Pri návrhu elektronických obvodov je často potrebné porovnávať úroveň dvoch napätí. Na tento účel sa používa zariadenie, ako je komparátor. Názov uzla sa vracia k latinskému comparare, alebo skôr k angličtine porovnávať - porovnávať.
Obsah
Čo je to komparátor napätia
Vo všeobecnosti je komparátorom zariadenie, ktoré má dva vstupy na dodávanie porovnávaných hodnôt (napätí) a výstup na výsledok porovnania. Komparátor má dva vstupy pre dodávanie porovnávaných parametrov - priamy a inverzný. Výstup je nastavený na logickú jednotku, keď napätie priameho vstupu prekročí inverznú hodnotu a nulu - ak je to naopak. Ak je pri kladnom rozdiele medzi inverzným a priamym vstupom nastavená jedna a v opačnej situácii - nula, potom sa takýto komparátor nazýva invertujúci.
Princíp činnosti komparátora
Je vhodné postaviť komparátor operačný zosilňovač (OU).Na tento účel sa priamo využívajú jeho vlastnosti:
- zosilnenie rozdielu signálu medzi priamym a invertujúcim vstupom;
- nekonečný (v praxi - od 10 000 a viac) faktor zosilnenia.
Prevádzku operačného zosilňovača ako komparátora možno zvážiť s nasledujúcou schémou prepínania:
Nech existuje operačný zosilňovač so ziskom 10 000, napájacie napätie je bipolárne, + 5 V a mínus 5 V. rozdeľovač na invertujúcom vstupe je referenčná úroveň nastavená presne na 0 voltov, na priamom vstupe je z posúvača potenciometra odstránených mínus 5 voltov. Operačný zosilňovač by mal rozdiel zosilniť 10 000-krát, teoreticky by sa na výstupe malo objaviť napätie mínus 50 000 voltov. Operačný zosilňovač však takéto napätie nemá kam vziať a vytvára maximálne možné - napájacie napätie mínus 5 voltov.
Ak začnete zvyšovať napätie na priamom vstupe, operačný zosilňovač sa pokúsi nastaviť rozdiel napätia medzi vstupmi vynásobený 10 000. Podarí sa mu to, keď sa vstupné napätie priblíži k nule a stane sa približne mínus 0,0005 V. S ďalším zvýšením vstupné napätie na kladnom vstupe sa výstup zvýši na nulu a vyššie a pri napätí +0,0005 voltov sa stane +5 V a nebude ďalej stúpať - nikde nie je. Keď teda vstupné napätie prekročí nulovú úroveň (presnejšie mínus 0,0005 voltu - + 0,0005), výstupné napätie skočí z mínus 5 voltov na +5 voltov. Inými slovami, pokiaľ je napätie na priamom vstupe nižšie ako na invertujúcom vstupe, výstup komparátora je nastavený na nulu. Ak je vyššia - jedna.
Zaujímavý je úsek rozdielu hladín na vstupoch od mínus 0,0005 voltu do + 0,0005.Teoreticky, keď prejde, dôjde k hladkému nárastu z negatívneho na kladné napájacie napätie. V praxi je tento rozsah veľmi úzky a v dôsledku rušenia, rušenia, nestability napájacieho napätia atď. pri približnej rovnosti napätí na vstupoch dôjde k chaotickej činnosti komparátora v oboch smeroch. Čím nižší je zisk operačného zosilňovača, tým širšie je toto okno nestability. Ak komparátor ovláda pohon, tak to spôsobí jeho včasnú činnosť (cvaknutie relé, buchnutie ventilu a pod.), čo môže viesť k jeho mechanickému zlyhaniu alebo prehriatiu.
Aby sa tomu zabránilo, plytká pozitívna spätná väzba sa vytvorí zapnutím odporu označeného prerušovanou čiarou. To vytvára miernu hysterézu, posúvajúcu prahové hodnoty spínania, keď napätie prechádza hore a dole vzhľadom na referenciu. Napríklad komparátor sa prepne nahor pri 0,1 voltu a nadol presne na nulu (v závislosti od hĺbky spätnej väzby). Tým sa odstráni okno nestability. Hodnota tohto odporu môže byť od niekoľkých stoviek kiloohmov až po niekoľko megaohmov. Čím nižší je odpor, tým väčší je rozdiel medzi prahmi.
Existujú aj špecializované porovnávacie integrované obvody. Napríklad LM393. V takýchto mikroobvodoch je vysokorýchlostný operačný zosilňovač (alebo niekoľko), môže byť inštalovaný vstavaný delič, ktorý vytvára referenčné napätie. Ďalším rozdielom medzi takýmito komparátormi a zariadeniami postavenými na všeobecných operačných zosilňovačoch je, že mnohé z nich vyžadujú unipolárne napájanie. Väčšina operačných zosilňovačov vyžaduje bipolárne napätie. Výber typu mikroobvodu sa vykonáva počas vývoja zariadenia.
Vlastnosti digitálnych komparátorov
Komparátory sa používajú aj v digitálnej technike, hoci to znie na prvý pohľad paradoxne. Koniec koncov, existujú iba dve úrovne napätia - jedna a nula. A je zbytočné ich porovnávať. Môžete však porovnať dve binárne čísla, ktoré je možné previesť na ľubovoľné analógové hodnoty (vrátane napätia).
Nech existujú dve binárne slová rovnakej dĺžky v bitoch:
X=X3X2X1X0 a Y=Y3Y2Y1Y.
Ich hodnota sa považuje za rovnakú, ak sú všetky bity rovnaké:
1101=1101 => X=Y.
Ak je aspoň jeden bit odlišný, potom čísla nie sú rovnaké. Väčšie číslo sa určí bitovým porovnaním, počnúc najvýznamnejším bitom:
- 1101>101 - tu je prvý bit X väčší ako prvý bit Y a X>Y;
- 1101>101 - prvé bity sú rovnaké, ale druhý bit X je väčší a X>Y;
- 111<1110 - Y má väčší tretí bit a na väčšej hodnote najmenej významnej číslice X nezáleží, X<Y.
Realizácia takéhoto porovnania môže byť postavená na logických obvodoch základných prvkov AND-NOT, OR-NOT, ale jednoduchšie je použiť hotové výrobky. Napríklad 4063 (CMOS), 7485 (TTL), domáce K564IP2 a ďalšie série mikroobvodov. Sú to 2-8 bitové komparátory so zodpovedajúcim počtom dátových a riadiacich vstupov. Vo väčšine prípadov majú digitálne komparátory 3 výstupy:
- viac;
- menej;
- rovná sa.
Na rozdiel od analógových zariadení s binárnymi komparátormi nie je rovnosť na vstupoch nežiaducou situáciou a nesnažíme sa jej vyhnúť.
Takéto zariadenie sa dá ľahko zostaviť aj programovo pomocou funkcií booleovskej algebry.Ďalšia možnosť - mnoho mikrokontrolérov má "na palube" analógové komparátory so samostatnými externými výstupmi, ktoré vydávajú hotový výsledok porovnávania dvoch hodnôt v tvare 0 alebo 1 do vnútorného obvodu. To šetrí zdroje malých výpočtových systémov .
Kde sa používa komparátor napätia?
Rozsah porovnávača je široký. Na ňom môžete napríklad postaviť prahové relé. Na to potrebujete snímač, ktorý premení akúkoľvek hodnotu na napätie. Táto hodnota môže byť:
- úroveň osvetlenia;
- úroveň hluku;
- hladina kvapaliny v nádobe alebo zásobníku;
- akékoľvek iné hodnoty.
Pomocou potenciometra je možné nastaviť úroveň spúšťania komparátora. Výstupný signál cez kľúč sa prenáša do indikátora alebo ovládača.
Ak zvýšite hysterézu, komparátor môže fungovať ako Schmittova spúšť. Keď sa na vstup privedie pomaly sa meniace napätie, výstup bude diskrétny signál so strmými frontami.
Tieto dva prvky môžu byť spojené tak, aby vytvorili dvojprahový komparátor alebo okenný komparátor.
Tu sa prahové napätie nastavuje samostatne pre každý komparátor - pre horný na priamom vstupe, pre spodný na inverznom. Voľné vstupy sú kombinované, sú napájané meraným napätím. Výstupy sú zapojené podľa schémy "montáž OR". Keď napätie prekročí nastavenú hornú alebo dolnú hranicu, jeden z komparátorov produkuje na výstupe vysokú úroveň.
Viacúrovňový komparátor je zostavený z niekoľkých prvkov, ktoré možno použiť ako lineárny indikátor napätia alebo hodnotu, ktorá sa prevádza na napätie. Pre štyri úrovne bude schéma nasledovná:
V tomto obvode sa na vstup každého prvku privádza referenčné napätie. Invertujúce vstupy sú spojené dohromady, prijímajú meraný signál. Keď sa dosiahne úroveň spustenia, rozsvieti sa príslušná LED dióda. Ak sú vyžarovacie prvky usporiadané v rade, získa sa svetelný pás, ktorého dĺžka sa mení v súlade s úrovňou použitého napätia.
Rovnaký obvod možno použiť ako analógovo-digitálny prevodník (ADC). Prevádza vstupné napätie na zodpovedajúci binárny kód. Čím viac prvkov je zahrnutých v ADC, tým väčšia je bitová hĺbka, tým presnejší je prevod. V praxi je použitie riadkového kódu nepohodlné a pomocou kodéra sa prevedie na známy kód. Kódovač môže byť postavený na logických prvkoch, použiť hotový mikroobvod alebo použiť ROM s príslušným firmvérom.
Rozsah komparátorov v profesionálnych a amatérskych obvodoch je rôznorodý. Správne použitie týchto prvkov umožňuje riešiť širokú škálu problémov.
Podobné články:
