Primerjalnik napetosti je majhno vezje, ki preverja dve napetosti in daje jasen VISOK ali NIZEK izhod. Deluje kot preprost preizkuševalec da ali ne, ki spreminjajoče se signale spreminja v digitalno logiko. Uporablja se v številnih napravah, od napajalnikov do senzorjev, saj je hiter, zanesljiv in enostaven za povezavo z digitalnimi sistemi.
Pregled primerjalnika napetosti
Komparator napetosti je osnovni element vezja, zasnovan za primerjavo dveh vhodnih napetosti in zagotavljanje jasnega digitalnega izhoda. Ko neinvertirajoči vhod (VIN+) preseže invertirajoči vhod (VIN−), se izhod preklopi v stanje HIGH (logika 1), in ko VIN+ pade pod VIN−, se izhod preklopi v stanje LOW (logika 0). Ta oster prehod omogoča, da primerjalnik deluje kot naprava za odločanje, ki razvršča analogne signale v digitalne logične ravni. V bistvu deluje kot enobitni analogno-digitalni pretvornik (ADC), ki prevaja neprekinjene spremembe napetosti v dokončna binarna stanja za mikrokrmilnike, procesorje in digitalne sisteme za interpretacijo. Lahko se zanesete na primerjalnike za zaznavanje pragov, identifikacijo ničelnega prehoda in oblikovanje valovne oblike v neštetih aplikacijah, od močnostne elektronike in komunikacijskih vezij do vmesnikov vgrajenih sistemov.
Primerjalnik proti operativnemu ojačevalniku
| Funkcija | Primerjalnik | Op-Amp (uporaba v odprti zanki) |
|---|---|---|
| Namen zasnove | Hitro preklapljanje, zaznavanje pragov | Linearno ojačevanje signala |
| Vnos v skupni način | Pogosto od železnice do železnice ali razširjenega dosega | Omejeno, običajno omejeno na oskrbovalne tirnice |
| Izhodna stopnja | Logično prijazen (odprti zbiralnik / push-pull) | Ni optimizirano za izhode na logični ravni |
| Zakasnitev razmnoževanja | Zelo hitro (nanosekunde do mikrosekunde) | Počasnejše, bistveno se razlikuje |
| Obnašanje nasičenosti | Zasnovan za čist prehod s tirnice na železnico | Ni priporočljivo, nasičenost povzroča zamude |
Delovanje invertirajočega in neinvertirajočega primerjalnika
Primerjalnik lahko deluje na dva osnovna načina, odvisno od tega, kako je vhod priključen. Ti se imenujejo invertni in neinvertirajući načini.
• Neinvertirajoči način - Signal gre na neinvertirajoči vhod (VIN+). Če ta signal preseže referenčno napetost (VREF), se izhod preklopi na HIGH. Izhod neposredno sledi vhodu.
• Inverting Mode - Signal gre na invertirajoči vhod (VIN−). Če ta signal pade pod referenčno napetost (VREF), se izhod preklopi na HIGH. V tem primeru izhod deluje nasprotno ali je obrnjen.
| Način | Pogoj za VISOKO zmogljivost | Logična smer |
|---|---|---|
| Neinvertiranje | VIN+ > VREF | Neposredno |
| Obračanje | VIN− < VREF | Obrnjeno |
Histereza v primerjalnih celicah in Schmittov sprožilec
Ko se primerjalnik uporablja z hrupnimi ali počasi spreminjajočimi se signali, se lahko izhod hitro preklaplja naprej in nazaj blizu praga. To nezaželeno hitro preklapljanje se imenuje klepetanje. Da bi se izognili tej težavi, oblikovalci uporabljajo histerezo, ki uvaja dve različni preklopni točki namesto samo ene.
• Zgornja sprožilna točka (UTP): Raven vhodne napetosti, kjer se izhod spremeni iz NIZKE v VISOKO.
• Spodnja sprožilna točka (LTP): Raven vhodne napetosti, kjer se izhod spremeni iz HIGH v LOW.
To pomeni, da se primerjalnik ne odziva na majhna nihanja okoli praga. Namesto tega mora signal prečkati zgornjo točko, da se vklopi, in se spustiti pod spodnjo točko, da se izklopi.
Vrste izhodov primerjalnika napetosti
Izhod odprtega zbiralnika
Uporablja BJT z odprtim zbiralnikom. Potrebuje zunanji pull-up upor za HIGH izhod. Običajno v žični logiki in prestavljanju ravni.
Odprti odtok
Podobno kot open-collector, vendar uporablja MOSFET. Zahteva tudi upor za vlečenje. Pogosto se uporablja v modelih CMOS in skupnih avtobusnih linijah.
Izhod Push-Pull
Aktivno poganja HIGH in LOW stanja brez upora. Zagotavlja hitro preklapljanje in čiste logične signale za neposredno povezovanje.
Izhod, združljiv z TTL
Zasnovan tako, da se ujema z logičnimi pragovi TTL. Uporabno za starejše ali starejše sisteme, kjer se še vedno uporabljajo naprave TTL.
Izhod, združljiv s CMOS
Ponuja nihanje napetosti od železnice do tirnice z nizko porabo energije. Najbolj primerna za sodobna digitalna vezja z nizko porabo energije, ki temeljijo na CMOS.
Odprti oddajnik ali izhod tipa ECL
Zagotavlja zelo hitro preklapljanje z majhnimi nihanjem napetosti. Uporablja se v hitrih podatkovnih, RF in komunikacijskih aplikacijah.
Primerjalnik oken
Primerjalnik oken je vezje, ki določa, ali vhodna napetost spada v določeno zgornjo in spodnjo mejo. Zgrajen je z uporabo dveh primerjalnikov: eden primerja vnos s spodnjim pragom, drugi pa ga preverja z zgornjim pragom. Kombinirani logični izhod kaže, ali je signal znotraj okna ali zunaj njega.
Ko vhodna napetost ostane v določenem območju, izhod signalizira veljavno stanje, kar pomeni, da sistem deluje normalno. Če napetost preseže ali podpre nastavljene meje, izhod pokaže stanje napake, kar sproži zaščitne ali korektivne ukrepe.
Aplikacije za primerjavo oken
• Spremljanje stanja baterije, da se zagotovi, da napetost ostane v varnem območju.
• Temperaturni krmilni krogi z visokimi in nizkimi varnostnimi mejami.
• Nadzorniki napajanja, ki zaznavajo pogoje podnapetosti ali prenapetosti.
Skupne družine primerjalnih IC
| Model | Kanali | Vrsta izhoda | Obseg dobave | Opis |
|---|---|---|---|---|
| LM311 | Enoposteljna | Odprti kolektor | ±15 V ali 5–30 V | Klasičen, hitro menjalni primerjalnik. Lahko neposredno poganja bremena in se pogosto uporablja v nadzornih in merilnih sistemih. |
| LM393 | Dvojni | Odprti zbiralnik | 2–36 V | Priljubljena v hobi in industrijskih krogih. Zagotavlja zanesljivo delovanje in se pogosto uporablja za splošne modele. |
| LM339 | Štirikolesnik | Odprti zbiralnik | 2–36 V | Ekonomična izbira, ki ponuja štiri primerjalne izdelke v enem paketu. Pogosto se uporablja v stroškovno občutljivih ali prostorsko varčnih aplikacijah. |
Nasveti za zanesljivo oblikovanje primerjalnega aparata
| Nasvet | Kaj to pomeni |
|---|---|
| Dodajanje histereze | Pomaga ohranjati izhod stabilen, ko se vhodni signal počasi spreminja ali ima hrup. |
| Preverjanje vhodnega obsega | Prepričajte se, da vhodna napetost ostane v območju, ki ga primerjalnik lahko obvlada. |
| Uporaba stabilnega sklica | Referenčna napetost mora biti čista in enakomerna, tako da je izhod natančen. |
| Izberite pravi upor | Majhen upor omogoča hitrejše preklapljanje, vendar porabi več energije. Večji upor prihrani energijo, vendar upočasni preklapljanje. |
| Ne uporabljajte operacijskih ojačevalcev kot primerjalnikov | Op-ojačevalci niso zgrajeni za hitro preklapljanje. Pravi primerjalnik deluje bolje. |
|Vhodi senzorja za odboj | Mehanski senzorji, kot so stikala, se lahko odbijejo, zato dodajte histerezo ali vezja, da jih zgladite.
Izhod primerjalnika in vmesnik obremenitve
Vhodi mikrokrmilnika
Primerjalniki z odprtim kolektorjem ali odprtim odtokom običajno potrebujejo vlečne upore. Ta vlečenja nastavijo izhodno napetost tako, da se ujema z logično ravnjo mikrokrmilnika (na primer 3,3 V ali 5 V), kar omogoča varno in zanesljivo komunikacijo.
Pogonski releji ali motorji
Primerjalniki ne morejo zagotoviti dovolj toka za neposredno napajanje obremenitev. Za ravnanje z releji, motorji ali drugimi napravami se izhod primerjalnika uporablja za krmiljenje tranzistorja ali MOSFET-a, ki varno preklopi večji tok.
Premikanje ravni med sistemi
Izhodi z odprtim kolektorjem omogočajo enostavno priključitev vezij, ki delujejo pri različnih napetostih. Na primer, primerjalnik, ki deluje pri 5 V, lahko varno poganja 3,3 V mikrokrmilnik z izbiro ustreznega vlečnega upora.
Različne primerjalne aplikacije
Odkrivanje prehoda ničle
Primerjalniki zaznavajo, kdaj izmenični signal prečka nič voltov, kar je uporabno pri faznem nadzoru, spremljanju valovne oblike in sinhronizacijskih vezjih.
Zaščita pred prenapetostjo in podnapetostjo
Spremljajo napajalne napetosti in sprožijo zaščitne izklope, če napetost preseže varne meje.
Zaznavanje oken
Z dvema primerjalnima aparatoma preverijo, ali signal ostane v določenem območju. Običajno v sistemih za spremljanje zdravja baterij in varnostnih sistemih.
Vezja oscilatorja
Primerjalniki s povratnimi informacijami lahko ustvarijo kvadratne valove, ki se uporabljajo v časovnem razporedu, generiranju ure ali PWM vezjih.
Pretvorba analogno-digitalno (ADC)
Uporablja se v flash ADC-jih, kjer več primerjalnikov primerja vhod z referenčnimi ravnmi za ustvarjanje digitalnih izhodov.
Krmiljenje modulacije širine impulza (PWM)
Primerjajo referenčno valovno obliko s trikotnim ali žagovim signalom, da ustvarijo PWM signale za motorne pogone in napajalnike.
Kondicioniranje signala senzorja
Primerjalniki pretvarjajo hrupne analogne signale iz senzorjev (LDR, termistorji, stikala) v čiste digitalne signale za mikrokrmilnike.
Zaključek
Komparatorji napetosti so preprosta vezja, ki spreminjajoče se napetosti spreminjajo v jasne digitalne signale. Delujejo lahko v različnih načinih, uporabljajo histerezo za stabilnost in podpirajo različne vrste izhodov za enostavno povezovanje. Pogosti pri nadzoru, nadzoru in zaščiti ostajajo bistveni del elektronike, ki premošča vrzel med analognimi vhodi in digitalnimi sistemi.
Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]
Ali lahko primerjalnik deluje z izmeničnim signalom?
Da, vendar se bo preklopil na vsakem prehodu. Histereza pomaga zmanjšati preklapljanje hrupa.
Zakaj primerjalnemu zdravilu dodati histerezo?
Preprečuje hitro preklapljanje zaradi hrupa ali počasnih sprememb vnosa.
Kaj pa, če vhodi presežejo območje skupnega načina?
Primerjalnik lahko daje napačne izhode ali preneha delovati pravilno.
Ali primerjalni izdelki porabijo veliko energije?
Ne, večina porabi malo energije. Hitri modeli porabijo več.
Ali lahko primerjalnik poganja obremenitve, kot so LED ali motorji?
Ne, potrebuje tranzistor ali MOSFET za obdelavo večjih tokov.
Katere napake se zgodijo pri uporabi primerjalnih zdravil?
Pogoste napake so manjkajoči upori za vlečenje, uporaba operacijskih ojačevalcev kot primerjalnikov ali pozabljanje na histerezo.