Comparatorcircuits met IC 741, IC 311, IC 339

De basisfunctie van een vergelijkingscircuit om twee spanningsniveaus aan de ingangspennen te vergelijken en een uitgang te produceren om te laten zien welke ingangsspanning een hoger potentieel heeft dan de andere.

In dit artikel zullen we uitgebreid leren hoe we comparatorcircuits correct kunnen ontwerpen met behulp van populaire IC's zoals IC 741, IC 311 en IC LM339

Verschil tussen een comparator en opamp

De IC 741 is een ideaal voorbeeld van een enkele opamp, en de IC LM311 kan worden beschouwd als een goed voorbeeld van een speciale enkele comparator.

U zult zien dat beide eenheden intern een identiek 'driehoekig' apparaatsymbool hebben, dat we normaal herkennen en gebruiken voor het tekenen van vergelijkingscircuits. De outputrespons van deze twee vormen van comparatoren kan echter enkele grote verschillen vertonen.

Hoewel een opamp en een comparator beide kunnen worden geconfigureerd om differentiële signalen aan hun ingangspennen te vergelijken, zijn de belangrijkste verschillen tussen de twee tegenhangers:

• In gevoede toestand zal de uitvoer van een opamp positief of negatief zijn, afhankelijk van de spanningsniveaus van de ingangspen, maar kan nooit open zijn. Een comparatoruitgang kan daarentegen open of geaard (negatief) of zwevend zijn.
• Een opamp-uitgang kan werken zonder pull-up- of pull-down-weerstanden, maar een comparator heeft altijd een externe pull-up- of pull-down-weerstand nodig om de eindtrap normaal te laten werken.
• Een opamp kan worden gebruikt om versterkercircuits met hoge versterking te bouwen, een comparator kan voor dergelijke toepassingen niet worden gebruikt.
• De uitgangsschakelrespons van een opamp is meestal langzamer in vergelijking met een comparator-IC.

Een klassiek ontwerp van het vergelijkingscircuit is te zien in de volgende afbeelding:

Hier reageert de uitgang met een 'hoog' digitaal signaal wanneer de spanning op de niet-inverterende (+) ingang hoger is dan de inverterende (-) ingang. Omgekeerd wordt de output in een laag digitaal signaal, telkens wanneer de niet-inverterende ingangsspanning lager is dan de inverterende ingangsspanning.

Verwijzend naar de bovenstaande afbeelding hierboven, zien we een standaardaansluiting van een comparatorcircuit met één ingang (de inverterende ingang in dit voorbeeld) geconfigureerd met een referentiespanning en de andere ingangspen die de niet-inverterende ingang is die is verbonden met een ingangssignaalspanning. .

Gedurende de tijd dat Vin op een lagere spanning wordt gehouden dan de referentiespanning van +2 V, blijft de output laag rond -10 V.Als Vin net boven +2 V wordt verhoogd, verandert de output onmiddellijk van status en wordt hij hoog tot ongeveer + 10 V. Deze toestandsverandering aan de uitgang van -10 V naar +10 V geeft aan dat de Vin hoger is geworden dan de referentie +2 V.

Het belangrijkste onderdeel in elke comparator is een opamp-circuit, dat is ingesteld op een zeer hoge spanningsversterking. Om de werking van een comparator nauwkeurig te bestuderen, kunnen we het voorbeeld van de IC 741 nemen, zoals hieronder weergegeven:

Hier kunnen we zien dat de inverterende ingang pin2 (-) verwijst naar aarde, of een 0 V-niveau. Een sinusvormig signaal wordt aangelegd op pin3, de niet-inverterende ingang van de opamp. Dit afwisselend variërende sinusvormige signaal zorgt ervoor dat de uitvoer schakelt tussen hoge en lage uitvoertoestanden, zoals aangegeven aan de rechterkant van het beeld.

Wanneer de input Vin zelfs een millivolt over de 0 V-referentie beweegt, wordt het verschil versterkt door de interne hoge versterking opamp van de IC, waardoor de output hoog wordt bij het positieve outputverzadigingsniveau. Deze toestand blijft bestaan ​​zolang het Vin-signaal boven de 0 V-referentie blijft.

Nu, zodra het signaalniveau een tint onder de 0 V-referentie zakt, wordt de uitgang naar het lagere verzadigingsniveau gestuurd. Nogmaals, deze toestand wordt gehandhaafd zolang het Vin-ingangssignaal onder het 0 V-referentieniveau blijft.

De bovenstaande uitleg en de golfvorm die in de afbeelding wordt weergegeven, geven duidelijk de digitale respons van de uitvoer aan voor een lineair variërend ingangssignaal.

Voor normale toepassingen hoeft het referentieniveau niet 0 V te zijn, maar kan het elk positief niveau zijn volgens de vereiste. En indien nodig kan de referentie ook worden aangesloten op de positieve of de negatieve voedingslijnen, terwijl het ingangssignaal op de andere ingangspen wordt aangeboden.

IC 741 gebruiken als vergelijker

In het volgende voorbeeld zullen we leren hoe u effectief kunt gebruik een opamp als vergelijker

In de afbeelding kunnen we een opamp-schakeling zien die werkt met een positieve referentie die is ingesteld op de inverterende ingangspen (-). De uitgang is bevestigd met een LED.

Met behulp van de spanningsdeler-netwerkformule kunnen we de referentiespanningswaarde op de (-) ingangspen van de IC berekenen.

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

Aangezien deze referentie is gekoppeld aan de (-) pin van de IC, zal als de spanning Vin aan de (+) ingang hoger wordt dan deze referentie of positiever wordt dan de referentie, de uitgang Vo dwingen om over te schakelen naar zijn positieve verzadigingsniveau.

Hierdoor gaat de LED branden, wat aangeeft dat Vin positiever is geworden dan het referentieniveau van +6 V.

Als daarentegen de niet-inverterende ingang (+) is geconfigureerd als de referentiepin en Vin wordt toegepast op de inverterende ingang (-), zal de uitgang laag worden zodra de Vin-ingang onder de referentiewaarde komt, en vice versa.

Hierdoor wordt de LED onmiddellijk uitgeschakeld.

Daarom kan de LED worden in- of uitgeschakeld voor een bepaald ingangssignaal, door de ingangspen op de juiste manier te bedraden met het referentieniveau en het ingangssignaal.

Gespecialiseerde comparator-IC-eenheden gebruiken

Normaal gesproken werken opamps uitstekend als vergelijkingscircuits, maar het gebruik van een speciale comparator-IC werkt zelfs beter dan een opamp voor een comparator-toepassing.

Comparator-IC's zijn specifiek ontworpen voor de comparatorfunctie en vertonen een verbeterde respons, zoals sneller schakelen aan de uitgang tussen de positieve en negatieve niveaus.

Deze IC's hebben een hogere immuniteit voor ruis en in veel gevallen kunnen de uitgangen direct worden gebruikt voor het aansturen van een belasting.

Laten we uit de volgende discussie in detail een aantal populaire comparator-IC's leren kennen.

Comparator Circuit met behulp van IC 311

De bovenstaande afbeelding toont de interne lay-out en de pinout-details van de comparator IC 311. De IC is ook ontworpen om te werken met een dubbele voeding, in het bereik van +15 V en -15 V, wat een standaard compatibel niveau is voor iedereen. moderne digitale IC's.

De eindtrap in het IC heeft een bipolaire transistor met zwevende collector- en emitteraansluitingen. Dit betekent dat de output van deze transistor geconfigureerd kan worden op twee verschillende manieren:

1. Door een pull-up weerstand toe te voegen met de collectorpin7 en de emitterpin1 te aarden, en vervolgens de collector als uitgang te gebruiken.
2. Door de collector met de positieve lijn te verbinden en de zender als uitgang te gebruiken.

De transistoruitgang kan ook worden gebruikt om een ​​relais of een kleine belasting, zoals een lamp, rechtstreeks aan te sturen zonder externe buffertrap.

Het IC heeft ook een balans en een stroboscoopingang die kan worden gekoppeld met de uitgang.

We bespreken enkele nuttige toepassingen van dit IC in de volgende secties:

De afbeelding hierboven laat zien hoe de IC 311 kan worden geconfigureerd als een nuldoorgang detector comparator om de ingangsspanning te detecteren, telkens wanneer deze de nullijn overschrijdt.

De inverterende ingang (-) van de 311 is zichtbaar verbonden met de aarde. Gedurende de periode dat het ingangssignaal op het positieve niveau is, blijft de uitgangstransistor AAN, waardoor een lage (-10 in dit voorbeeld) aan de uitgang (transistorcollector) ontstaat.

Zodra het ingangssignaal negatief of onder 0 V wordt, wordt de transistor uitgeschakeld. Hierdoor ontstaat een positieve + 10V aan de collectoruitgang van de IC. Hierdoor weten we wanneer het ingangssignaal zich boven het nulniveau bevindt en wanneer het onder het nulniveau is gedaald.

De volgende afbeelding hieronder laat zien hoe IC 311-comparator kan worden gebruikt voor het maken van een strobedcircuit.

In dit voorbeeld van een vergelijkingscircuit wordt de uitgangspen7 hoog wanneer het spanningsniveau van pen3 boven de referentie van pen2 komt. Maar dit kan alleen gebeuren als pin6 stroboscoopinvoerpin laag is of op 0 V.

Wanneer een hoge TTL-stroboscoop wordt toegepast op de basis van de transistor, wordt pin6 laag, waardoor de IC-uitgangstransistor wordt uitgeschakeld en pin7 daardoor hoog kan worden.

De output blijft hoog zolang de TTL-input hoog wordt gehouden, ongeacht de conditie van het ingangssignaal op pin3.

Als het TTL-signaal echter in strobedvorm wordt aangeboden, reageert de uitgang op het ingangssignaal op pin3. Simpel gezegd, de output blijft op hoog vergrendeld, tenzij pin6 wordt geslagen.

Hoe een relais met een comparator te verbinden

De volgende afbeelding hieronder laat zien hoe comparator 311 direct kan worden gebruikt een relais bedienen ​

Hier, wanneer het spanningsniveau op ingang pin2 onder 0 V zakt, wordt pin3 positiever dan pin2. Hierdoor schakelt de collector van de interne transistor UIT, waardoor het relais AAN gaat. De contacten van het relais kan worden bedraad met een zwaardere belasting voor het uitvoeren van een gewenste schakelactie.

Zolang de (+) ingang op pin2 onder 0 V blijft, blijft het relais ingeschakeld. Omgekeerd, wanneer een positief signaal beschikbaar is op pin2, blijft het relais uitgeschakeld.

Comparator Circuit met behulp van IC 339

De IC 339, ook wel in de volksmond geschreven als LM339, is een quad-comparator-IC. Dit betekent dat het 4 afzonderlijke spanningscomparators bevat waarvan de ingangen en uitgangen op de juiste manier zijn afgesloten via de respectieve externe pinnen van het IC-pakket, zoals hieronder weergegeven.

Net als elke andere comparator heeft elk comparatorblok een aantal ingangen en één uitgang. Wanneer het IC wordt gevoed door spanning aan te leggen over de Vcc en aarde-voedingspennen, worden alle comparators samen van stroom voorzien. Dus zelfs als een enkele comparator wordt gebruikt, zouden alle andere 3 wat stroom verbruiken.

Alle vergelijkers hebben exact identieke kenmerken, daarom kunnen we elk van deze analyseren om de basisvergelijkingsfunctie te leren.

Wanneer een positieve differentiële ingang wordt aangelegd over de ingangsklemmen, wat betekent dat wanneer het verschil tussen de toegepaste signalen positief is, de uitgangstransistor wordt uitgeschakeld. Dit zorgt ervoor dat de output een open circuit laat zien, of een zwevende open.

Wanneer de differentiële ingang negatief is, wat betekent dat wanneer het verschil tussen de aangelegde signalen op de ingangspennen negatief is, de uitgangstransistor van de comparator wordt ingeschakeld, waardoor de uitgangspen van de comparator negatief wordt, of op V-potentiaal.

Verwijzend naar de bovenstaande afbeelding, kunnen we begrijpen dat wanneer de niet-inverterende (+) ingang van het IC wordt gebruikt als referentiepin, een lagere spanning dan deze referentie op de inverterende ingangspen (-) zal resulteren in de output van de comparator om open te worden. Aan de andere kant, als de (-) wordt gebruikt als de referentiepin, zal een spanningsniveau op de (+) ingang hoger dan de referentie ervoor zorgen dat de uitgang negatief wordt of op V-

Om te leren hoe de IC 339 werkt als een comparator, toont het volgende voorbeeld de IC als een nuldoorgangsdetector.

Op het moment dat het ingangssignaal boven 0 V komt, wordt de uitgang hoog op V + niveau gezet. De uitgang wordt alleen bij V- uitgeschakeld als de ingang onder 0 V wordt gehouden.

Zoals eerder uitgelegd, hoeft het referentieniveau niet 0 V te zijn, het kan naar elk ander gewenst niveau worden gewijzigd. Bovendien kunt u ook de andere ingangspen (+) gebruiken als referentiepen en de (-) ingangspen als signaalinvoerpen voor het accepteren van het variërende ingangssignaal.

Voordeel van een zwevende uitgang in comparator-IC's

Zoals besproken in de vorige uitleg, wordt de uitgang van de comparatoren geschakeld via BJT die een open collector als uitgang hebben. Dit geeft het voordeel dat de uitgangen van twee comparatoren van de IC 339 direct als een OF poort ​

Een mooi voorbeeld van een raamvergelijkingscircuit is hieronder te zien. Hier zijn twee IC 339-comparatorblokken geconfigureerd met een enkel gemeenschappelijk ingangssignaal, en de uitgangen zijn verbonden als een OF-poort.

Het uitgangssignaal van de respectievelijke comparatoren wordt laag wanneer het ingangssignaal de ingestelde onderste drempel of de ingestelde bovenste drempel overschrijdt, waardoor de gebruiker weet wanneer het signaal buiten het ingestelde vensterniveau valt.

Een venstervergelijker kan worden gebruikt voor nuttige toepassingen zoals hoge laagspanningsbeveiliging circuit, en zonne-tracker circuit enz.

Gevolgtrekking

Uit de bovenstaande uitleg hebben we geleerd dat:

Comparatoren zijn in feite eenheden met twee complementaire ingangen en één responsieve uitgang. De uitgang wordt hoog of laag wanneer het spanningsniveau op een van de ingangen hoger of lager wordt dan op de andere ingang, afhankelijk van welke ingang wordt gebruikt als referentie of op een vast spanningsniveau.

Hoewel een opamp ook als comparator kan worden gebruikt, zijn gespecialiseerde comparator-IC's beter ontworpen om als comparators te werken.

Speciale comparator-IC's zoals LM311 en LM339 zijn speciaal ontworpen voor comparatortoepassingen, met een snellere respons en een flexibel vermogen voor hoge stroomuitgang.

Als u gerelateerde vragen heeft, kunt u deze stellen via het opmerkingenveld hieronder.