Схемы компаратора

Активный выпрямитель — описание работы схемы

Схема выделяет модуль входного напряжения и тем самым работает как двухполупериодный выпрямитель. Она состоит из диодного ограничителя, реализованного на ОУ₁ и двухвходового суммирующего усилителя на ОУ₂.

Когда входное напряжение Uвх имеет отрицательную полярность, верхний диод находится в непроводящем состоянии. Последовательно включенные сопротивления R и R/2 не работают, поскольку они включены между потенциально заземленными входами усилителей ОУ₁ и ОУ₂ . Выходной суммирующий усилитель действует как инвертор с единичным усилением, и:

Uвых = − Uвх при Uвх

Входное напряжение положительной полярности Uвх преобразуется ограничителем в напряжение отрицательной полярности U=−Uвх , и затем оба напряжения складываются так, что на выходе суммирующего усилителя появляется напряжение:

Uвых = − Uвх − 2U = + Uвх при Uвх > 0

Оба случая можно формально объединить, записав как:

Uвых = |Uвх|

Поэтому такой выпрямитель и называется также схемой выделения модуля переменного сигнала

Графически зависимость выпрямленного выходного напряжения от переменного входного можно изобразить в следующем виде:

Данная схема очень пригодилась, когда появилась необходимость выпрямлять переменное напряжение частотой 150кГц с последующей отправкой на АЦП микроконтроллера для передачи на ПК. Выпрямитель стал частью установки по изучению релаксационных свойств МДП структур

Характеристики данной схемы определяются применяемыми деталями.

В качестве ОУ была выбрана микросхема LM833, позволяющая работать на частотах вплоть до 15МГц. Такой запас по частотной полосе может показаться даже излишним, однако он гарантирует минимум фазовых искажений до нескольких МГц. Использовалось напряжение питания ±15В, которое было стабилизированно посредством L7815 и L7915.

В качестве диодов использовались быстродействующие Диоды Шоттки (4148).

Величина R была выбрана 14.51 кОм, ввиду наличия данного номинала, однако никто не мешает выбрать ее равной как 10кОм так и 20-30кОм.

Для исключения внесения дополнительной ошибки использовались прецизионные резисторы типа (С2-13). Данные резисторы имеют стеклянную изоляцию покрытую дополнительным слоем керамики, что обеспечивает значительную температурную стабильность при измерениях. Ошибка номиналов резисторов +-0.5%.

Разберём несколько из примеров использования компараторов (рекомендованных для домашней сборки), для того чтобы лучше разобраться в том, как работает данная схема.

1. Датчик перегрева радиатора

Данная схема работает по следующему принципу: В зависимости от температуры терморезистор R5 будет иметь разное значение сопротивления. С ростом температуры его сопротивление увеличивается.

Если температура не достигла заданной, то напряжение на выходе компаратора равно 0, и светодиод не горит.

При достижении температуры, установленной потенциометром R3, компаратор переключается, светодиод загорается, информируя нас о том, что терморезистор R5 перегрелся. В этот момент нужно как-то охладить работу вашей схемы, например, включив вентилятор или насос для прокачки воды. Это легко реализовать подключением в качестве нагрузки к выходу компаратора обычное электромагнитное реле.

2. Индикатор зарядки/разрядки батареи с двумя фиксированными уровнями.

Задача данного датчика крайне проста: проинформировать держателя батарейки о полном её заряде и скором прекращении работы. Данная схема отличается от предыдущей тем, что строиться на базе не одного, а двух компараторах, но это не беда для современной техники. Дело в том, что большинство современных операционных усилителей выпускаются в корпусе DIP8/SO8 и в своём составе содержат два операционных усилителя. К примеру, вот фрагмент даташита (технического описания микросхемы) используемого мною ОУ:

Решается она следующим образом: входное напряжение поступает на сложный делитель R3-R5-R7. В результате получаются два аналоговых уровня соответствующих не инвертирующим входам ОУ.

Тот, что получается между резисторами R3-R5 будет говорить нам о глубоком разряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при достаточно низком напряжении.

Тот, что получается между резисторами R5-R7 будет говорить нам о полном заряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при высоком напряжении на клеммах аккумулятора.

Сразу замечу, что схема мной собиралась не раз и тестировалась на лабораторном блоке питания и реальной батарейке. По этому все комментарии по настройке тут особо не нужны, так как схема работает сразу практически без настройки. Схема отлично работает с 9В свинцовыми и МеОН аккумуляторами. Для популярных в последнее время Li-ion батареек она несколько изменяется: современные Li-ion батарейки работают в диапазоне 4,2-2,4В. Для них питание операционного усилителя выбирается на уровне 2,4В (под стандартный стабилизатор), фиксированный уровень сравнения вместо 2,5В становится 1,2В и используются низковольтные ОУ. В остальном схема точно такая-же.

Единственное, что необходимо для неё рассчитать — сложный делитель R3-R5-R7. Полный его расчёт смотри на рисунке 6. На нём напряжение заряженного аккумулятора более 9В, а напряжение скорой разрядки 5В.

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, V_CC и V_EE, Vc и V_E. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять — двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть «плюс» и есть «минус». В этом случае «минус» батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Как работает вышеуказанная схема?

На макетной плате есть делитель напряжения (R3 и R4), благодаря которому, на инвертирующем входе LM311 напряжение составляет около 3 В. Аналогичный делитель подключен к инвертирующему входу, но есть потенциометр, который влияет на сопротивление всего делителя, что позволяет вручную настроить подключение на небольшой диапазон (в диапазоне от ~ 2,4 В до ~ 3,6 В). Благодаря этому мы можем наблюдать, как LM311 ведет себя при разных напряжениях на неинвертирующем входе.

Включаем питание и наблюдаем за диодом, медленно поворачивая потенциометр. При низком состоянии светодиод должен гореть, а при высоком — нет.


Низкое состояние на выходе — светодиод горит	Высокое состояние на выходе — светодиод не горит

В случае, когда потенциометр повернут в крайнее положение, на неинвертирующем входе будет около 2,4 В, что меньше 3 В на инвертирующем входе. Компаратор сравнивает напряжение на обоих входах. Итак, вспомним фрагмент из предыдущего описания:

Если напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к отрицательному полюсу питания (например, к земле, 0 в).

Таким образом, в этой ситуации на выходе компаратора отображается потенциал, близкий к 0 В. Для упрощения — масса, то есть «минус от батареи». Следовательно, диод, подключенный к выходу компаратора, включен, потому что он подключен анодом (через резистор) к положительной шине питания, поэтому, когда на катоде с выхода компаратора появляется «минус», ток будет протекать и диод будет гореть.

После поворота потенциометра в другую сторону неинвертирующий вход будет иметь более высокое напряжение, поэтому на выходе компаратора мы получим напряжения, близкие к положительной шине питания. Проще говоря, будет «аккумулятор плюс». В этой ситуации светодиод будет подключен к плюсу «с двух сторон» (анод через резистор батареи и катод компаратора) и, следовательно, не будет гореть.

Характеристики компараторов

Под чувствительностью компаратора понимается минимальное напряжение, годное к восприятию. Дифференциальные пары транзисторов, применяемые в операционных усилителях, повышают температурную стабильность, потому служат для создания компараторов. Параметр тесно связан с разрешающей способностью или точностью. Чувствительность сильно зависит от схемного решения, это очевидный факт.

Помимо температурной стабильности и архитектуры на параметр влияют помехоустойчивость и надёжность. На практике оптимальной считают чувствительность, равную половине разряда аналого-цифрового преобразователя. Это значит, что из-за компаратора не снижается точность замера. На современном этапе развития технологии это порой сильно отличающиеся значения.

Частота дискретизации определяется скоростными качествами исследуемого процесса. Если это звуковой диапазон, значения начинаются от 45 кГц и способны составлять вчетверо больше для студийной записи. На каждом интервале времени компаратор должен успеть сравнить напряжение, минимальная частота процессора для получения точности в 0,5% лежит уже в области 10 МГц. На практике наблюдаются намного большие величины, но помните, главная шина материнской платы становится самым быстродействующим участком системного блока (персонального компьютера).

Быстродействие компаратора выражается временем между соседними измерениями. Оно складывается из интервала повышения сравниваемого напряжения до нужного уровня и скорости работы электронных компонентов. К последним цифрам относят период от принятия решения компаратором на выдачу сигнального импульса до его реального появления на выводах. Вторым параметром считают крутизну фронта импульса, поскольку логика микросхем настроена на пороги срабатывания. Важным считается время восстановления, за которое компаратор возвращается в первоначальное состояние.

Указанные параметры в сумме определяют тактовую частоту самого компаратора. Под нагрузочной способностью понимается способность выдать сигнал, достаточно мощный для срабатывания зависимых схем. Различают так называемую перегрузочную способность, показывающую, как велика иногда разница в напряжении на соседних отсчётах. Для сокращения интервалов измерения, начиная со второго, компаратор может вести два параллельных процесса измерения:

Увеличение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.
Уменьшение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.

Так удастся быстрее найти результат, не перебирая весь диапазон с начала. Хотя потребуется целых два параллельно включённых компаратора. Но экономия времени стоит указанной борьбы. На успех подобного мероприятия напрямую влияет перегрузочная способность.

Входное сопротивление образует с источником сигнала резистивный делитель, и чем оно меньше, тем выше точность, большая часть напряжения падает именно здесь. С повышением параметра снижается и потребляемый ток. У большинства компараторов входное сопротивление подстраивается под конкретно взятые нужды, для отдельных схем.

Схемотехника компараторов

Схемотехнически простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления (в идеале — бесконечным). Обычно в качестве компараторов напряжения в современной электронике применяют микросхемы операционных усилителей (ОУ). Но существуют и выпускаются специализированные для применения в качестве компараторов микросхемы.

Микросхема компаратора отличается от обычного линейного (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон дифференциальных входных напряжений (между инвертирующим и неинвертирующим входами), вплоть до значений питающих напряжений, а также полный диапазон синфазных напряжений.
Выходной каскад компаратора обычно конструируют совместимым по логическим уровням и токам с распространённым типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны исполнения выходного каскада компаратора на одиночном транзисторе с , что обеспечивает одновременную совместимость с ТТЛ и КМОП логическими микросхемами.
Микросхемы компараторов не рассчитаны для работы с отрицательной обратной связью как ОУ и при их применении отрицательная обратная связь не используется. И наоборот, для формирования гистерезисной передаточной характеристики компараторы часто охватывают положительной обратной связью

Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.
При проектировании микросхем компараторов уделяется особое внимание быстрому восстановлению входного каскада после перегрузки и смены знака разности входных напряжений. В быстродействующих компараторах для повышения быстродействия схемотехнически не допускают захода биполярных транзисторов в выходном каскаде в режим насыщения.. Компараторы охваченные положительной обратной связью имеют гистерезис и по сути являются двухпороговыми компараторами, часто такой компаратор называют триггером Шмитта.

Компараторы охваченные положительной обратной связью имеют гистерезис и по сути являются двухпороговыми компараторами, часто такой компаратор называют триггером Шмитта.

При равенстве входных напряжений реальные компараторы и ОУ, включенные по схеме компараторов дают хаотически изменяющийся выходной сигнал из-за собственных шумов и шумов входных сигналов. Обычная мера подавления такого хаотического переключения — введение положительной обратной связи для получения гистерезисной передаточной характеристики.

При программном моделировании компаратора возникает проблема выходного напряжения компаратора при одинаковых напряжениях на обоих входах компаратора. В этой точке компаратор находится в состоянии неустойчивого равновесия. Проблему можно решить множеством разных способов, описанных в подразделе «программный компаратор».

Программное моделирование компаратора

В программах в качестве первого приближения можно использовать простейшую модель асимметричного компаратора, в котором третье значение с равными величинами сравниваемых входных переменных постоянно приписывается к «0» или к «1», в примере, приведенном ниже, третье значение постоянно приписывается к «0»:

DEFINT Y
DEFSNG X
Xref=2.5
Xin=2.6
IF Xin>Xref THEN Y=1 ELSE Y=0 'Асимметричный компаратор
PRINT Y

В более сложных моделях симметричных компараторов третье значение можно, в рамках двоичной логики:

приписать к «0» или к «1» постоянно,
приписывать к «0» или к «1» случайным образом динамически,
учитывать предыдущее значение и считать равенство недостаточным для переключения,
учитывать первую производную и её равенство нулю считать недостаточным для переключения,

или выйти за рамки двоичной логики и:

для учёта третьего значения (равенство) применить соответствующую троичную функцию из чёткой троичной логики с чётким третьим значением.

Существующая проблема третьего состояния при программном моделировании, когда два числа, представленные кодовыми словами, могут быть в точности равны, на практике не имеет места: два напряжения не могут в точности совпадать, так как, во-первых, аналоговое напряжение величина неквантуемая, а во-вторых, существует шум, напряжение смещения входов компаратора, и иные возмущения, разрешающие неоднозначность даже в случае равенства входных напряжений аналогового компаратора.

ПОРОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА

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. Аналоговый компаратор можно представить как простейший однобитный аналого-цифровой преобразователь.

Входное напряжение смещения и гистерезис

Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.

Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.

Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.

Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).

Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…

Стенд для пайки со светодиодной подсветкой
Материал: АБС + металл + акриловые линзы. Светодиодная подсветка…

Подробнее

Аналог против цифры

Я очень хорошо знаком с детектированием окон на основе микроконтроллеров потому, что часто использовал микроконтроллеры, которые предлагают такой функционал. Он удобно интегрируется в модуль АЦП и может вызывать прерывание, когда оцифрованное значение превышает заданный пользователем верхний или нижний порог. Я полагаю, что эта функция присутствует во множестве микроконтроллеров смешанных сигналов, и даже если это не так, вы можете легко реализовать ее с помощью прошивки.

В этом подходе нет ничего плохого, особенно если у вас в проекте уже есть микроконтроллер. Но бесконечное стремление уменьшить размеры, стоимость и энергопотребление требуют от инженеров гибкости и рассмотрения новых (или старых) способов удовлетворения системных требований. Детектирование окна можно легко реализовать с помощью двух операционных усилителей, нескольких пассивных элементов и двух диодов. Это компактная, недорогая реализация, которая может пригодиться в проектах, которые 1) не нуждаются в микроконтроллере или 2) имеют голый микроконтроллер, который не обладает необходимым функционалом.

lm393: аналоги

Новым прибором со схожими и усовершенствованными (в области температуры) характеристиками является двойной компаратор lm2903B.

Прибор есть во многих магазинах, правда, цена его значительно выше, чем lm393. Его средняя цена в точках продажи радиодеталей составляет около 90 рублей. Иногда устройство заменяют другими компараторами, например, lm2903, lm293. У них — немного меньшее напряжение и сила тока потребления, а вот другие параметры — почти такие же. Этим и объясняется указание наибольших технических показателей в единственном даташит.

Отечественные аналоги устройства — это два варианта, к1401Са3 и 1040са1. Но в настоящее время их крайне сложно купить. Они год за годом вытеснялись с отечественного рынка иностранными микросхемами.

Схема работы компаратора и применение

Обычно в электронике компаратор используется для сравнения двух напряжений или токов, подаваемых на два входа компаратора. Это означает, что он берет два входных напряжения, затем сравнивает их и выдает дифференциальное выходное напряжение высокого или низкого уровня. Компаратор используется для определения момента, когда произвольно изменяющийся входной сигнал достигает опорного уровня или определенного порогового уровня. Компаратор может быть разработан с использованием различных компонентов, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители . Компараторы используются во многих электронных приложениях для управления логическими схемами.

Символ компаратора

Операционный усилитель как компаратор

Когда мы внимательно посмотрим на символ компаратора, мы узнаем его как операционного усилителя (операционного усилителя) символ , так что отличает этот компаратор от операционного усилителя; Операционный усилитель предназначен для приема аналоговых сигналов и вывода аналогового сигнала, тогда как компаратор выдает только выходной сигнал в виде цифрового сигнала; хотя в качестве компараторов можно использовать обычный операционный усилитель (операционные усилители, такие как LM324, LM358 и LM741, не могут использоваться непосредственно в схемах компаратора напряжения.

Операционные усилители часто могут использоваться в качестве компараторов напряжения, если к выходу усилителя добавлен диод или транзистор), но реальный компаратор разработан так, чтобы иметь более быстрое время переключения по сравнению с многоцелевыми операционными усилителями. Таким образом, можно сказать, что компаратор – это модифицированная версия операционных усилителей, специально разработанная для работы с цифровым выходом.

Сравнение выходной схемы операционного усилителя и компаратора

Базовая схема работы компаратора

Схема компаратора работает, просто принимая два аналоговых входных сигнала, сравнивая их и затем вырабатывая логический выход с высоким «1» или низким «0».

Цепь неинвертирующего компаратора Схема неинвертирующего компаратора

Путем подачи аналогового сигнала на вход + компаратора, называемый «неинвертирующим», и – вход, называемый «инвертирующим», схема компаратора будет сравнивать эти два аналоговых сигнала, если аналоговый вход на неинвертирующем входе больше, чем аналоговый вход на при инвертировании выходной сигнал перейдет в высокий логический уровень, и это заставит с транзистор открытым коллектором Q8 на эквивалентной схеме LM339, приведенной выше, включиться. Когда аналоговый вход на неинвертирующем входе меньше аналогового входа на инвертирующем входе, тогда на выходе компаратора будет низкий логический уровень.

Это выключит транзистор Q8. Как мы видели на изображении эквивалентной схемы LM339 выше, LM339 использует на выходе транзистор с открытым коллектором Q8, поэтому мы должны использовать «подтягивающий» резистор, который подключен к выводу коллектора Q8 с помощью Vcc, чтобы заставить этот транзистор Q8 работать. Согласно таблице данных LM339, максимальный ток, который может протекать через этот транзистор Q8 (выходной ток стока), составляет около 18 мА. V- можно рассчитать следующим образом.

V- = R2.Vcc / (R1 + R2)

Неинвертирующий вход компаратора подключен к потенциометру 10 K, который также формирует схему делителя напряжения, где мы можем регулировать начало напряжения V + с Vcc до 0 вольт. Во-первых, когда V + равно Vcc, выход компаратора перейдет в высокий логический уровень (Vout = Vcc), потому что V + больше, чем V-.

Это выключит транзистор Q8 и погаснет светодиод . Когда напряжение V + падает ниже V- вольт, выход компаратора переходит в низкий логический уровень (Vout = GND), что включает транзистор Q8 и загорается светодиод.

Путем замены аналогового входа; делитель напряжения R1 и R2, подключенный к неинвертирующему входу (V +), и потенциометр, подключенный к инвертирующему входу (V-), мы получим противоположный выходной результат.

Схема инвертирующего компаратора

Опять же, используя принцип делителя напряжения, напряжение на неинвертирующем входе (V +) составляет около V- вольт, поэтому, если мы начинаем инвертирующее входное напряжение (V-) с Vcc вольт, V + ниже, чем V-, это включит транзистор Q8, выход компаратора перейдет в низкий логический уровень. Когда мы регулируем V- ниже V +. После выключения транзистора Q8 выход компаратора перейдет в высокий логический уровень, потому что теперь V + больше, чем V-, и светодиод погаснет.

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.

Рис. 7. Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием

Схема

Вот базовая схема:

Базовая схема детектора окна (двухпорогового компаратора «с окном»)

Эта схема не выиграет награду за сложность, но, как мы увидим позже, она не так проста, как вы думаете. Принцип действия следующий. Детектирование окна имеет верхний порог и нижний порог, как показано на схеме. Если входное напряжение больше верхнего порога, выход U1 подтягивается к положительному выводу источника питания. Если входное напряжение меньше нижнего порога, выход U2 подтягивается к положительному выводу источника питания. Если входное напряжение находится между двумя пороговыми значениями, выходы обоих операционных усилителей подтянуты к отрицательному выводу источника питания. Таким образом, мы имеем на выходе высокий логический уровень всякий раз, когда входное напряжение находится за пределами окна, и низкий логический уровень, когда оно находится внутри окна.

Диоды обеспечивают требуемый логический функционал ИЛИ. Если на каком-либо выходе присутствует высокий логический уровень, ток сможет протекать через диод (и нагрузку) на землю. Диоды также блокируют ток короткого замыкания, который в противном случае будет перетекать с одного выхода на другой, когда два операционных усилителя будут иметь разные выходные состояния (это происходит, когда входное напряжение находится за пределами окна).

Вот реализация в LTspice:

Схема детектора окна (двухпорогового компаратора «с окном») в LTspice

Я использую операционные усилители «rail-to-rail» («от шины до шины»), но учитывая, что это схема компаратора, а не усилителя, вы можете использовать вместо ОУ компараторы.

Ниже показана форма выходного сигнала.

Форма выходного сигнала детектора окна

Как и ожидалось, на выходе низкий логический уровень, только когда входное напряжение находится между двумя пороговыми значениями.

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Как работает обратная связь?

Работу этой схемы можно объяснить следующим образом: если светодиод не горит, это означает, что выходное напряжение близко к положительной шине питания. Ток протекает через R6 к неинвертирующему входу, что еще больше увеличивает его потенциал и увеличивает дифференциальное напряжение.

Однако уменьшение напряжения, с помощью потенциометра, в какой-то момент переключит состояние компаратора, т.е. ток, подаваемый R6, перестанет быть достаточным, и потенциал неинвертирующего входа будет ниже, чем у инвертирующего входа. В результате, на выходе компаратора появится потенциал до нескольких сотен милливольт, который можно упростить до массы (минус батареи). Светодиод загорится. Через R6 ток начнет течь в другом направлении — от неинвертирующего входа к выходу, благодаря чему дифференциальное напряжение снова будет увеличиваться, на этот раз с противоположной полярностью.

Такое свойство схемы называется гистерезисом — она запоминает свое предыдущее состояние, поэтому следующий толчок, который смог бы ее переключить, должен быть достаточно сильным. Гистерезис необходим во всех схемах, в которых запоминающиеся процессы протекают медленно, особенно в термостатах.

Термостат включается при значительном падении температуры, ниже порога, и выключается при незначительном превышении порога. Промежуточных состояний нет.

Гистерезис представляет собой зону нечувствительности, в которой система не реагирует на изменения

Величина резистора R6 влияет на ширину гистерезиса, то есть на расстояние между напряжениями (устанавливается с помощью потенциометра P1), при котором схема меняет состояние выхода. При отсутствии этого резистора, что можно считать бесконечно большим сопротивлением, пороги включения и выключения находились практически в одном месте.

Уменьшение этого сопротивления до 1 МОм привело к четкой разнице между порогами переключения. Следуя этому пути, дальнейшее уменьшение значения R6 вызовет еще большую разницу между напряжением, при котором схема включает диод, и напряжением, при котором схема отключает его.

Это можно проверить, добавив второй резистор 1 МОм параллельно R6. Результирующее сопротивление будет тогда 500 кОм.

Причина этого кроется в большей интенсивности протекающего через него тока связи (поскольку здесь все еще действует закон Ома). Если сила этого тока выше, то он может сильнее повлиять на потенциал неинвертирующего входа — «добавляя» или «забирая» ток из части схемы (R1 + P1 + R2).

В случае отсутствия обратной связи, наш делитель напряжения с потенциометром смещает неинвертирующий вход на постоянное, задаваемое вручную напряжение. С другой стороны, в случае схемы обратной связи, ситуация немного сложнее, потому что через резистор R6 протекает относительно небольшой ток, который протекает один раз со входа на выход и один раз с выхода на вход компаратора. Это зависит от состояния выхода компаратора. Обе ситуации показаны на рисунках — путь дополнительного тока обратной связи отмечен красными стрелками.


Срабатывание гистерезиса — переход во включенное состояние	Работа гистерезиса — переход в выключенное состояние

Все зависит от выходного потенциала компаратора. Если выход низкий, дополнительный ток течет от входа к выходу. Однако, если выход компаратора высокий, ток течет в противоположном направлении. В зависимости от направления этот ток протекает через потенциометр или ту или иную половину делителя напряжения. Таким образом, он тонко меняет напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход. Благодаря этому схема работает более стабильно, потому что ей «кажется», что разница между входами компаратора немного больше, чем есть на самом деле.


Ток обратной связи, влияющий на выход компаратора	Ток обратной связи, протекающий с выхода компаратора

Однако более решительное изменение настройки потенциометра приводит к тому, что ток обратной связи становится слишком слабым, чтобы «исказить» результат, и компаратор переключается нормально.

Применимость

Делитель напряжения подходит

для получения необходимого заниженного напряжения в случаях, когда подключенная нагрузка потребляет небольшой ток (доли или единицы миллиампер). Примером подходящего использования является считывание напряжения аналоговым входом микроконтроллера, управление базой/затвором транзистора .

Делитель не подходит

для подачи напряжения на мощных потребителей вроде моторов или светодиодных лент.

Чем меньшие номиналы выбраны для делящих резисторов, тем больше энергии расходуется впустую и тем выше нагрузка на сами резисторы. Чем номиналы больше, тем больше и дополнительное (нежелательное) падение напряжения, провоцируемое самой нагрузкой.

Если потребление тока нагрузкой неравномерно во времени, V out

также будет неравномерным.

Делитель напряжения применяется, если нужно получить заданное напряжение при условии стабилизированного питания. Сейчас мы поговорим о постоянном токе и резисторных делителях. О делителях с использованием конденсаторов, диодов, стабилитронов, индуктивностей и других элементов будет отдельная статья. Подпишитесь на новости, чтобы ее не пропустить. В конце для примера расскажу, как сделать делитель напряжения для осциллографа, чтобы снимать осциллограммы высокого напряжения.

Резисторные делители также могут применяться для уменьшения в заданное количество раз сигналов сложной формы. На делителях напряжения с регулируемым коэффициентом ослабления строятся, например, регуляторы громкости.

Вашему вниманию подборка материалов:

ПОРОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Вывод

Вот мы и прошли с вами очень важную тему, касающуюся компараторов напряжения. Если на этом этапе вам что-то непонятно, убедитесь, что вы понимаете общий принцип работы этих элементов. Детальные знания внутренней структуры компаратора сейчас не понадобятся, поэтому вам не нужно сосредотачиваться на этом — самое главное, вы можете воссоздать практическое упражнение.

Если в настоящее время вы не видите практического применения компаратора, подождите, пока мы не начнем комбинировать его с другими элементами, например, аналоговыми датчиками. Для этого, в следующей статье, мы построим лампу, которая автоматически включается после наступления темноты, а также соберем простой термостат.