La proiectarea circuitelor electronice, este adesea necesar să se compare nivelul a două tensiuni. Pentru a face acest lucru, se utilizează un dispozitiv precum un comparator. Numele unității provine din latinescul comparare, adică a compara.
Cuprins
Ce este un comparator de tensiune
Un comparator este, în general, un dispozitiv cu două intrări pentru valorile (tensiuni) care sunt comparate și o ieșire pentru rezultatul comparației. Comparatorul are două intrări pentru alimentarea valorilor comparate, o intrare directă și una inversă. Ieșirea este setată la unu logic dacă tensiunea de intrare directă depășește tensiunea inversă și la zero dacă este inversă. Un comparator se numește comparator inversor dacă diferența dintre intrările directe și inverse este pozitivă și zero în situația opusă.
Principiul de funcționare al comparatorului
Este convenabil să se construiască un comparator folosind amplificator operațional (OP-AMP). În acest scop, se utilizează direct proprietățile sale:
- Amplificarea diferenței de semnal între intrările directe și cele inversoare;
- câștig infinit (în practică, de la 10.000 și peste).
Funcționarea DT ca un comparator poate fi considerată cu ajutorul următoarelor circuite:
Să presupunem că există un amplificator operațional cu un câștig de 10000, tensiunea de alimentare este bipolară, + 5 V și minus 5 V. Separatorul este setat la un nivel de referință de exact 0 volți la intrarea inversoare, intrarea directă este luată la minus 5 volți de la cursorul potențiometrului. Amplificatorul operațional ar trebui să amplifice diferența de 10.000 de ori, teoretic la ieșire ar trebui să apară o tensiune de minus 50.000 de volți. Dar amplificatorul operațional nu are de unde să obțină o astfel de tensiune, așa că el creează tensiunea de alimentare maximă posibilă, minus 5 volți.
Dacă începeți să creșteți tensiunea la intrarea directă, amplificatorul optic va încerca să stabilească diferența de tensiune dintre intrări, înmulțită cu 10000. Acesta va reuși atunci când tensiunea de intrare se apropie de zero și devine în jur de minus 0,0005V. Pe măsură ce tensiunea de intrare crește și mai mult la intrarea pozitivă, tensiunea de ieșire va crește la zero sau mai mult, iar la +0,0005 volți va deveni +5 volți și nu mai este posibilă o creștere ulterioară. Astfel, atunci când tensiunea de intrare trece de nivelul zero (mai exact de la minus 0,0005 volți la +0,0005 volți) va exista un salt în tensiunea de ieșire de la minus 5 volți la +5 volți. Cu alte cuvinte, atâta timp cât tensiunea de la intrarea directă este mai mică decât cea de la intrarea inversoare, la ieșirea comparatorului este setat zero. Dacă este mai mare, se stabilește unul.
Interesantă este secțiunea de diferență de nivel la intrările de la minus 0,0005 volți la +0,0005 volți. În teorie, trecerea acestui lucru va duce la o creștere lină de la tensiunea de alimentare negativă la cea pozitivă. În practică, acest interval este foarte îngust și se datorează interferențelor, zgomotului, instabilității tensiunii de alimentare etc. Dacă tensiunile de la intrări sunt aproximativ egale, va exista o declanșare aleatorie a comparatorului în ambele direcții. Cu cât câștigul amplificatorului operațional este mai mic, cu atât mai largă va fi această fereastră de instabilitate. În cazul în care comparatorul controlează un dispozitiv de acționare, acest lucru îl va face să se declanșeze la bătaie (clicuri de releu, trântirea supapei etc.), ceea ce poate cauza ruperea mecanică sau supraîncălzirea acestuia.
Pentru a evita acest lucru, se creează o reacție pozitivă superficială prin încorporarea rezistorului indicat de linia punctată. Acest lucru creează o ușoară histerezis prin deplasarea pragurilor de comutare atunci când tensiunea urcă și coboară în raport cu referința. De exemplu, în sus, comparatorul va comuta la 0,1 volți, iar în jos la exact zero (în funcție de adâncimea de reacție). Acest lucru va elimina fereastra de instabilitate. Valoarea nominală a acestei rezistențe poate fi de la câteva sute de kilohmi la câteva megaohmi. Cu cât rezistența este mai mică, cu atât mai mare este diferența dintre praguri.
De asemenea, sunt disponibile cipuri de comparator specializate. LM393, de exemplu. Acestea au un amplificator operațional rapid (sau mai multe) și pot avea un divizor încorporat care furnizează o tensiune de referință. O altă diferență între aceste comparatoare și dispozitivele bazate pe Op-Amps este că multe dintre ele necesită o sursă de alimentare single-ended. Majoritatea amplificatoarelor operaționale au nevoie de o tensiune bipolară. Alegerea tipului de cip este determinată de designul dispozitivului.
Caracteristicile comparatoarelor digitale
Comparatoarele sunt utilizate și în tehnologia digitală, deși acest lucru poate părea paradoxal la prima vedere. La urma urmei, există doar două niveluri de tensiune - unu și zero. Compararea lor nu are sens. Dar este posibilă compararea a două numere binare în care pot fi convertite orice valori analogice (inclusiv tensiunea).
Să presupunem că există două cuvinte binare de lungime egală în biți:
X=X3X2X1X0 și Y=Y3Y2Y1Y.
Acestea sunt considerate egale în valoare dacă toți biții sunt egali în sensul biților:
1101=1101 => X=Y.
Dacă cel puțin un bit este diferit, atunci numerele sunt inegale. Numărul cel mai mare este determinat printr-o comparație bit cu bit, pornind de la cel mai mare bit:
- 1101>101 - aici primul bit din X este mai mare decât primul bit din Y, iar X>Y;
- 1101>101 - primii biți sunt egali, dar al doilea bit al lui X este mai mare și X>Y;
- 111<1110 - Y are al treilea bit în plus și valoarea bitului inferior al lui X este irelevantă, X
Implementarea acestei comparații poate fi construită pe circuite logice cu elemente de bază I-NE, OR-NE, dar este mai ușor să se utilizeze produse din comerț. De exemplu, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 intern și alte serii de microcircuite. Acestea sunt comparatoare de 2 până la 8 cifre cu un număr corespunzător de intrări de date și intrări de control. Ieșirile comparatoarelor digitale sunt, în majoritatea cazurilor, 3:
- mai mult;
- mai puțin de;
- egală.
Spre deosebire de dispozitivele analogice, în cazul comparatoarelor binare, egalitatea la intrări nu este o situație nedorită și nu este evitată.
Un astfel de dispozitiv poate fi ușor de construit prin programare, folosind funcții de algebră booleană. Alternativ, multe microcontrolere au la bord comparatoare analogice, cu pini externi separați, care oferă circuitului intern un rezultat gata pregătit de comparare a două valori ca 0 sau 1. Acest lucru economisește resursele sistemelor informatice mici.
În cazul în care se utilizează un comparator de tensiune
Comparatorul este utilizat într-o gamă largă de aplicații. De exemplu, se poate construi un releu de prag pe acesta. Ar fi necesar un senzor care să convertească orice cantitate în tensiune. O astfel de valoare poate fi:
- nivelul de lumină;
- nivelul de zgomot;
- nivelul lichidului din recipient sau rezervor;
- orice altă valoare.
Potențiometrul poate fi utilizat pentru a seta nivelul comparatorului. Semnalul de ieșire este transmis către un indicator sau un dispozitiv de acționare prin intermediul unei taste.
Dacă histerezisul este mărit, comparatorul poate acționa ca un declanșator Schmitt. Atunci când la intrare se aplică o tensiune care variază lent, ieșirea este semnal binar cu margini abrupte.
Două elemente pot fi conectate pentru a forma un comparator cu două praguri sau un comparator cu fereastră.
Aici, tensiunea de prag este setată separat pentru fiecare comparator - comparatorul superior pe intrarea directă și comparatorul inferior pe intrarea inversă. Intrările libere sunt combinate și li se aplică tensiunea care urmează să fie măsurată. Ieșirile sunt conectate OR. Atunci când tensiunea depășește limita superioară sau inferioară stabilită, unul dintre comparatoare emite un nivel ridicat.
Un comparator cu mai multe niveluri este asamblat din mai multe elemente, care pot fi utilizate ca indicator de tensiune liniară sau ca valoare care este convertită în tensiune. Pentru patru niveluri, circuitul ar fi următorul:
În acest circuit, la intrarea fiecărui element se aplică o tensiune de referință diferită. Intrările inversoare sunt conectate împreună și semnalul care urmează să fie măsurat este aplicat la acestea. Când se atinge nivelul de declanșare, LED-ul corespunzător se aprinde. În cazul în care elementele emițătoare sunt dispuse în linie, se obține o bară luminoasă a cărei lungime variază în funcție de nivelul tensiunii aplicate.
Același circuit poate fi utilizat și ca un convertor analogic-digital (ADC). Acesta convertește tensiunea de intrare într-un cod binar corespunzător. Cu cât sunt mai multe elemente incluse în ADC, cu atât rezoluția este mai mare, cu atât mai precisă este conversia. În practică, codul de linie este incomod de utilizat și este convertit într-un cod familiar prin intermediul unui codificator. Codificatorul poate fi construit folosind elemente logice, microcircuite din comerț sau ROM-uri cu firmware-ul corespunzător.
Sfera de aplicare a comparatoarelor în circuitele profesionale și de amatori este largă. Aplicarea competentă a acestor elemente permite rezolvarea unei game largi de sarcini.
Articole conexe:
