Схемы практической реализации устройств на основе компараторов
В качестве примера возмем распространённый компаратор К554СА3, (зарубежные аналоги LM-111, LM-211, LM-311).
На выходе этого компаратора включен транзистор с открытыми коллектором и эмиттером, и в зависимости от необходимого результата на выходе, его можно подключать по схеме с общим эмиттером или эмиттерным повторителем.
Схема включения компаратора для одно-полярного питания изображена на рисунке 1, для двух-полярного питания на рисунке 2.
Читать также: Почвенные фрезы для мотоблока
Рисунок 1. Схема включения компаратора в одно-полярное питание. а – с общим эмиттером; б – эмиттерным повторителем. Напряжение питания +5 вольт указано для уровня логики ТТЛ микросхем.
Для согласования выхода с логическими уровнями КМОП микросхем, напряжение питания соответственно может быть 9-15 вольт.
Рисунок 2.
Схема включения компаратора в двух-полярное питание. а – с общим эмиттером; б – эмиттерным повторителем.
В качестве нагрузки компаратора можно использовать любую нагрузку с током потребления не более 50 мА. Это могут быть непосредственно обмотки реле, резисторы, светодиоды индикации и оптронов исполнительных устройств, с ограничивающими ток резисторами. Индуктивные нагрузки желательно шунтировать диодами от обратного выброса напряжения. Напряжение питания компаратора может быть 5 – 36 вольт одно-полярного (или сумма двух-полярного) напряжения.
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 Измерение мультиметром с токовыми клещами
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.
Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта
Применение положительной обратной связи (ПОС) в компараторах и триггерах Шмитта ускоряет переключение схем, но в связи с тем, что выходное напряжение UВЫХ изменяется от UНАС+ до UНАС-, то время переключения составляет довольно значительную величину (от долей до единиц микросекунд).
Кроме того существует проблема несовместимостей уровней выходного напряжения, к примеру, при напряжении питания ОУ UПИТ = ±15 В, выходное напряжение составит UВЫХ ≈ ±14 В (UНАС+ ≈ +14 В, а UНАС- ≈ -14 В), в то время как уровни ТТЛ микросхем составляют около +5 В или 0 В.
Для устранения вышеописанных проблем применяют так называемую привязку или ограничение уровня выходного напряжения, для этого в компаратор или триггер Шмитта вводят ООС в виде различных схем ограничения. Простейшими ограничительными схемами являются диоды или стабилитроны. Схема триггера Шмитта с ограничение выходного напряжения показана ниже
Триггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООС.
Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом. При поступлении на инвертирующий вход напряжения меньше, чем напряжение опорного уровня (UВХ ОП), то выходное напряжение UВЫХ начинает изменяться в положительном направлении и при достижении напряжения стабилизации стабилитрона UСТ напряжение на выходе перестанет расти, а будет изменяться только ток. При этом выходное напряжение будет равняться напряжению стабилизации стабилитрона (UВЫХ = UСТ).
В случае если входное напряжение начнёт увеличиваться, выше опорного напряжения, то на выходе напряжение начнёт уменьшаться и в этом случае направление тока через стабилитрон начнёт изменяться на противоположный, а стабилитрон начнёт вести себя как диод. В результате падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В независимо от величины протекающего через него тока, а на выходе напряжение составит -0,7 В.
Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: UВЫХ1 = UСТ (при отсутствии ограничения UНАС+) или UВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения UНАС-).
Для симметричного ограничения выходного напряжения могут применяться последовательно включенные диоды или стабилитроны, что показано на рисунке ниже
Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.
В данной схеме реализуется симметричное ограничение выходного напряжения относительно опорного напряжения, причем выходное напряжение выше опорного напряжения ограничивается стабилитроном VD1, а напряжение при этом составит на 0,7 В больше напряжения стабилизации. В случае же выходного напряжения ниже опорного, то выходное напряжение будет на 0,7 В ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2.
При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве UНАС+ необходимо использовать UСТ (когда используется один стабилитрон) или UСТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо UНАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или UСТVD2 (при двухстороннем ограничении).
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
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 Особенности амперметра переменного тока
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.
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.
Рис.3. Схема подключения датчика температуры.
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:
Рис. 4. Расположение выводов у микросхемы ОУ NE5532.
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.
Рис.5. Схема индикатора зарядки/разрядки батареи.
Приложения
Нулевые детекторы
Детектор нуля определяет, когда заданное значение равно нулю. Компараторы идеально подходят для сравнительных измерений с обнаружением нуля, поскольку они эквивалентны усилителю с очень высоким коэффициентом усиления с хорошо сбалансированными входами и контролируемыми пределами выхода. Схема детектора нуля сравнивает два входных напряжения: неизвестное напряжение и опорное напряжение, обычно упоминаются как об у и об г . Опорное напряжение, как правило , на неинвертирующий вход (+), в то время как неизвестно напряжение, как правило , на инвертирующий входе (-). (На принципиальной схеме входы будут отображаться в соответствии с их знаком относительно выхода, когда один вход больше другого.) Если входы почти не равны (см. Ниже), выход будет либо положительным, либо отрицательным, например ± 12 В. в случае нуль — детектора целью является обнаружение , когда входные напряжения почти равны, что дает значение неизвестного напряжения , поскольку опорное напряжение известно.
При использовании компаратора в качестве детектора нуля точность ограничена; выходной сигнал равен нулю, когда величина разности напряжений, умноженная на коэффициент усиления усилителя, находится в пределах напряжения. Например, если коэффициент усиления равен 10 6 , а пределы напряжения составляют ± 6 В, то выходной сигнал будет равен нулю, если разность напряжений меньше 6 мкВ. Это можно назвать фундаментальной погрешностью измерения.
Детекторы перехода через ноль
Для этого типа детектора компаратор обнаруживает каждый раз, когда импульс переменного тока меняет полярность. Выход компаратора меняет состояние каждый раз, когда импульс меняет свою полярность, то есть выход HI (высокий) для положительного импульса и LO (низкий) для отрицательного импульса квадратирует входной сигнал.
Осциллятор релаксации
Компаратор можно использовать для создания релаксационного генератора . Он использует как положительные, так и отрицательные отзывы. Положительная обратная связь представляет собой конфигурацию триггера Шмитта . Сам по себе триггер — это бистабильный мультивибратор . Однако медленная отрицательная обратная связь, добавляемая к триггеру цепью RC, заставляет цепь автоматически колебаться. То есть добавление RC-цепи превращает гистерезисный бистабильный мультивибратор в нестабильный мультивибратор .
Аналого-цифровые преобразователи
Когда компаратор выполняет функцию определения того, находится ли входное напряжение выше или ниже заданного порога, он, по сути, выполняет 1-битное квантование . Эта функция используется почти во всех аналого-цифровых преобразователях (таких как флэш , конвейер, последовательное приближение , дельта-сигма модуляция , сворачивание, интерполяция, двойной наклон и другие) в сочетании с другими устройствами для достижения многобитового квантования.
Детекторы окон
Компараторы также могут использоваться как детекторы окон. В оконном детекторе компаратор используется для сравнения двух напряжений и определения, находится ли данное входное напряжение ниже или выше напряжения.
Детекторы абсолютного значения
Компараторы могут использоваться для создания детекторов абсолютных значений. В детекторе абсолютного значения два компаратора и цифровой логический вентиль используются для сравнения абсолютных значений двух напряжений.
Примеры и использование устройств уточнения веса
Российским стандартом массы является платиновый цилиндр. Он был скопирован с французского образца 125 лет назад. За прошедшие годы, эталон потерял в виде окислов около 40 мкг от первоначального веса. Соответственно, его использование для нужд производств, с высокой точностью измерения массы сейчас затруднительно.
Был разработан новый стандарт массы. Ученые назначили таковым кремниевый шар с четным количеством атомов. Сейчас это наиболее точный вариант эталона килограмма. Его характеристики приняты международным сообществом для использования.
Созданный образец нуждается в многократном копировании. Так как современные направления в науке, особенно фармакология, биоинженерия, компьютерная электроника, нанотехнологические разработки требуют прецизионной точности измерений. Для таких областей науки и техники критичны сотые доли микрограмма. Эту задачу должен решить атомный компаратор массы – устройство способное определить разницу в несколько частиц.
Атомный компаратор использует для измерений опорный сигнал, полученный от высокоточного кварцевого генератора. Измеряемое напряжение берется с квантового дискриминатора, определяющего стабильность линии мельчайших частиц. Ее изменения вызываются расхождением в количестве атомов образца. Поэтому сейчас – это самый точный прибор измерения.
Существуют и менее точные компараторы массы. Их стоимость гораздо ниже атомных, но для них всех находится работа в промышленности, торговле, стандартизации.
[1.5.2+] Туториал по редстоуну
Всем привет! Этот туториал посвящен редстоуну. Здесь я расскажу, как он работает и что из него можно сделать. В туториале есть ссылки на minecraft wiki и википедию, чтобы интересные вещи вы могли узнать более подробно.
У каждого блока есть два параметра: -Мощность редстоун-сигнала на нём (число от 0 до 15). -Активирован ли блок сильно (да/нет)
Сильно активированные блоки являются источниками сигнала, как красный факел или блок редстоуна, и наоборот: источники сигнала считаются сильно активированными блоками.
Таблица возможных состояний блоков:
Блоки красной пыли отличаются между собой, в зависимости от того, как они установлены. И не только по внешнему виду. Меняется и то, как они работают. У кусочка редстоуна есть «концы».
На скриншоте показаны концы для того кусочка, который находится на зеленой шерсти. Концы обозначены полублоками кирпича. У единственного кусочка редстоуна (точки) 5 концов, а у расположенного на прямой линии 2 конца, а у того, который на изгибе всего 1 «конец». Как редстоун активирует блоки?
Только блоки, которые расположены на таких «концах» активируются, когда активен сам редстоун. Блок под редстоуном активируется всегда, каким бы образом редстоун не был установлен, поэтому зеленые блоки тоже считаются «концами». При этом уровень активации «концов» точно такой же, как у кусочка красной пыли. То есть мощность сигнала не уменьшается, проходя сквозь блоки. Она уменьшается только если сигнал проходит от редстоуна к редстоуну. Повторители и компараторы тоже не уменьшают мощность сигнала.
Демонстрация, какие блоки активировались:
Блоки под редстоуном тоже считаются «концевыми»:
Как активируется сам редстоун?
Кусочек редстоуна становится активным, если: 1) Есть активированный кусочек редстоуна рядом (6 смежных блоков) или на ступеньку выше/ниже. (мощность сигнала становится на 1 меньше) Сигнал может быть передан на ступеньку выше, даже если путь преграждает «особый» блок (см. ниже). 2) Рядом с ним есть блок-источник сигнала. (мощность сигнала становится такой же как у блока) (сильно активированные блоки можно обнаружить только с помощью редстоуна) Блоки, которые над и под редстоуном тоже считаются «рядом».
На скриншоте видно, что редстоун не зажигается от активированного блока, но зажигается от блока-источника сигнала (повторитель активирует блок перед собой сильно). При этом не обязательно чтобы блок-источник был «концевым». Редстоун, расположенный на изгибе и в середине линии, тоже активируется.
Красный факел, как и обычный, не может висеть в воздухе. Он обязательно должен быть прикреплен к какому-то блоку. Красный факел может находиться в двух состояниях: включен и выключен (а не в 16 состояниях, как красная пыль и блоки).
Когда красный факел горит, он сам становится источником сигнала (мощностью 15), и делает блок над собой источником сигнала (мощностью 15) (если он «проводящий»).
Сигнал по редстоуну передается моментально. Факел же меняет свое состояние не сразу, а примерно через 0,1 сек.
Чем блок красного камня отличается от факела?
Блок красного камня всегда является источником сигнала и никогда не выключается, его можно передвигать поршнями, и блок над собой он не делает источником сигнала.
Принцип работы и виды интегральных компараторов
На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.
При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:
- Диапазон напряжения питания.
- Диапазон входных напряжений.
- Максимальный ток на выходе компаратора.
- Тип выхода.
Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе.
Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.
Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.
Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.
Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.
Обозначения выводов выглядят следующим образом:
Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.
При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.
При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.
Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.
Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.
Работа компаратора напряжения
В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.
С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.
