Sammenligningskredsløb ved hjælp af IC 741, IC 311, IC 339

Den grundlæggende funktion af et komparatorkredsløb til at sammenligne to spændingsniveauer ved dets indgangsstifter og producere et output for at vise, hvilken indgangsspænding der har højere potentiale end den anden.

I denne artikel lærer vi udførligt, hvordan man korrekt designer komparatorkredsløb ved hjælp af populære IC'er som IC 741, IC 311 og IC LM339

Forskellen mellem en komparator og op-forstærker

IC 741 er et ideelt eksempel på en enkelt op-forstærker, og IC LM311 kan betragtes som et godt eksempel på en dedikeret enkelt komparator.

Du finder begge disse enheder med et identisk 'trekant' -formet enhedssymbol internt, som vi normalt genkender og bruger til tegning af komparatorkredsløb. Imidlertid kan outputresponsen fra disse to former for komparatorer have nogle få store forskelle.

Selvom en op-forstærker og en komparator begge kan konfigureres til at sammenligne differentiale signaler ved deres indgangsstifter, er de vigtigste forskelle mellem de to modstykker:

• I drevet tilstand vil output fra en op-forstærker være enten positiv eller negativ afhængigt af indgangsstiftets spændingsniveauer, men kan aldrig være åben. I modsætning hertil kan en komparatorudgang enten være åben eller jordforbundet (negativ) eller flydende.
• En op amp output kan arbejde uden nogen pull up eller pull down modstande, men en komparator vil altid kræve en ekstern pull-up eller pull down modstand for at muliggøre, at output scenen fungerer normalt.
• En op-forstærker kan bruges til at opbygge forstærkerkredse med høj forstærkning, en komparator kan ikke bruges til sådanne applikationer.
• Outputskiftresponset fra en op-forstærker er normalt langsommere sammenlignet med en komparator IC.

Et klassisk sammenligningskredsløbsdesign kan ses i følgende figur:

Her reagerer udgangen med et 'højt' digitalt signal, når spændingen ved den ikke-inverterende (+) indgang er højere end den inverterende (-) indgang. Omvendt bliver output til et lavt digitalt signal, når den ikke-inverterende indgangsspænding er lavere end den inverterende indgangsspænding.

Med henvisning til ovenstående figur kan vi se en standardforbindelse af et komparatorkredsløb, der har en indgang (den inverterende indgang i dette eksempel) konfigureret med en referencespænding, og den anden indgangsstift, som er den ikke-inverterende indgang forbundet til en indgangssignalspænding .

I den tid Vin holdes ved lavere spænding end referencespændingen på +2 V, forbliver udgangen lav på omkring -10 V. Hvis Vin øges lige over +2 V, ændres udgangen øjeblikkeligt tilstand og bliver høj til omkring + 10 V. Denne tilstandsændring ved udgangen fra -10 V til +10 V indikerer, at Vin er blevet højere end referencen +2 V.

Hovedkomponenten inde i en hvilken som helst komparator er et op amp kredsløb, der indstilles til en meget høj spændingsforstærkning. For at undersøge, hvordan en komparator fungerer nøjagtigt, kan vi tage eksemplet med IC 741, som vist nedenfor:

Her kan vi se, at den inverterende input pin2 (-) refereres til jord eller et 0 V-niveau. Et sinusformet signal påføres pin3, som er den ikke-inverterende indgang på op-forstærkeren. Dette skiftevis varierende sinusformede signal får output til at skifte mellem høje og lave outputtilstande som angivet i højre side af billedet.

Når indgangen Vin bevæger sig endda en millivolt over 0 V-referencen, forstærkes forskellen af ​​ICens interne højforstærkningsforstærker, hvilket får output til at gå højt ved det positive outputmætningsniveau. Denne tilstand opretholdes, så længe Vin-signal forbliver over 0 V-referencen.

Så snart signalniveauet falder en skygge under 0 V-referencen, drives output til dets lavere mætningsniveau. Igen opretholdes denne tilstand, så længe Vin-indgangssignalet forbliver under 0 V-referenceniveauet.

Ovenstående forklaring og den bølgeform, der præsenteres i billedet, indikerer klart det digitale svar fra udgangen for et lineært varierende indgangssignal.

For normale applikationer behøver referenceniveauet ikke at være på 0 V, men kan være et hvilket som helst positivt niveau i henhold til kravet. Og i tilfælde af påkrævet kan referencen også forbindes til de positive eller negative forsyningsledninger, mens indgangssignalet påføres den anden indgangsstift.

Brug af IC 741 som en komparator

I det følgende eksempel lærer vi, hvordan man effektivt brug en op-forstærker som komparator

På figuren kan vi se et op-amp-kredsløb, der arbejder med et positivt referencesæt ved dets inverterende indgangsstift (-). Outputtet er forbundet med en LED.

Ved hjælp af spændingsdelerens netværksformel kan vi beregne referencespændingsværdien på (-) indgangsstiften på IC'en.

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

Da denne reference er associeret med (-) stift på IC, vil spændingen Vin ved (+) indgangen gå højere end denne reference eller bliver mere positiv end referencen, tvinger udgangen Vo til at skifte til sit positive mætningsniveau.

Dette får LED til at lyse, hvilket indikerer, at Vin er blevet mere positiv end referenceniveauet på +6 V.

Omvendt, hvis den ikke-inverterende input (+) er konfigureret som referencepind og Vin anvendes på den inverterende input (-) pind, vil output gå lavt, så snart Vin-input går under referenceværdien, og omvendt.

Dette får straks lysdioden til at slukke.

Derfor kan LED'en bringes til at tænde eller slukke for et givet indgangssignal ved at forbinde indgangsstiften korrekt med referenceniveauet og indgangssignalet.

Brug af specialiserede komparator IC-enheder

Normalt fungerer forstærkere godt som komparatorkredsløb, men brug af en dedikeret komparator IC fungerer endnu bedre end en opforstærker til en komparatorapplikation.

Comparator IC'er er specifikt ideelt designet til komparatorfunktion og viser en forbedret respons såsom hurtigere skift ved udgangen mellem det positive og negative niveau.

Disse IC'er har højere immunitet over for støj, og ved mange lejligheder kan outputene bruges direkte til at køre en last.

Lad os lære om et par populære komparator-IC'er i detaljer fra den følgende diskussion.

Comparator Circuit ved hjælp af IC 311

Ovenstående figur viser det interne layout og pinoutdetaljerne for komparatoren IC 311. IC'en er designet til at fungere fra en dobbelt strømforsyning også i området +15 V og -15 V, hvilket er et standardkompatibelt niveau for alle moderne digitale IC'er.

Udgangstrinnet inde i IC har en bipolar transistor med flydende kollektor- og emitterterminaler. Dette betyder, at output fra denne transistor kan konfigureres kan konfigureres på to forskellige måder:

1. Ved at tilføje en pull-up modstand med kollektor pin7 og jording emitter pin1 og derefter bruge solfangeren som output.
2. Ved at forbinde samleren med den positive linje og bruge emitteren som output.

Transistorudgangen kan også bruges til at køre et relæ eller en lille belastning, såsom en lampe direkte uden noget eksternt buffertrin.

IC'en har også en balance og en strobe-input, som kan gates med output.

Vi diskuterer et par nyttige anvendelser af denne IC i de følgende afsnit:

Ovenstående figur viser, hvordan IC 311 kan konfigureres som en nulkrydsningsdetektor komparator for at registrere indgangsspændingen, når den krydser nullinjen.

Den inverterende input (-) af 311 kan ses sammenføjet med jorden. I perioden, hvor indgangssignalet er på det positive niveau, forbliver udgangstransistoren tændt, hvilket skaber en lav (-10 i dette eksempel) ved udgangen (transistorsamler).

Så snart indgangssignalet bliver negativt eller under 0 V, slukkes transistoren. Dette skaber et positivt + 10V ved IC-samlerens output. Dette giver os mulighed for at vide, hvornår indgangssignalet er over nulniveauet, og hvornår det er faldet under nulniveauet.

Den næste figur nedenfor viser, hvordan IC 311-komparator kan bruges til at fremstille et strobet kredsløb.

I dette eksempel på et komparatorkredsløb vil output pin7 blive høj, når pin3 spændingsniveau stiger over pin2 reference. Men dette kan kun ske, når pin6-strobe-input-pin er lav eller ved 0 V.

Når en høj TTL-strobe påføres i bunden af ​​transistoren, bliver pin6 lav, hvilket får IC-udgangstransistoren til at slukke og derved muliggøre pin7 at gå højt.

Outputtet er fortsat højt, så længe TTL-indgangen holdes højt, uanset indgangssignaltilstanden ved pin3.

Imidlertid, hvis TTL-signalet anvendes i strobed-form, reagerer output på indgangssignalet ved pin3. Simpelthen forbliver output låst på højt, medmindre pin6 strøles.

Sådan tilsluttes et relæ med en komparator

Den næste figur nedenfor viser, hvordan komparator 311 kan bruges direkte til betjen et relæ .

Her, når spændingsniveauet ved input pin2 falder til under 0 V, bliver pin3 mere positivt end pin2. Dette får kollektoren til den interne transistor til at slukke, som tænder relæet. Det relæets kontakter kunne forbindes med en tungere belastning til udførelse af en ønsket skiftehandling.

Så længe (+) indgangen på pin2 forbliver under 0 V, forbliver relæet tændt. Omvendt, når et positivt signal er tilgængeligt på pin2, forbliver relæet slukket.

Comparator Circuit ved hjælp af IC 339

IC 339, også populært skrevet som LM339, er en quad-komparator IC. Det betyder, at det inkluderer 4 separate spændingskomparatorer, hvis indgange og udgange afsluttes korrekt via de respektive eksterne ben på IC-pakken, som vist nedenfor.

Ligesom enhver anden komparator har hver komparatorblok et par input og en output. Når IC'en får strøm ved at anvende spænding på tværs af Vcc og jordforsyningsstifter, forsyner den alle komparatorerne sammen. Så selvom der bruges en enkelt komparator, vil alle de andre 3 forbruge noget strøm.

Alle komparatoren har nøjagtigt identiske egenskaber, derfor kan vi analysere en hvilken som helst af disse for at lære den grundlæggende komparatorfunktion.

Når en positiv differensindgang påføres over indgangsterminalerne, hvilket betyder, at forskellen mellem de anvendte signaler er positiv, slukker den for udgangstransistoren. Dette får udgangen til at vise et åbent kredsløb eller et flydende åbent.

Når differensindgangen er negativ, dvs. når forskellen mellem de anvendte signaler ved indgangsstifterne er negativ, tænder den udgangstransistoren for komparatoren, hvilket får komparatorens udgangsstift til at blive negativ eller ved V-potentiale.

Idet vi henviser til figuren ovenfor, kan vi forstå, at når den ikke-inverterende (+) indgang på IC'en bruges som referencetap, vil en spænding, der er lavere end denne reference ved den inverterende indgangsstift (-) resultere i output af komparator for at blive åben. På den anden side, hvis (-) bruges som referencetap, vil et spændingsniveau ved (+) indgangen højere end referencen få udgangen til at blive negativ eller ved V-

For at lære, hvordan IC 339 fungerer som en komparator, viser følgende eksempel IC som en nulkrydsningsdetektor.

I det øjeblik indgangssignalet stiger over 0 V, drejes udgangen højt på V + niveau. Udgangen slukkes kun ved V-, mens indgangen holdes under 0 V.

Som tidligere forklaret behøver referenceniveauet ikke at være 0 V, det kan ændres til et hvilket som helst andet ønsket niveau. Derudover kan du også bruge den anden indgangsstift (+) som referencestift og (-) indgangsstiften som signalindgangsstift til at acceptere det varierende indgangssignal.

Fordel ved at have en flydende output i Comparator IC'er

Som diskuteret i de foregående forklaringer skiftes komparatorudgang via BJT, som har en åben kollektor som output. Dette giver fordelen ved at forbinde output fra to komparatorer fra IC 339 direkte ligesom en ELLER port .

Et godt eksempel på et vinduskomparator kredsløb kan ses nedenfor. Her er to IC 339-komparatorblokke konfigureret med et enkelt fælles indgangssignal, og udgangene er forbundet som ELLER gate.

Outputtet fra de respektive komparatorer går lavt, når indgangssignalet krydser enten den nedre indstillede tærskel eller den øvre indstillede tærskel, hvilket gør det muligt for brugeren at vide, når signalet er uden for det indstillede vinduesniveau.

En vindueskomparator kan bruges til nyttige applikationer som f.eks høj lavspændingsbeskytter kredsløb, og sol tracker kredsløb osv.

Konklusion

Fra ovenstående forklaringer lærte vi, at:

Komparatorer er grundlæggende enheder med to supplerende input og en responsiv output. Udgangen bliver høj eller lav, når spændingsniveauet på en af ​​indgangene går højere eller lavere end den anden indgang, afhængigt af hvilken indgang der bruges som reference eller på et fast spændingsniveau.

Selvom en op-forstærker også kan bruges som en komparator, er specialiserede komparator-IC'er bedre designet til at fungere som komparatorer.

Dedikerede komparator-IC'er som LM311, LM339 er specielt designet til komparatorapplikation med hurtigere respons og en fleksibel kapacitet med høj strømudgang.

Hvis du har nogen relaterede spørgsmål, er du velkommen til at stille dem gennem kommentarfeltet nedenfor.