé változik, amikor a nem invertáló bemeneti feszültség alacsonyabb, mint az invertáló bemeneti feszültség.

A fenti ábrára hivatkozva láthatjuk az összehasonlító áramkör szabványos csatlakozását, amelynek egyik bemenete (ebben a példában az invertáló bemenet) referenciafeszültséggel van konfigurálva, és a másik bemeneti tüske, amely a bemeneti jel feszültségéhez kapcsolt nem invertáló bemenet .

Amíg a Vin-t alacsonyabb feszültségen tartják, mint a +2 V referenciafeszültséget, a kimenet alacsony marad -10 V körül. Ha a Vin értéket közvetlenül +2 V fölé növeljük, a kimenet azonnal megváltozik, és magasra fordul + 10 V. Ez az állapotváltozás a kimeneten -10 V és +10 V között azt jelzi, hogy a Vin magasabb lett, mint a + 2 V referencia.

A komparátorok belsejében a fő komponens egy op erősítő áramkör, amely nagyon nagy feszültségerősítéssel áll be. Az összehasonlító működésének pontos tanulmányozásához vegyük az IC 741 példáját, az alábbiak szerint:

Itt láthatjuk, hogy az invertáló bemenet2 pin (-) földre vagy 0 V szintre vonatkozik. Szinuszos jelet adunk a pin3-ra, amely az op amp nem invertáló bemenete. Ez a váltakozóan változó szinuszos jel arra készteti a kimenetet, hogy a magas és az alacsony kimeneti állapot között váltson, amint azt a kép jobb oldalán jelezzük.

Amikor a Vin bemenet még egy millivoltot is elmozdít a 0 V referencia fölé, a különbséget az IC belső nagy nyereségű op erősítője erősíti, aminek következtében a kimenet a kimenet pozitív telítettségi szintjén magasra megy. Ez az állapot mindaddig fennmarad, amíg a Vin jel a 0 V referencia fölött marad.

Most, amint a jelszint egy árnyalattal a 0 V referencia alá csökken, a kimenetet az alacsonyabb telítettségi szintre hajtják. Ez a feltétel megmarad mindaddig, amíg a Vin bemeneti jel a 0 V referenciaszint alatt marad.

A fenti magyarázat és a képen bemutatott hullámforma egyértelműen jelzi a kimenet digitális válaszát lineárisan változó bemeneti jelre.

Normál alkalmazások esetén a referenciaszintnek nem kell 0 V-nál lennie, inkább bármilyen pozitív szint lehet a követelmény szerint. Szükség esetén a referencia a pozitív vagy a negatív tápvezetékhez is csatlakoztatható, miközben a bemeneti jel a másik bemeneti csapra kerül.

Az IC 741 összehasonlító eszközként történő használata

A következő példában megtanuljuk, hogyan lehet hatékonyan használjon op erősítőt komparátorként

Az ábrán láthatunk egy op erősítő áramkört, amelynek pozitív referenciája működik az invertáló bemeneti tűn (-). A kimenetet egy LED kapcsolja.

A feszültségosztó hálózati képlet segítségével kiszámíthatjuk a referenciafeszültség értékét az IC (-) bemeneti tüskéjén.

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

Mivel ez a referencia az IC (-) tűjéhez van társítva, ha a (+) bemeneten a Vin feszültség magasabb lesz, mint ez a referencia, vagy pozitívabbá válik, mint a referencia, akkor a Vo kimenet pozitív telítettségi szintre váltására kényszerül.

Ennek hatására a LED világítani kezd, jelezve, hogy a Vin pozitívabb lett, mint a referenciaszint +6 V.

Ellenkezőleg, ha a nem invertáló bemenet (+) referenciatűsként van konfigurálva, és a Vin az invertáló bemeneti (-) csapra van alkalmazva, a kimenet alacsony lesz, amint a Vin bemenet a referenciaérték alá esik, és fordítva.

Ez azonnal kikapcsolja a LED-et.

Ezért a LED bekapcsolható vagy kikapcsolható egy adott bemeneti jelnél, a bemeneti tű megfelelő bekötésével a referenciaszinttel és a bemeneti jelrel.

Speciális komparátor IC egységek használata

Az op erősítők általában komparátor áramkörként működnek, de egy dedikált komparátor IC használata még jobban működik, mint egy op erősítő egy komparátor alkalmazáshoz.

Az összehasonlító IC-k kifejezetten ideálisak az összehasonlító funkciókhoz, és jobb reakciót mutatnak, például gyorsabb kapcsolást a kimeneten a pozitív és a negatív szint között.

Ezek az IC-k jobban ellenállnak a zajnak, és sokszor a kimenetek közvetlenül felhasználhatók a terhelés meghajtására.

Ismerjünk meg néhány népszerű összehasonlító IC-t részletesen a következő beszélgetésből.

Összehasonlító áramkör az IC 311 segítségével

A fenti ábra az IC 311 komparátor belső elrendezését és kivezetési részleteit mutatja. Az IC-t kettős tápegységről is működtetni tervezték, +15 V és -15 V tartományban, amely szabványosan kompatibilis szint mindenki számára modern digitális IC-k.

Az IC belsejében lévő kimeneti fokozat bipoláris tranzisztorral rendelkezik, lebegő kollektoros és emitteres kapcsokkal. Ez azt jelenti, hogy ennek a tranzisztornak a kimenete konfigurálható kétféle módon konfigurálható:

1. Egy felhúzási ellenállás hozzáadásával a 7 kollektor csapszeggel és az emitter1 tű földelésével, majd a kollektor kimenetként történő felhasználásával.
2. Úgy, hogy összekapcsoljuk a kollektort a pozitív vonallal, és az emittert használjuk kimenetként.

A tranzisztor kimenet relé vagy kis terhelés, például lámpa meghajtására is használható, közvetlenül külső puffer fokozat nélkül.

Az IC emellett tartalmaz egy mérleget és egy strobe bemenetet, amely a kimenettel kapuzható.

Az IC néhány hasznos alkalmazását a következő szakaszokban tárgyaljuk:

A fenti ábra bemutatja, hogy az IC 311 miként konfigurálható a-ként nulla keresztezésű detektor komparátor a bemeneti feszültség érzékeléséhez, amikor átlépi a nulla vonalat.

A 311 invertáló bemenete (-) látható a talajjal összekötve. Abban az időszakban, amikor a bemeneti jel pozitív szinten van, a kimeneti tranzisztor bekapcsolt állapotban marad, ami alacsony értéket hoz létre (ebben a példában -10) a kimeneten (tranzisztor kollektor).

Amint a bemeneti jel negatívvá válik vagy 0 V alá csökken, a tranzisztort kikapcsolják. Ez pozitív + 10 V-ot hoz létre az IC kollektor kimenetén. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy megtudjuk, mikor van a bemeneti jel a nulla szint felett, és mikor esett a nulla szint alá.

Az alábbi következő ábra azt mutatja be, hogy az IC 311 komparátor hogyan használható egy strobed áramkör előállítására.

Ebben az összehasonlító áramköri példában a kimeneti pin7 magasra fordul, amikor a pin3 feszültségszintje a pin2 referenciaérték fölé emelkedik. De ez csak akkor történhet meg, amikor a pin6 strobe bemeneti tű alacsony vagy 0 V-on van.

Ha egy magas TTL strobot alkalmaznak a tranzisztor tövén, a pin6 alacsony lesz, aminek következtében az IC kimeneti tranzisztor kikapcsol, és ezáltal lehetővé teszi a pin7 magasra kerülését.

A kimenet továbbra is magas, amíg a TTL bemenetet magasan tartja, függetlenül a pin3 bemeneti jel állapotától.

Ha azonban a TTL jelet strobed formában alkalmazzák, akkor a kimenet reagál a bemeneti jelre a pin3-on. Leegyszerűsítve: a kimenet magasan zárva marad, hacsak a pin6 nem strobozik.

Relé csatlakoztatása komparátorhoz

Az alábbi ábra mutatja, hogy a 311 összehasonlító hogyan használható közvetlenül működtetni egy relét .

Itt, amikor a bemeneti pin2 feszültségszintje 0 V alá csökken, a pin3 pozitívabb lesz, mint a pin2. Ez azt eredményezi, hogy a belső tranzisztor kollektora kikapcsol, ami bekapcsolja a relét. A a relé érintkezői nagyobb terheléssel lehet bekötni a kívánt kapcsolási művelet végrehajtásához.

Amíg a (+) bemenet a 2. tűnél 0 V alatt marad, a relé bekapcsolt állapotban marad. Ezzel szemben, ha pozitív jel áll rendelkezésre a 2-es érintkezőnél, a relé kikapcsolt állapotban marad.

Összehasonlító áramkör az IC 339 segítségével

Az IC 339, más néven LM339 néven írva, négyes összehasonlító IC. Ez azt jelenti, hogy 4 különálló feszültség-összehasonlítót tartalmaz, amelyek be- és kimenetei az IC-csomag megfelelő külső csapjain keresztül megfelelően vannak lezárva, az alábbiak szerint.

Csakúgy, mint bármely más összehasonlítóban, minden egyes összehasonlító blokkban van pár bemenet és egy kimenet. Ha az IC-t feszültség alá helyezik a Vcc-n és a földelő tápokon, akkor az összes komparátort együtt táplálja. Tehát egyetlen komparátor használata esetén is a többi 3 fogyasztana némi energiát.

Valamennyi komparátor pontosan azonos jellemzőkkel rendelkezik, ezért ezek bármelyikét elemezhetjük az alapvető komparátor funkció megismerése érdekében.

Ha a bemeneti terminálokon pozitív differenciálbemenetet alkalmaznak, vagyis amikor az alkalmazott jelek közötti különbség pozitív, akkor a kimeneti tranzisztort KIKAPCSOLJA. Ez azt eredményezi, hogy a kimenet nyitott vagy lebegő áramkört mutat.

Ha a differenciálbemenet negatív, vagyis ha a bemeneti tüskéken alkalmazott jelek közötti különbség negatív, akkor bekapcsolja a komparátor kimeneti tranzisztorát, ami a komparátor kimeneti tüskéjét negatívra, vagy V-potenciálra váltja.

A fenti ábrára hivatkozva megérthetjük, hogy ha az IC nem invertáló (+) bemenetét használjuk referenciatűsként, akkor az invertáló bemeneti tűnél (-) ennél a referenciánál alacsonyabb feszültség eredményezi a összehasonlító váljon nyitottá. Másrészt, ha a (-) értéket használják referenciatűsként, akkor a (+) bemenetnél a referenciaértéknél magasabb feszültségszint a kimenetet negatívra vagy V

Annak érdekében, hogy megtanuljuk, hogyan működik az IC 339 összehasonlító eszközként, a következő példa az IC-t nulla keresztezési detektorként mutatja be.

Abban a pillanatban, amikor a bemeneti jel 0 V fölé emelkedik, a kimenetet magasra fordítják V + szinten. A kimenetet csak V-nál kapcsolják ki, miközben a bemenet 0 V alatt van.

Amint azt korábban kifejtettük, a referenciaszintnek nem kell 0 V-nak lennie, hanem bármely más kívánt szintre módosítható. Ezenkívül a másik bemeneti tűt (+) is használhatja referenciatűsként, és a (-) bemeneti tűt a bemeneti tűként a változó bemeneti jel elfogadásához.

A komparátor IC-k lebegő kimenetének előnye

Amint azt az előző magyarázatokban kifejtettük, az összehasonlító kimenetet a BJT-n keresztül kapcsoljuk át, amelynek kimenete nyitott kollektor. Ez megadja annak az előnyét, hogy két komparátor kimenetét közvetlenül az IC 339-hez csatlakoztatja, mint egy VAGY kapu .

Az ablak-összehasonlító áramkör szép példája látható alább. Itt két IC 339 komparátor blokk van konfigurálva egyetlen közös bemeneti jellel, és a kimenetek úgy vannak összekapcsolva, mint az OR kapu.

A megfelelő komparátorok kimenete alacsonyra süllyed, amikor a bemeneti jel átlépi az alsó vagy a felső beállított küszöböt, ezáltal lehetővé téve a felhasználó számára, hogy megtudja, mikor van a jel a beállított ablak szintjén kívül.

Ablak-összehasonlító használható hasznos alkalmazásokhoz, például magas kisfeszültségű védő áramkör, és napkövető áramkör stb.

Következtetés

A fenti magyarázatokból megtudtuk, hogy:

Az összehasonlítók alapvetően két kiegészítő bemenettel és egy érzékeny kimenettel rendelkező egységek. A kimenet magasra vagy alacsonyra fordul, ha az egyik bemenet feszültségszintje magasabb vagy alacsonyabb lesz, mint a másik bemenet, attól függően, hogy melyik bemenetet használják referenciaként vagy rögzített feszültségszintnél.

Bár egy op erősítőt komparátorként is lehet használni, a speciális komparátor IC-ket jobban úgy tervezték, hogy komparátorokként működjenek.

Az olyan dedikált komparátor IC-ket, mint az LM311, LM339, kifejezetten összehasonlító alkalmazásra tervezték, gyorsabb válaszadással és rugalmas nagyáramú kimeneti képességgel.

Ha bármilyen kapcsolódó kérdése van, kérjük, tegye fel őket az alábbi megjegyzés rovatban.