Компаратор на транзисторах своими руками схемы

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 08.09.2024

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор – это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1).

Рис. 1. Характеристики компараторов

Рис. 2. Процессы переключения компараторов

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U 1 _вых – U 0 _вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 2) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами – или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 1а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 2). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый "дребезг", эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рис. 3. Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂. Если U_вх – U_оп > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При U_вх – U_оп m А710 (отечественный аналог – 521СА2), разработанного Р. Видларом (R.J.Widlar) в США в 1965 г., приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема компаратора m А710

Она представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах VT₁, VT₂, нагруженный на каскады ОЭ на VT₅ и VT₆. Каскад на VT₅ через транзистор VТ₄ управляет коллекторным режимом входного каскада и через транзистор в диодном включении VТ₇ фиксирует потенциал базы транзистора VT₈, делая его независимым от изменений положительного напряжения питания. Каскад на VT₆ представляет собой второй каскад усиления напряжения.

Эмиттерные выводы транзисторов VT₅ и VT₆ присоединены к стабилитрону VD₁ с напряжением стабилизации 6,2 В, поэтому потенциалы баз указанных транзисторов соответствуют приблизительно 6,9 В. Следовательно, допустимое напряжение на входах компаратора относительно общей точки может достигать 7 В. На транзисторе VT8 выполнен эмиттерный повторитель, передающий сигнал с коллектора VT₆ на выход. Постоянная составляющая сигнала уменьшается до нулевого уровня стабилитроном VD₂.

Если дифференциальное входное напряжение превышает +5. +10 мВ, то транзистор VT₆ закрыт, а VT₅ близок к насыщению. Выходной сигнал компаратора при этом не может превысить +4 В, так как для более положительных сигналов открывается диод на VT₇, не допуская излишнего роста выходного напряжения и насыщения VТ₅. При обратном знаке входного напряжения VT₆ насыщается, потенциал его коллектора оказывается близок к напряжению стабилизации стабилитронов VD₁ и VD₂, а поэтому потенциал выхода близок к нулю. Транзистор VT₉ – источник тока 3 мА для смещения VT₈ и VD₂. Часть этого тока (до 1,6 мА) может отдаваться в нагрузку, требующую вытекающий ток на входе (один вход логики ТТЛ серии 155 или 133).

Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания (например, +/-13 В для ОУ типа 140УД7, работающего от источников +/-15 В). В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с "открытого коллектора". Выходные транзисторы некоторых типов компараторов, например, 521СА3 или LM311 имеют открытые, т.е. неподключенные, и коллектор и эмиттер. Две основные схемы включения компараторов такого типа приведены на рис. 5.

Рис. 5. Схемы включения выходного каскада компаратора 521СА3

На рис. 5а выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером. При потенциале на верхнем выводе резистора равном +5 В к выходу можно подключать входы ТТL, nМОП- и КМОП-логику с питанием от источника 5 В. Для управления КМОП-логикой с более высоким напряжением питания следует верхний вывод резистора подключить к источнику питания данной цифровой микросхемы.

Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от U + _пит до U – _пит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. 5б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов.

Некоторые модели интегральных компараторов (например, AD790, МАХ907) имеют внутреннюю неглубокую положительную обратную связь, обеспечивающую их переходной характеристике гистерезис с шириной петли, соизмеримой с напряжением смещения нуля.

На рис. 6а приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 1б). Пороговые напряжения этой схемы определяются по формулам

Из-за несимметрии выхода компаратора петля гистерезиса оказывается несимметричной относительно опорного напряжения.

Рис. 6. Компаратор с положительной обратной связью

В заключение, перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ.

Несмотря на то, что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них почти никогда не используют отрицательную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса – гарантировано) самовозбуждение компараторов.
В связи с тем, что в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы.
Из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно низко и может меняться при изменении входных сигналов.
Выходное сопротивление компараторов значительно и различно для разной полярности выходного напряжения.

Двухпороговый компаратор

Двухпороговый компаратор (или компаратор "с окном") фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть операции логического умножения (рис. 7а). Как показано на рис. 7б, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие U₁ m А711 (отечественный аналог – 521СА1).

Рис. 7. Схема двухпорогового компаратора (а) и диаграмма его работы (б)

Параметры компараторов

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ.

Основным динамическим параметром компаратора является время переключения t_п. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения U_вх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения U_вх над опорным напряжением. На рис. 8 приведены переходные характеристики компаратора mА710 для различных значений дифференциального входного напряжения U_д при общем скачке входного напряжения в 100 мВ. Время переключения компаратора t_п можно разбить на две составляющие: время задержки t_з и время нарастания до порога срабатывания логической схемы t_н. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

Рис. 8. Переходная характеристика компаратора m А710 при различных превышениях скачка входного напряжения U_д над опорным: 1 – на 2 мВ; 2 – на 5 мВ; 3 – на 10 мВ; 4 – на 20 мВ

Рис. 1. Схема компаратора на транзисторе.

Транзистор p-n-p типа сравнивает опорное напряжение на эмиттере с частью контролируемого напряжения, поданной на базу через резистивный делитель R1R2.

Когда напряжение на базе падает ниже опорного, транзистор открывается и выход компаратора (коллектор транзистора) переходит в состояние с высоким потенциалом. Такая схема может использоваться, например, для контроля напряжения батареи питания.

Через компараторы осуществляется связь между непрерывными сигналами, например, напряжения и логическими переменными цифровых устройств.

Применяются в различных электронных устройствах, АЦП и ЦАП, устройствах сигнализации, допускового контроля и др.

Одно из напряжений (сигналов), подаваемое на один из входов компаратора обычно называют опорным или пороговым напряжением. Пороговое напряжение делит весь диапазон входных напряжений, подаваемых на другой вход компаратора на два поддиапазона. Состояние выхода компаратора, высокое или низкое, указывает, в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение. Компаратор с одним входным пороговым напряжением принято называть однопороговым компаратором, существуют компараторы с двумя или несколькими пороговыми напряжениями, которые, соответственно делят диапазон входного напряжения на число поддиапазонов на 1 большее числа порогов.

Сравниваемый сигнал может подаваться как на инвертирующий, так и на неинвертирующий вход компаратора. Соответственно, в зависимости от этого компаратор называют инвертирующим или неинвертирующим.

Содержание

В аналитическом виде идеальный однопороговый неинвертирующий компаратор задаётся следующей системой неравенств:

U_ end >>"> U o u t = U r e f = U_ ,& >U_ U_ end >> U_ end >>"/> где U r e f > — напряжение порога сравнения, U o u t > — выходное напряжение компаратора, U i n > — входное напряжение на сигнальном входе компараторе.

Третьему, неопределённому значению, в случае бинарного состояния выхода можно:

присвоить U 0 >или U 1 >,
присвоить U 0 >или U 1 >случайным образом динамически,
учитывать предыдущее состояние выхода и считать равенство недостаточным для переключения,
учитывать первую производную по времени выходного сигнала и её равенство нулю считать недостаточным для переключения.

В случае использования многозначной логики, например, троичной для учёта третьего состояния (равенство) применить соответствующую троичную функцию из чёткой троичной логики с чётким третьим значением.

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:

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.

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

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.

Строятся на двух и более обычных компараторах.

В аналитическом виде двухпороговый (троичный) компаратор задаётся следующими системами неравенств:

U_ \U_ = 0,& >U_ U_ end >\U_ = 0,& >U_ U_ end >end >>"> U r e f 1 U o u t 1 = U r e f 1 U o u t 2 = U r e f 2 U_ >U_ \U_ = 0,& >U_ U_ end >\U_ = 0,& >U_ U_ end >end >> U_ \U_ = 0,& >U_ U_ end >\U_ = 0,& >U_ U_ end >end >>"/>

где:
U_ref1 и U_ref2 — напряжения нижнего и верхнего порогов сравнения,
U_out1 и U_out2 — выходные напряжения компараторов, а
U_in — входное напряжение на компараторах.

Двухпороговый (троичный) компаратор является простейшим одноразрядным троичным АЦП.

Троичный компаратор является переходником из нечёткой (fuzzy) троичной логики в чёткую троичную логику для решения задач нечёткой троичной логики средствами чёткой троичной логики.

Тумблеры и переключатели на 3 положения без фиксации (ON)-OFF-(ON) [2] [3] являются механоэлектрическими троичными (двухпороговыми) компараторами, в которых входной величиной является механическое отклонение рычага от среднего положения.

Двухпороговый (троичный) компаратор выпускается в виде отдельной микросхемы MA711H (К521СА1).

Троичный компаратор низкого качества с двоичными компараторами на цифровых логических элементах 2И-НЕ применён в троичном индикаторе напряжения источника питания с преобразованием трёх диапазонов входного напряжения в один трёхбитный одноединичный трит (3B BCT) [4] . Для построения прецизионного триггера Шмитта в этой схеме не хватает двоичного RS-триггера, который можно выполнить на двух дополнительных логических элементах 2И-НЕ (например, использовать два из четырёх логических элементов 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3).

Пример широко известных компараторов: LM311 (российский аналог — КР554СА3), LM339 (российский аналог — К1401СА1). Эта микросхема часто встречается, в частности, на системных платах ЭВМ, а также в системах управления ШИМ контроллеров в блоках преобразования напряжения (например, в компьютерных блоках питания с системой питания ATX) [5] [6] .

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные. Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения tп. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения Uвх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения Uвх над опорным напряжением. На рис. 8 приведены переходные характеристики компаратора mА710 для различных значений дифференциального входного напряжения Uд при общем скачке входного напряжения в 100 мВ. Время переключения компаратора tп можно разбить на две составляющие: время задержки tз и время нарастания до порога срабатывания логической схемы tн. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

Для индикации значения какого-либо параметра, например напряжения, зачастую удобно использовать светодиодный индикатор, работающий по принципу "Меньше", "Норма", "Больше", т. е. он имеет три устойчивых состояния. При этом каждому состоянию соответствует свой светодиод. Для реализации такого индикатора часто применяют двухпороговый компаратор, который можно реализовать на ОУ [1], логических элементах 2, транзисторах [5], ОУ, транзисторах и реле [6]. В этих случаях дополнительным элементом должен быть источник образцового напряжения, а при его отсутствии необходимо обеспечить стабильность напряжения питания индикатора, иначе пороги переключения будут "плавать".

Собрать такой индикатор можно на основе широко известной микросхеме параллельного стабилизатора напряжения серии КР142ЕН19 или её зарубежного аналога - микросхемы серии TL431 и её клонов. Это обеспечит стабильность порогов переключения, так как в этой микросхеме есть встроенный источник образцового напряжения. А использование в индикаторе светодиодов различного цвета свечения, а значит, с разными номинальными напряжениями, позволит обеспечить включение только одного из них.

Рис. 1. Схема индикатора

Схема индикатора показана на рис. 1. Он содержит три микросхемы TL431A, одна из которых - DA3 - включена как стабилизатор напряжения, а две остальные DA1 и DA2 работают как компараторы и управляют светодиодами HL1 и HL2. Контроли-руемое напряжение поступает на управляющие входы этих микросхем с резистивных делителей R1R2 и R1R3. Работает индикатор следующим образом. Пороговое напряжение на входе микросхемы TL431A - 2,5 В. При меньшем напряжении ток через микросхему мал, а при большем резко увеличивается, благодаря этому микросхему можно использовать как пороговое устройство, т. е. компаратор [6]. Микросхема DA3 включена как стабилизатор напряжения 2,5 В, а номинальное напряжение светодиода HL3 синего свечения - 2,9. 3,3 В. Поскольку они включены последовательно, минимальное напряжение, при котором светодиод будет светить, - около 5,5 В. При меньшем напряжении питания светодиод HL3 погаснет. Поэтому при напряжении питания более 5,5 В и отсутствии входного напряжения будет светить именно светодиод HL3 "Меньше", сигнализируя о том, что входное напряжение меньше нижнего порога. Резистор R7 ограничивает ток через этот и другие светодиоды.

Напряжение нижнего порога переключения устанавливают подстроечным резистором R2. Когда при увеличении входного напряжения его значение на входе микросхемы DA2 превысит 2,5 В, она откроется и ток через неё резко увеличится - станет светить светодиод зелёного свечения HL2 "Норма". Номинальное напряжение этого светодиода, как правило, меньше напряжения светодиода синего свечения, а минимальное напряжение на микросхеме TL431A - не более 2 В. Поэтому суммарное напряжение на микросхеме DA2 и светодиоде HL2 не превысит 4,5 В. В результате светодиод HL3 погаснет.

Напряжение верхнего порога переключения устанавливают подстроечным резистором R3. Когда напряжение на его движке превысит 2,5 В, откроется микросхема DA1 и ток через неё резко увеличится, поэтому включится светодиод HL1 "Меньше" красного свечения. Номинальное напряжение этого светодиода - 1. 1,8 В, поэтому суммарное напряжение на микросхеме DA1 и светодиоде HL1 не превысит 4 В. В результате светодиод HL2 погаснет. Резисторы R4-R6 необходимы для того, чтобы исключить слабое свечение светодиодов в выключенном состоянии микросхем DA1-DA3. Дело в том, что в таком состоянии через каждую микросхему протекает небольшой ток, и чтобы он протекал не через светодиоды, установлены эти резисторы.

Устанавливая нижний и верхний пороги переключения резисторами R2 и R3 соответственно, индикатор можно настроить на любой интервал входного напряжения. Минимальное значение нижнего предела - 2,5 В, оно задано напряжением переключения микросхемы TL431A. Максимальное значение верхнего предела, в принципе, неограничено, поскольку оно зависит от делителя напряжения R1R2, и его можно увеличить за счёт увеличения сопротивления резистора Rl. Но следует учесть, что если напряжения нижнего и верхнего порогов отличаются в несколько раз, для каждой микросхемы надо сделать отдельный резистивный делитель.

Рис. 2. Чертёж печатной платы индикатора

Рис. 3. Внешний вид смонтированной платы

Индикатор собран на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1. 2 мм, чертёж которой показан на рис. 2. Применены постоянные ре зисторы МЛТ, С2-23, подстроечные - серий 3362Н, PV32H или отечест венные СП3-19. Светодиоды - сверхъяркие соответствующего све чения, можно применить трёхцветный светодиод EL-501TCC07E, его цоколёвка показана на рис. 1. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 3. Налаживание сводится к установке порогов переключения резисторами R2, R3 и подборке резисторов R4-R6, чтобы не было подсветки светодиодов. Резистором R7 можно установить яркость свечения светодиодов.

Недостатком устройства является сравнительно большой минимальный порог переключения - 2,5 В. Чтобы его уменьшить, на входы микросхем надо подать постоянное напряжение смещения. Это напряжение должно быть сравнительно стабильным, а получить его можно, применив на входе индикатора истоковый повторитель на полевом транзисторе с управляющем p-n переходом. Вариант схемы индикатора с повышенной чувствительностью показан на рис. 4.

Рис. 4. Вариант схемы индикатора с повышенной чувствительностью

Здесь в истоковом повторителе применён транзистор с большим начальным током и большим напряжением отсечки. Благодаря этому на резисторах, включённых в цепь истока, будет напряжение, близкое к 2,5 В, что и обеспечит необходимое смещение. Это напряжение зависит от параметров транзистора и общего сопротивления этих резисторов.

Коэффициент передачи истокового повторителя по напряжению немногим менее единицы, поэтому практически всё приращение входного напряжения поступает на исток и далее через резисторы R2 и R3 на входы микросхем. Благодаря применению полевого транзистора входное сопротивление индикатора будет более 1 МОм. При этом режим по постоянному току будет вблизи от термостабильной точки. Между затвором и общим проводом нет смысла устанавливать резистор, поскольку вход индикатора будет подключён к источнику контролируемого напряжения. Если контролируемое напряжение может изменяться в большом интервале, для защиты полевого транзистора в цепь затвора следует установить резистор R' сопротивлением несколько десятков килоом.

Рис. 5. Чертёж платы доработанного варианта индикатора

Чертёж платы доработанного варианта индикатора показан на рис. 5. Здесь можно применить такие же элементы, как и в предыдущем случае. Подойдут транзисторы серий КП302, КП307. Поскольку у транзисторов большой разброс параметров, предварительно надо провести подборку требуемого экземпляра или подборку резистора R1. Для этого вход индикатора соединяют с общим проводом, подают питающее напряжение и измеряют напряжение на истоке транзистора VT1. Если оно меньше 2,5 В, например 2,2 В, минимальное напряжение переключения будет около 0,3 В. Если этого достаточно, можно приступать к налаживанию индикатора, т. е. установке порогов переключения. При этом следует учесть, что входное напряжение не должно превышать 80. 90 % от напряжения питания.

Для повышения чувствительности следует применить транзистор с большим напряжением отсечки. В этом случае напряжение на истоке может превысить 2,5 В, тогда его уменьшают до этого значения подборкой резистора R1. Добиваться чувствительности менее 0,1 В нецелесообразно, поскольку при этом может ухудшиться стабильность порога.

При напряжении питания менее 5 В не будет светить ни один из светодиодов. Так получается ещё один дополнительный уровень индикации - низкое значение напряжения питания или его отсутствие.

1. Двухпороговый компаратор. - Радио, 1985, №7, с. 58.

2. Нечаев И. Светодиодный индикатор уровня напряжения. - Радио, 1994, № 6, с. 31.

3. Световые индикаторы напряжения. - Радио, 1984, № 12, с. 25, 26.

4. Староверов А. Двухпороговые компараторы на логических элементах. - Радио, 2021, № 1, с. 14, 15.

5. Челебаев М. Трёхуровневый индикатор напряжения. - Радио, 1977, № 2, с. 29.

6. Гричко В. Двухпороговый компаратор. - Радио, 2003, № 4, с. 32.

Автор: И. Нечаев, г. Москва

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Для управления электронными схемами применяются различные устройства, которые помогают настраивать и разветвлять сигналы. Для сравнения двух разных импульсов часто используется компаратор с однополярным питанием.

Обозначение и технические характеристики

Компаратор – это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и силу тока, выдает конечный силовой сигнал, указывая на большее из них, одновременно производя расчет соотношения. У него есть две аналоговые вводные клеммы с положительным и отрицательным сигналом и один двоичный цифровой выход, как и у АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.

УГО отображение компаратора выглядите следующим образом:

Фото — УГО компаратора

Изначально использовался только интегрированный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), который известен как высокоскоростной. Он требует определенного дифференциального напряжения в определенном диапазоне, который существенно ниже, чем напряжение сети питания. Эти приборы не допускают никаких других внешних сигналов, которые находятся вне диапазона напряжения сети.

Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/ Atmega 2313), у которого транзисторный ввод. У него вводный потенциал сигнала находится в диапазоне менее 0,3 Вольт и не поднимается выше. Устройство может быть также ультра быстрого типа (стереокомпаратор), благодаря чему входной сигнал меньше обозначенного диапазона, к примеру, 0,2 Вольта. Как правило, используемый диапазон ограничивается только конкретным входным напряжением.

Фото — Компаратор

Помимо простого прибора, также существует видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это прибор, у которого очень тонко сбалансирована разница входа и высокого сопротивления сигнала. Благодаря такой характеристики, операционный компаратор используется в низкопроводимых схемах с небольшим вольтажем.

Фото — схема компаратора

В теории, частотный операционный усилитель работает в конфигурации с открытым контуром (без отрицательной обратной связи) и может быть использован в качестве компаратора низкой производительности. Но при этом, не инвертирующий вход (+ V) находится на более высоком напряжении, чем на инвертирующий (V-). Высокое усиление, выходящее из операционного усилителя, провоцирует выход низкого напряжения на входе в устройство.

Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне питания, то он все равно может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничивается только напряжением питания. Принципиальная электрическая схема ОУ работает в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с помощью сбалансированного сплит-источника питания (питание от ± V S ). Многие приборы, работающие с компаратором, также имеют свойство фиксировать полученные данные при помощи видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые контуры и низкопроводящие элементы.

Фото — простой компаратор

Но у компараторного усилителя существует несколько существенных недостатков:

Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Но при этом, ОУ имеет более длительный режим восстановления;
Почти все операционные усилители имеют конденсатор внутренней компенсации, который ограничивает скорость нарастания выходного напряжения для высокочастотных сигналов. Исходя из этого, данная схема немного задерживает импульс;
Компаратор не имеет внутреннего гистерезиса.

Из-за этих недостатков, компаратор для управления различными схемами, в большинстве случаев, используется без усилителя, исключением является генератор.

Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением, которое легко взаимодействует с цифровой логикой. Поэтому его часто используются в различных термических приборах (терморегулятор, реле температуры). Также его применяют для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и прочая схемотехника.

Фото — аналоговый компаратор

Видео: компараторы

Принцип работы

Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.

Фото — схема работы компаратора

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.

Назначение

Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.

Фото — компараторы для компьютера

Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.

Фото — ОУ компаратор

Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

Программирование и компаратор

Компоратор используется не только как часть электрической схемы ШИМ и т. д., его часто используют для создания отдельных программ или их компонентов. Например, устройство часто используется для создания java-коллекций.

Чтобы работать, Вам понадобится специальная программа Maven. Для начала Вам нужно создать проект, для полноценной работы необходимо подключение к интернету. Создаете новый проект, в структуре выберете два компонента: comparator и pojo. Наличие проверяется при помощи утилиты JUnit 4.11;
Установите pom.xml и создайте новый файл. Прерывание процесса недопустимо, поэтому очень важно на каждом этапе сохранять. После осуществляется создание и настройка POJO, где указываются нужные настройки. Параметры зависят от требований к конкретной библиотеке. Это могут быть даты рождения, общая информация по проживанию и т. д.;
И только после создается компаратор. Это класс, который используется для поверки данных и их распределения по нужным папкам. Использование данного класса необходимо, если нужно отсортировать определенную информацию по заданным параметрам (цвета, размеры, даты). Благодаря этому обеспечивается защита данных и их классификация по определенному принципу.

Купить готовый компаратор можно в любом магазине радиотехнических приборов и электротехники. Цена прибора варьируется в зависимости от его назначения и количества каналов.

Предлагаемое устройство может быть применено там, где требуется контроль за двумя уровнями напряжения (нижним и верхним). Его можно использовать в зарядных устройствах для проведения контрольно-тренировочных циклов, а также в различных устройствах автоматики.

Схема двухпорогового компаратора устройства показана на рис. ниже. За основу была взята классическая схема, которая неоднократно печаталась в журналах и книгах. Был доработан делитель напряжения R1R6R8R11 . Резисторы R8 и R11 были применены подстроечные, а также добавлены контакты реле К1.2 . Эти усовершенствования позволили получить двухпороговый компаратор. Пределы регулировки уровней срабатывания компаратора - от 3,1 до 15,8 В .

Если напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA1 больше, чем на инвертирующем, выходное напряжение ОУ близко к напряжению питания. Транзисторы VT1 и VT2 открыты, контакты реле К1.1 и К1.2 замкнуты. При увеличении напряжения на входе выше установленного резистором R8 верхнего предела напряжение на инвертирующем входе DA1 станет больше чем на неинвертирующем. Транзисторы VT1 и VT2 закроются, реле К1 отпустит. Контакты К1.1 выключат исполнительное устройство. Подстроечный резистор R11 перестанет быть зашунтированным контактами К1.2 , и коэффициент деления делителя напряжения изменится. Резистором R11 устанавливают нижний предел.

При понижении напряжения на входе устройства до уровня, установленного резисторами R8 и R11 , компаратор снова изменит свое состояние на противоположное.

Налаживание устройства начинают с установки тока стабилизации стабилитрона VD2 в пределах 20. 25 мА подбором резистора R10 . Резистором R3 устанавливают образцовое напряжение, получив нужные пределы регулировки компаратора. Для облегчения установки нижнего и верхнего порогов можно последовательно с R8 и R11 включить переменные резисторы сопротивлением 100 и 47 Ом соответственно.

Читайте также: