Слово «компаратор» произошло от латинского «comparare» и в буквальном русском переводе означает «сравнивать». Он производится в разнообразных модификациях, которые востребованы современной электронной промышленностью. Самые простые конструкции для сравнения контролируемых данных обладают 2-мя входами аналогового типа и одним цифровым. Базу его функционирования обеспечивает дифференциальный каскад, имеющий мощные усилительные характеристики. Компаратор напряжения довольно востребованное устройство и используется в областях, связанных с измерениями либо которые используют превращение сигнала из аналогового в цифровой.
Что такое компаратор напряжения
Принцип функционирования компаратора напряжения (КН) можно сравнить с весами рычажного типа. Когда на одну чашу весов укладывается эталонная гиря, а на другую — измеряемый продукт. В то время, когда вес продукта будет одинаковым с массой контрольного веса, чаша с эталонным весом поднимается выше, после чего процесс взвешивания заканчивается.
Применение компараторов
В КН вместо гирь функционирует основное напряжение, а продукт заменяет входящий сигнал. Когда образуется логическая «1» на выходе компаратора, начинается процесс сопоставления значений напряжения. Для проверки такого прибора не потребуется выполнения трудозатратной схемы. Достаточно подключить выходной вольтметр, а на вводы — регулируемое напряжение. При смене входных параметров на вольтметре будет видима функциональность КН, параметры настройки задаются схемой.
Схема аналогового компаратора с гистерезисом на операционном усилителе
Диаграмма работы схемы с гистерезисом схожа, с той лишь разницей, что включение и выключение не происходит при одном и том же напряжении.
Читая такой график, следует обратить внимание на направление стрелок, они показывают направление движения гистерезиса. Следуя слева направо мы видим, что переход к низкому уровню происходит только при напряжении Uph, а перемещаясь справа налево выходное напряжение достигнет высокого уровня только при напряжении Upl.
Такое решение приводит к тому, что в момент, когда напряжения на входах равны, то на выходе не происходит изменение состояния, для этого необходимо чтобы напряжения отличались на значительную величину.
Правда, такое решение вызывает определенную инертность системы, но, безусловно, это безопаснее по сравнению со схемой без гистерезиса. Часто такую работу можно наблюдать в нагревательных устройствах, содержащих термостат (утюги, плиты и т. д.). Ниже представлена принципиальная схема на операционном усилителе, реализующая гистерезис:
А вот зависимость, которая позволяет рассчитать все напряжения:
Принцип работы компаратора
Самым простым прибором считается компаратор, который сопоставляет напряжение, поступающее на один из входов, с базовым показателем, присутствующим на ином входе. Примитивный компаратор напряжения на операционном усилителе (ОУ) — без обратной связи.
Принцип работы
КН выполнен в виде электронной схемы с 2-мя входящими напряжениями и может устанавливать большее значение. Просто выполнить модели КН из ОУ, так как полярность выходящей электроцепи операционного усилителя исходит от полярности разности показателей напряжения на 2-х входах.
Представим, что существует фотоэлемент, который производит 0.5 В под воздействием солнечного света, и необходимо применять данный фотоэлемент в роли измерителя для установления периода дневного освещения. В таких случаях лучший вариант — применять КН, чтобы сопоставить напряжение от фотоэлемента с контролируемым показателем 0.5 В.
В цепи КН, первоначальное опорное напряжение поступает на инвертирующем вводе (U -), после напряжение, которое будут сравнивать с опорным, поступает на неинвертирующий ввод. Выходное значение исключительно зависит от входного размера по отношению к опорному напряжению.
Вам это будет интересно Измерения напряжения мультиметром
Схема компаратора
Схема компаратора:
- Менее эталонного — отрицательный;
- равноправный опорному — «0»;
- более эталонного значения — положительный.
ОУ компаратора сравнивает один уровень аналогового напряжения с другим уровнем аналогового напряжения или каким-либо опорным напряжением, и выдает выходной сигнал на основе этого сравнения напряжения. Другими словами, компаратор напряжения ОУ сопоставляет данные 2-х входов и определяет наибольший, простота и эффективность этой схемы проверена на практике и реализована в многих бытовых приборах.
Положительная обратная связь
Компараторы напряжения либо используют положительную обратную связь, либо вообще не используют ее в режиме разомкнутого контура. Затем выходной сигнал КН подается полностью на его положительную шину питания + Ucc или на отрицательную шину питания —Ucc, при приложении переменного входного сигнала, который проходит некоторое предварительно установленное пороговое значение.
КН (-) обратной связью
Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания
Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.
При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.
Читать также: С каким аккумулятором лучше брать шуруповерт
При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».
Параметры прибора
На самом деле, прибор можно расценивать как простейший вольтметр. КН, подобно цифровому прибору, обладает рядом эксплуатационных качеств, подразделяемые на 2 разновидности: статические и динамические.
Параметры прибора
Первые обладают следующими характеристиками:
- Максимальная чувствительность по отношению к пороговым размерам сигнала, которые КН устанавливает на входе и заменяет потенциал выхода устройства на логический «0» либо «1».
- Размер смещения устанавливается передаточным фактором прибора в отношении установленного образцового положения.
- Входной ток — предельное значение, способное протекать с использованием любого вывода, при этом, не нанеся повреждение прибору.
- Выходной ток — размер тока, во время перехода измерителя в положение «1».
- Разность токов — результат, определяемый при вычитании токовых данных.
- Гистерезис — разница в уровнях входящего сигнала, которая приводит к изменению стабильного выходного состояния.
- Коэффициент понижения сигнала рассчитывается по отношению к дифференциальному сигналу, которые приводят к смене варианта функционирования измерителя.
- Наименьшая и наибольшая номинальная температура — интервал, в котором технологические характеристики прибора не будут изменяться.
Гистерезис компаратора
Обратите внимание! Все основные параметры КН изображаются в форме параметров переходного типа. Это диаграмма, где по оси Х обозначается время, а Y — напряжение в вольтах.
Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором
Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.
Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.
В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.
Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.
Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:
Паяльная станция 2 в 1 с ЖК-дисплеем
Мощность: 800 Вт, температура: 100…480 градусов, поток возду…
Подробнее
Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).
Как обозначается компаратор на схемах
На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».
Вам это будет интересно Металлоискатель для проводки
Обозначение на схемах
Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.
Схема аналогового компаратора на операционном усилителе
Эта схема сравнивает два напряжения, и в зависимости от их состояния переводит сигнал на выходе в высокое или низкое состояние. Можно сказать, что эта система сочетает в себе аналоговую и цифровую электронику.
Она довольно интересна, так как не имеет обратной связи (в базовой версии), это в свою очередь говорит о том, что сопротивление петли бесконечно большое.
На положительный вход мы подаем обрабатываемый сигнал, а на отрицательный вход фиксированное (опорное) напряжение, устанавливаемое потенциометром. Так как петля обратной связи отсутствует, то коэффициент усиления бесконечно большой.
Где применяется компаратор напряжения
Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.
Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.
Давайте вместе разберемся в её работе.
Наиболее понятно, работа данной схемы представляется в виде работе некоторого постоянно сравнивающего устройства, которое постоянно сравнивает сигнал 1 и сигнал 2 подаваемые на вход компаратора. Выход оно устанавливает исходя из следующего:
Сигнал 1 больше по напряжению, чем сигнал 2?
Если да, то выход устанавливается в 10В (напряжение питание операционного усилителя). Если нет, то в 0В.
Рис.2. Наглядное описание работы компаратора
На первый взгляд в работе данной схемы нет ничего необычного, но существует бесчисленное множество применений работы данной схемы. В основном это устройства, которые переводят аналоговый сигнал в некоторую логическую величину: ДА или НЕТ. Это может быть и индикатор зарядки батареи, и датчик критического уровня жидкости в сосуде или любой другой аналоговый сигнал, который переходи какое-то определённое значение.
Конструкция компаратора
КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:
- LM No 339;
- LM No 311;
- MAX No 934;
- К554СА3.
Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.
Фотореле контроля
Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.
Вам это будет интересно Работа с токовыми клещами
Фотореле
Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.
Зарядный блок
Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена
Зарядный блок
Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.
Кварцевый генератор
Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32.768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.
Генератор
При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.
Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.
Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.
Введение
Comments
JoJo 2011-09-01 07:33 Можно в эту схему добавить регулировку порогов? Например, заменить какой нибудь резистор на потенциометр.
Pashgan 2011-09-01 18:13 К сожалению нет. Зависимость Uпорога от R будет нелинейной. Кроме того, изменение резистора будет вызывать сдвиг обоих порогов.
plv 2011-10-01 21:45 Что то по твоим расчетам у меня ничего не получается посчитать… нужна помощь. Напиши мне Заранее спасибо.
si-len-a 2012-03-01 19:30 Здравствуйте.Ск ажите,я правильно понимаю,если на вход UIN2 подать пульсирующий сигнал -1,5в.(светодио д),то на выходе UOUT будет постоянный сигнал?
nordis 2012-12-19 14:35 Интересненько. Я только не пойму, почему подстроечный резистор нельзя включить последовательно резистору R1. Кроме него по моему можно и терморезистор. А для подстройки параметров переменный резистор +, -, Uin2. У меня так работает схема термоконтроля на ОУ LM324
Pashgan 2012-12-19 20:33 Я не говорил, что нельзя. Можно, только не получится линейно регулировать им порог срабатывания схемы.
sisrar 2013-01-21 10:35 Привет! У меня при введении номиналов резисторов и напряжений из твоего примера, значения напряжений порогов получились 2,4444В и 2,5333В, у тебя же 1В и 2В. Помоги, плис, что не так?
Pashgan 2013-01-21 10:53 В расчете используются напряжение питания и положительное напряжение насыщения ОУ. У тебя они такие же или отличаются? И как ты проверяешь?
sisrar 2013-01-22 06:17 Спасибо Pashgan, что оперативно ответил мне на почту и объяснил в чем проблема. Теперь все получилось. С толку сбивали значения сопротивлений R1 и R2 равные 1 кОм, указанные вначале расчета. На них обращать внимания не надо, т.к. сопротивления R1 и R2 и нужно найти. Я бы стер R1 и R2 равные 1 кОм из примера и добавил бы в текст выведенные уровнения для: R1 = U1 * R3 * (Uht / Ult — 1) / Usat; R2 = R1 / (U1 / Ult — R1 / R3 — 1).
Даниил 2013-03-04 09:49 Спасибо, очень подробно написано! У меня только есть 2 вопроса. 1) Какие максимальные частоты можно использовать таким компаратором? Или это зависит от ОУ? сколько может съесть он, столько же и компаратор? 2) Можно ли, чтобы уровни сигнала были 0 и 5В? Предполагаю на вход такого компаратора подать синус, в пиках которого будет 0 и 5В, а выход хочу подключить к D-триггеру, чтобы частоту поделить. И вот думаю, будет ли корректно работать схема счетчика, если на нее будет приходить не от 0 до 5В, а от 0 до 4В, как посчитано тут?
Pashgan 2013-03-04 12:30 1) Точно не могу сказать, не знаю. Да, это зависит от ОУ, но скорострельност ь полученного компаратора будет однозначно меншье, чем, например, усилительной схемы на ОУ. Потому что операционному усилителю требуется время, чтобы выйти из насыщения. Для обработки скоростных сигналов лучше взять микросхему компаратора. 2) Нужно смотреть какой усилитель. В описании обычно оговаривается диапазон входных напряжений. Lm358 в максимуме позволяет это делать, а в номинальном режиме входное напряжение должно быть меньше напряжения питания на 1.5-2 вольта. Если поставить ограничительные диоды, то в принципе можно. Насчет выходного напряжения — нужно взять описание на счетчик и посмотреть минимальный уровень логической единицы для него.
Даниил 2013-03-04 13:16 Quoting Pashgan:
Для обработки скоростных сигналов лучше взять микросхему компаратора.
А ведь есть уже готовый триггер Шмитта уже зашитый в корпус (например DIP14). Я так понимаю, что там уже не надо ничего расчитывать? Просто взять описание, посмотреть уровни напряжений и подобрать свой?
Pashgan 2013-03-04 20:27 Расчет точно такой же, как и с операционным усилителем. Только компаратор дает на выходе полный размах сигнала — от нуля до U питания. У него на выходе открытый коллектор транзистора, который через резистор подтягивают к плюсу питания.
Ра 2013-09-09 20:13 Статья хорошая, по подсчетам все в принципе получилось, есть только один вопрос: Схема Триггера Шмитта, изображенная в самом начале это какой то вариант с разными задаваемыми порогами, или Мультивибратор? Обозначения смущают что то….
Pashgan 2013-09-09 20:55 Это обычная схема компаратора на ОУ. А что смущает? Батарея, резисторы и ОУ.
Ра 2013-09-09 21:35 Батарею с конденсатором спутал))) сори слеповат малость. Вопрос по теме, не смог разобраться: Как найти напряжение на выходе с уже известными сопротивлениями и напряжениями на входах? На примере найденных значений. В прошлой статье об этом вскользь, не могу нигде найти.
Pashgan 2013-09-10 07:14 Для этой схемы? Фактически у нее только два выходных напряжения, которые определяются входным напряжением и заданными порогами.
Dimidrol 2014-02-13 17:30 Спасибо! Очень познавательно! 
dima 2015-12-17 13:41 Собрал схему. получается если на UIN2 на схеме подать 0 вольт, то на выходе будет 5 вольт. Если подать 5 Вольт то на выходе будет 0 вольт. Получается что триггер шмитта на оу инвертирует сигнал? У меня почему то так работает.
Refresh comments list RSS feed for comments to this post
У вас недостаточно прав для комментирования.
JComments
