Kurs elektroniki II – #4 – komparatory napięcia

Kurs elektroniki II – #4 – komparatory napięcia

W tej części kursu zajmiemy się pozornie prostym zadaniem, jakim jest porównanie dwóch napięć. Żeby było trudniej, spróbujemy zrobić to tak, aby odpowiedź dostać w ciągu mikrosekundy!

Niezbędny w tym przypadku będzie nowy układ scalony – komparator napięcia. Zajmiemy się też omówieniem pojęcia napięcia różnicowego.

Jak ręcznie porównać napięcie?

Aby zrozumieć ideę porównywania dwóch różnych napięć, wyobraź sobie następującą sytuację: masz dwie baterie typu AA o nominalnym napięciu 1,5 V. Wiesz, że jedna z nich jest rozładowana, ale nie wiesz która. Do swojego urządzenia, np. budzika, musisz włożyć tę mniej wyczerpaną, czyli charakteryzującą się wyższym napięciem.

Jak porównać napięcie dwóch baterii AA?

Jak porównać napięcie dwóch baterii AA?

Jaka jest pierwsza myśl? Trzeba zmierzyć napięcie każdej baterii multimetrem. To oczywiste – będzie można wtedy zwyczajnie porównać ze sobą dwie liczby. Załóżmy, że wyniki naszych pomiarów są następujące: 1,113 V oraz 1,521 V. Podjęcie decyzji nie stanowi teraz żadnego problemu.

Najprostsza metoda na porównanie dwóch baterii to niezależny pomiar ich napięcia

Najprostsza metoda na porównanie dwóch baterii to niezależny pomiar ich napięcia

W zestawie elementów do tego kursu znajdują się baterie AA. Możesz sprawdzić samodzielnie napięcie, jakie panuje na ich stykach. Wszystkie baterie są nowe, więc ich napięcia powinny być do siebie zbliżone – może jednak uda Ci się wychwycić jakieś różnice? Jeśli nie, to do tego porównania możesz wykorzystać jedną starą baterię, wyciągniętą np. z jakiegoś pilota (potrzebna jest tylko na chwilę).

Gotowe zestawy do kursów Forbota

 Komplet elementów  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Tego typu metoda pomiaru ma jednak małą wadę – aby porównać napięcie baterii, potrzeba „aż” dwóch pomiarów. Operację tę można jednak uprościć do jednego pomiaru! Wystarczy połączyć minusy obu baterii, a następnie miernik w trybie pomiaru napięcia podłączyć do ich plusów. Taki pomiar da nam od razu różnicę wcześniejszych wyników – woltomierz pokaże tzw. napięcie różnicowe.

Czym jest napięcie różnicowe?

Napięcie różnicowe to ważne pojęcie w elektronice, a jego idea jest prosta – jeżeli mamy dwa źródła napięcia o wspólnym punkcie odniesienia, to można też określić napięcie między ich niepołączonymi zaciskami. W tym eksperymencie wspólnym punktem były oczywiście minusy obu baterii, a napięcie mierzyliśmy między plusami.

Mieliśmy zadecydować, która bateria dysponuje większym napięciem. Nieważne, czy miernik pokazałby −1 V czy −0,1 V – wynik byłby ten sam. Oznaczałoby to, że bateria po prawej stronie ma wyższe napięcie. Jeżeli przy tych samych połączeniach wynik byłby dodatni, to wybralibyśmy lewą baterię.

Czym jest komparator napięcia?

Komparator napięcia to mały układ scalony, który pozwala na porównanie ze sobą dwóch napięć. Jest on wyposażony w dwa wejścia: odwracające (–) i nieodwracające (+), a także w wyjście. Oprócz tego układ taki wymaga oczywiście zasilania.

Symbol komparatora używany na schematach

Symbol komparatora używany na schematach

Komparator sprawdza różnicę napięć między wejściami i na tej podstawie ustawia swoje wyjście:

  • Jeżeli napięcie na wejściu nieodwracającym jest wyższe niż na odwracającym, to napięcie na wyjściu jest zbliżone do dodatniego bieguna zasilania (np. 5 V).
  • Jeżeli napięcie na wejściu nieodwracającym jest niższe niż na odwracającym, to napięcie na wyjściu jest zbliżone do ujemnego bieguna zasilania (np. do masy, 0 V).

Powyższą zależność można pokazać tak jak na kolejnych ilustracjach. Widzimy tutaj układ komparatora, który zasilany jest z 6 V. Oprócz tego do jego dwóch wejść mamy podłączone osobne źródła napięcia, które chcemy ze sobą porównać. Do wyjścia komparatora (oraz do masy) podłączony jest woltomierz.

Po lewej wyższe napięcie na wejściu odwracającym, a po prawej – na wejściu nieodwracającym

Po lewej wyższe napięcie na wejściu odwracającym, a po prawej – na wejściu nieodwracającym

Od razu warto zapamiętać, że porównując dwa napięcia, komparator wystawia informację w sposób zero-jedynkowy (binarny). Oznacza to, że na jego wyjściu napięcie jest zbliżone do dodatniej szyny zasilania (tutaj 6 V) lub do ujemnej (tutaj 0 V). Nie ma stanów pośrednich!

Komparatory napięcia przydają się również wszędzie tam, gdzie po prostu trzeba porównać ze sobą dwa napięcia. W kolejnej części kursu omówimy tzw. czujniki analogowe, które potrafią zmierzyć np. aktualną temperaturę lub jasność otoczenia. Łącząc je z komparatorami, zbudujemy termostat (układ reagujący na przekroczenie zadanej temperatury) i lampkę, która sama włączy się po zmroku. Jednak zanim przejdziemy do takich układów, musimy poznać w praktyce sam komparator.

LM311 – przykład popularnego komparatora

W ramach tego kursu będziemy prowadzić doświadczenia z użyciem układu LM311, który w swojej małej, ośmionóżkowej obudowie posiada jeden komparator. Układ ten jest produkowany w rozmaitych wersjach od kilkudziesięciu lat, co można nazwać olbrzymim sukcesem jego projektantów.

Układ LM311 – pojedynczy komparator analogowy

Układ LM311 – pojedynczy komparator analogowy

Jego podstawowe parametry (w temperaturze 25°C):

  • napięcie zasilania: 3,5–30 V,
  • maksymalny prąd pobierany przez wejścia: 100 nA,
  • maksymalny offset napięciowy: 3 mV,
  • maksymalny offset prądowy: 10 nA,
  • maksymalny prąd wyjściowy: 50 mA.

Nie przejmuj się, jeśli na razie nie wiesz, co oznaczają te parametry – wrócimy do tego w dalszej części tego artykułu. Wystarczy, jeśli teraz wyciągniesz dwa wnioski: układ LM311 możemy spokojnie zasilać z naszych 6 V, a do tego jego wejścia pobierają bardzo, ale to bardzo mały prąd.

Numeracja nóżek w układach scalonych

Jest to pierwszy układ scalony w takiej obudowie, który podłączamy podczas tego kursu. Od razu warto więc zapamiętać trzy rzeczy. Po pierwsze: każde wyprowadzenie takiego układu ma swój numer (co wiąże się z funkcją, jaką pełni dana nóżka). Po drugie: wyprowadzenia we wszystkich układach scalonych sprzedawanych w tych obudowach numeruje się tak samo – zaczynamy od pierwszej nóżki i idziemy w dół, następnie przechodzimy na drugą stronę układu i idziemy do góry.

Po trzecie: musimy wiedzieć, jak odszukać pierwszą nóżkę – tutaj sprawa jest bardzo prosta. Zawsze patrzymy na taki układ od góry (nóżki skierowane do dołu). Następnie odszukujemy wyżłobienie lub wyraźną kopkę po jednej stronie układu. Nóżka na lewo od tego oznaczenia ma numer 1.

Uniwersalny sposób numerowania nóżek układu scalonego

Uniwersalny sposób numerowania nóżek układu scalonego

Identycznie jak w przypadku tranzystorów bipolarnych, w takiej samej obudowie może występować wiele elementów elektronicznych. Zawsze trzeba więc sprawdzić oznaczenie na układzie – tutaj nazwa elementu będzie po prostu nadrukowana na układzie. Oczywiście może ona mieć jakieś dodatkowe znaki, ale musi się zgadzać główny człon nazwy – w tym przypadku „311”.

Funkcje nóżek LM311

Mamy już przed sobą poprawny układ i znamy numerację nóżek – pora poznać ich funkcje. „Normalnie” w takiej sytuacji zaglądamy do noty katalogowej – wpisujemy w wyszukiwarce Google „LM311 datasheet” i czytamy znaleziony PDF, który przygotował producent układu. Jednak tym razem dla ułatwienia zebraliśmy tutaj najważniejsze informacje.

Symboliczne przedstawienie wnętrza układu LM311

Symboliczne przedstawienie wnętrza układu LM311

Zgodnie z powyższym rysunkiem funkcje poszczególnych wyprowadzeń są następujące:

  1. emiter tranzystora wyjściowego (dołączany zazwyczaj do masy układu),
  2. wejście nieodwracające (+),
  3. wejście odwracające (−),
  4. ujemny biegun zasilania (masa układu),
  5. balans,
  6. balans/blokada,
  7. kolektor tranzystora wyjściowego,
  8. dodatni biegun zasilania.

Odpowiednie podłączenie nóżek nr 5 i 6 pozwala wyregulować manualnie tzw. offset napięciowy i zmniejszyć go niemal do zera. Jest to złożone zagadnienie, dlatego nie musisz się nim przejmować. Ponadto nóżka nr 6 umożliwia wyłączanie układu, ale ta funkcja też nie będzie nam teraz potrzebna.

Wyjście LM311 jest typu OC (ang. open collector), co oznacza, że w układzie znajduje się tranzystor, który zależnie od wyniku działania układu będzie się zatykał lub nasycał. Kolektor tego tranzystora jest połączony z nóżką nr 7, a zatem jest wyjściem naszego komparatora. Więcej informacji na ten temat opisaliśmy pod koniec tej części kursu. Teraz czas na praktykę!

Komparator LM311 w praktyce

Pora uruchomić komparator i sprawdzić jego działanie w praktyce. Zbudujemy układ, który pozwoli zaobserwować dokładnie, co dzieje się, gdy różnica napięć między dwoma wejściami komparatora się zmienia. Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące elementy z naszego zestawu:

  • 1 × LM311,
  • 4 × rezystor 10 kΩ,
  • 1 × rezystor 330 Ω,
  • 1 × potencjometr 5 kΩ,
  • 1 × kondensator 100 nF,
  • 1 × kondensator 220 μF,
  • 1 × dioda świecąca (wybierz ulubiony kolor),
  • 4 × bateria AA,
  • 1 × koszyk na 4 baterie AA,
  • 1 × płytka stykowa,
  • komplet przewodów połączeniowych.

Elementy te należy połączyć zgodnie z poniższym schematem. Jeśli wszystko jest dla Ciebie jasne, to możesz spróbować złożyć ten układ na płytce samodzielnie. Pamiętaj tylko o prawidłowej polaryzacji diody świecącej i kondensatora elektrolitycznego. Zwróć też uwagę na numerację nóżek LM311. Jeśli nie chcesz ryzykować lub nie wiesz, jak złożyć taki układ na płytce, to postępuj zgodnie z poniższą instrukcją, która omawia ten proces krok po kroku.

Schemat pierwszego układu z komparatorem LM311

Schemat pierwszego układu z komparatorem LM311

Krok 1. Zaczynamy od umiejscowienia komparatora na środku płytki stykowej – przerwa, która jest na środku płytki, musi przechodzić pod układem. W razie wątpliwości przypomnij sobie, jak zbudowana jest płytka stykowa – inne ułożenie układu sprawiłoby, że wyprowadzenia zostałyby zwarte.

Przykłady błędnego i poprawnego umieszczenia układów scalonych na płytce stykowej

Przykłady błędnego i poprawnego umieszczenia układów scalonych na płytce stykowej

Krok 2. Dodajemy dwa kondensatory filtrujące zasilanie (na schemacie C1 oraz C2).

Krok 3. Bierzemy dwa rezystory 10 k (na schemacie R3 i R4), tworzymy z nich dzielnik napięcia, którego środek łączymy z wejściem odwracającym komparatora (nóżka nr 3).

Krok 4. Podłączamy zasilanie do ósmej nóżki komparatora. Dodatkowo wpinamy w płytkę diodę świecącą wraz z rezystorem (na schemacie LED1 oraz R5).

Krok 5. Korzystając z kolejnych rezystorów 10 k (na schemacie R1 oraz R2) oraz potencjometru 5 k (P1), tworzymy dzielnik napięcia, który łączymy z wejściem nieodwracającym komparatora LM311.

Krok 6. Dodajemy brakujące połączenia, czyli łączymy wyprowadzenia nr 1 i 4 z masą układu. Należy także połączyć skrajne dodatnie listwy zasilania umieszczone na płytce stykowej, aby przenieść napięcie z jednej strony płytki na drugą.

Układ w praktyce może wyglądać tak jak na poniższym zdjęciu. Zawijanie przewodów w pętelki miało za zadanie jedynie zwiększyć przejrzystość tego poradnika. W praktyce cały układ może wyglądać też bardziej chaotycznie – to zupełnie normalny widok na płytce stykowej.

Jak działa powyższy układ?

Na płytce zbudowaliśmy dzielnik napięcia (z R3 i R4), dzięki któremu na wejście odwracające LM311 podane jest napięcie około 3 V. Podobny dzielnik jest dołączony do wejścia nieodwracającego, lecz znajduje się tam jeszcze potencjometr, którym wpływamy na rezystancję całego dzielnika i regulujemy ręcznie napięcie w niewielkim zakresie (w granicach od ~2,4 V do ~3,6 V). Dzięki temu będziemy mogli zaobserwować, jak przy różnych napięciach na wejściu nieodwracającym zachowa się LM311.

Włączamy zasilanie i obserwujemy diodę przy jednoczesnym powolnym obracaniu potencjometru. Dla niektórych ustawień dioda powinna świecić, a dla niektórych nie.

W przypadku gdy potencjometr jest skręcony w jedną skrajną pozycję, na wejściu nieodwracającym mamy około 2,4 V, które jest mniejsze od 3 V na wejściu odwracającym. Komparator porównuje napięcie na obu wejściach. Przypomnijmy więc fragment wcześniejszego opisu:

  • Jeżeli napięcie na wejściu nieodwracającym jest niższe niż na odwracającym, to napięcie na wyjściu jest zbliżone do ujemnego bieguna zasilania (np. do masy, 0 V).

Czyli w tej sytuacji na wyjściu komparatora pojawia się potencjał zbliżony do 0 V. Upraszczając, jest to masa, czyli „minus z baterii”. W związku z tym dioda podłączona do wyjścia komparatora świeci, bo jest podłączona anodą (przez rezystor) do dodatniej szyny zasilania, więc gdy na katodzie pojawi się „minus” z wyjścia komparatora, wówczas prąd popłynie, a dioda będzie świecić.

Po przekręceniu potencjometru w drugą stronę na wejściu nieodwracającym będzie wyższe napięcie, więc na wyjściu komparatora otrzymamy napięcia zbliżone do dodatniej szyny zasilania. Upraszczając, będzie tam „plus z baterii”. W tej sytuacji dioda świecąca będzie podłączona do plusa z „dwóch stron” (anoda przez rezystor z baterii, a katoda z komparatora), a zatem nie będzie świeciła.

Niespodziewane zakłócenia?

Istnieje jednak taka pozycja (w okolicy połowy obrotu potencjometru), w której dioda świeci delikatnie lub szybko mruga. Układ może być wtedy czuły nawet na zbliżanie ręki.

Skąd biorą się zakłócenia?

Komparator jest w rzeczywistości tzw. wzmacniaczem napięcia różnicowego. Wzmocnienie LM311 wynosi nawet 200 V/mV, co należy rozumieć w ten sposób, że 1 mV napięcia różnicowego na wejściach jest wzmacniany do 200 V napięcia na wyjściu. Jednak spokojnie: na wyjściu tego układu nie ma tak wysokiego napięcia – to tylko proporcja.

Co w sytuacji, kiedy uda nam się ustawić np. kilkanaście mikrowoltów napięcia różnicowego? Jest to bardzo trudne, ale nie jest niemożliwe – kręcąc powoli potencjometrem, kiedyś trafimy w takie ustawienie. Wtedy układ robi to, co umie, czyli wzmacnia, ale nie potrafi w pełni przełączyć diody. Napięcie różnicowe jest zbyt małe, aby zadecydować, czy jest ono dodatnie czy ujemne. Możemy wówczas powiedzieć, że znaleźliśmy się w strefie przejściowej komparatora.

Sprzężenie zwrotne dla komparatora

Nie chcemy układów, które zachowują się w sposób nieokreślony lub chaotyczny. Do poprzedniego układu trzeba wprowadzić pewną modyfikację, która sprawi, że układ nigdy nie będzie miał problemu z określeniem znaku napięcia różnicowego.

Tym razem wystarczy dosłownie jeden rezystor, jednak będzie to element o bardzo dużym oporze, mowa bowiem o rezystorze 1 MΩ! Należy go podłączyć między wejście nieodwracające oraz wyjście komparatora (na schemacie R6).

Schemat układu z dodanym rezystorem (sprzężenie zwrotne)

Schemat układu z dodanym rezystorem (sprzężenie zwrotne)

W praktyce takie połączenie można zrealizować nawet bez żadnych dodatkowych przewodów. Trzeba tylko ostrożnie wpiąć rezystor nad układem scalonym. Można to również zrobić „tradycyjnie”, czyli bez ich użycia.

Włączamy zasilanie i ponownie obracamy suwakiem potencjometru. Co się zmieniło? Nasz rezystor R6 przekierowuje część prądu (bardzo małą) z wyjścia na wejście nieodwracające. Tym samym realizuje on tutaj tzw. dodatnie sprzężenie zwrotne.

Sprzężenie zwrotne polega na tym, że układ (w tym wypadku komparator napięcia) przekierowuje część informacji ze swojego wyjścia na wejście. Tutaj tą informacją jest prąd płynący przez rezystor o wartości 1 MΩ. Sprzężenie zwrotne może być dwojakiego rodzaju:

  • ujemne – powracająca informacja stabilizuje układ, zmniejsza jego zniekształcenia oraz wzmocnienie (takie sprzężenie jest stosowane we wzmacniaczach audio),
  • dodatnie – destabilizuje układ i próbuje wytrącić go ze stanu równowagi.

Jak działa sprzężenie zwrotne?

Działanie tego układu można tłumaczyć następująco: jeżeli dioda nie świeci, to znaczy, że napięcie na wyjściu jest zbliżone do dodatniej szyny zasilania. Przez R6 płynie wtedy prąd w stronę wejścia nieodwracającego, przez co jeszcze bardziej podnosi się jego potencjał i rośnie napięcie różnicowe.

Jednak zmniejszanie napięcia potencjometrem w pewnym momencie spowoduje przełączenie stanu komparatora – prąd dostarczany przez R6 przestanie wystarczać i potencjał wejścia nieodwracającego będzie mniejszy niż odwracającego. Spowoduje to, że na wyjściu komparatora pojawi się potencjał maksymalnie kilkuset miliwoltów, co możemy uprościć do masy (minusa z baterii). Dioda zaświeci się. Przez R6 prąd zacznie płynąć w drugą stronę – od wejścia nieodwracającego do wyjścia, dzięki czemu znowu napięcie różnicowe zostanie zwiększone, tym razem z przeciwną polaryzacją.

Taka właściwość układu nazywa się histerezą – zapamiętuje on swój poprzedni stan, dlatego kolejny bodziec, który chciałby go przełączyć, musi być odpowiednio silny. Histereza jest nieodzowna we wszystkich układach, gdzie rejestrowane procesy zachodzą wolno, przede wszystkim w termostatach.

Histereza wprowadza obszar nieczułości, gdzie układ nie reaguje na zmiany(szerokość histerezy na ilustracji jest przesadnie duża, w praktyce jest ona mniejsza)

Histereza wprowadza obszar nieczułości, gdzie układ nie reaguje na zmiany
(szerokość histerezy na ilustracji jest przesadnie duża, w praktyce jest ona mniejsza)

Wartość rezystora R6 ma wpływ na szerokość pętli histerezy, czyli na odstęp między napięciami (zadawanymi potencjometrem P1), przy których układ zmieni stan wyjścia. Kiedy tego rezystora nie było, co można traktować jako nieskończenie wielką rezystancję, progi załączenia i wyłączenia były niemal w tym samym miejscu.

Zredukowanie tego oporu „tylko” do 1 MΩ spowodowało powstanie wyraźnej różnicy między progami przełączenia. Idąc tym tropem, dalsze zmniejszanie wartości R6 spowoduje jeszcze większą różnicę między napięciem, przy którym układ załączy diodę, a napięciem, przy którym układ ją wyłączy.

Powodem tego jest większe natężenie prądu sprzężenia, jaki przez niego przepływa (bo prawo Ohma nadal tu obowiązuje). Jeśli natężenie tego prądu jest większe, to może on silniej oddziaływać na potencjał wejścia nieodwracającego – „dolewając” lub „zabierając” prąd z gałęzi (R1 + P1 + R2).

W przypadku bez sprzężenia zwrotnego nasz dzielnik napięcia z potencjometrem polaryzuje wejście nieodwracające stałym, ręcznie ustawionym napięciem. Z kolei w przypadku układu ze sprzężeniem zwrotnym sytuacja jest nieco bardziej zawiła, bo przez rezystor R6 przepływa stosunkowo mały prąd, który raz płynie od wejścia do wyjścia, a raz od wyjścia do wejścia komparatora – wszystko zależy od stanu na wyjściu komparatora. Obie sytuacje przedstawiono na ilustracjach – droga, którą płynie dodatkowy prąd sprzężenia zwrotnego, została zaznaczona czerwonymi strzałkami.

Wszystko zależy od potencjału wyjścia komparatora. Jeśli na wyjściu jest stan niski, to dodatkowy prąd przepływa od wejścia do wyjścia. Jeśli jednak na wyjściu komparatora jest stan wysoki, to prąd płynie w przeciwnym kierunku. Zależnie od kierunku prąd ten przepływa przez potencjometr i jedną lub drugą połowę dzielnika napięcia. Tym samym delikatnie „zakłamuje” on napięcie podawane na wejście nieodwracające. Dzięki temu układ działa stabilniej, bo „wydaje mu się”, że różnica między wejściami komparatora jest trochę większa niż w rzeczywistości.

Zasada działania komparatora (dla dociekliwych)

Studenci elektroniki czasami używają żartobliwego określenia „magiczny trójkąt”, ponieważ nie znają budowy wewnętrznej tego układu. By w pełni zrozumieć, jak działa komparator, trzeba mieć dobrze opanowane tranzystory – w środku komparatora nie ma żadnej magii.

Najprostszy schemat ideowy komparatora jest widoczny poniżej. Jego parametry byłyby tragiczne, ale będzie działał. Poniższą informację należy potraktować jako ciekawostkę – nie będziemy korzystać z tego typu komparatorów.

Budowa prostego komparatora na bazie tranzystorów

Budowa prostego komparatora na bazie tranzystorów

Tranzystory T1 i T2 tworzą tzw. układ różnicowy, który znajduje się na wejściu każdego komparatora. Jego zaletą jest to, że pozwala badać napięcie różnicowe, ponieważ istotna jest tu wyłącznie różnica napięć między ich bazami.

Jeżeli napięcie na bazie T1 jest niższe niż na bazie T2, to ten pierwszy tranzystor otwiera się, a drugi zatyka. Wynika to z właściwości tranzystora PNP – do jego otwarcia potrzebny jest potencjał bazy niższy niż emitera. Baza T1 „ściągnie” potencjał emiterów niżej niż baza T2, przez co T2 zatka się. Cały prąd z rezystora popłynie przez kolektor T1.

Tranzystory T1 i T2 nieustannie rywalizują między sobą o prąd z rezystora R1. Ten, który wygra (czyli zacznie przewodzić prąd z emitera do kolektora), ustala swoje napięcie emiter-baza na około 0,7 V. Skoro jego „przeciwnik" nie przewodzi, to jego napięcie emiter-baza jest mniejsze.

Jeżeli w sytuacji pokazanej niżej miałby przewodzić tranzystor T2 mający potencjał bazy równy 2,5 V, to potencjał jego emitera wynosiłby 3,2 V, czyli o 0,7 V więcej. Jednak wtedy napięcie emiter-baza tranzystora T1 – bo ich emitery są połączone – wynosiłoby aż 3,2 V − 2 V = 1,2 V, czyli przewodziłby on znacznie, znacznie większy prąd.

Prosty komparator – droga prądu w pierwszej sytuacji

Prosty komparator – droga prądu w pierwszej sytuacji

Przy układzie napięć, jaki przed chwilą założyliśmy, musi przewodzić T1. Potencjał emiterów wyniesie 2,7 V. Wtedy napięcie emiter-baza w tranzystorze T2 wyniesie tylko 2,7 V − 2,5 V = 0,2 V. Dlatego T2 pozostanie zatkany. Cały prąd z R1 popłynie do masy poprzez kolektor T1. Do bazy T3 nie wpłynie żaden prąd i ten tranzystor również będzie zatkany.

Zamieńmy teraz przewody doprowadzające napięcie do wejść komparatora. Napięcie różnicowe nadal wynosi 0,5 V, ale zmienił się jego znak. Teraz potencjał bazy T2 wynosi 2 V, a T1 – 2,5 V. Zgodnie z poprzednim rozumowaniem można dojść do wniosku, że będzie musiał otworzyć się T2. Jego napięcie emiter-baza wyniesie 0,7 V, natomiast w przypadku T1 – 0,2 V, więc pozostanie on zatkany.

Prosty komparator – droga prądu w drugiej sytuacji

Prosty komparator – droga prądu w drugiej sytuacji

Cały prąd z rezystora R1 popłynie przez emiter T2 do bazy T3. Tranzystor ten, dotychczas zatkany, będzie mógł się otworzyć, a przez jego kolektor będzie mógł popłynąć prąd, pochodzący np. z dodatkowego rezystora (więcej informacji na ten temat za chwilę), w kierunku masy układu. Jeżeli prąd kolektora będzie odpowiednio mały, tranzystor ten może się nasycić.

Ten prosty układ działa zatem jak prawdziwy komparator. Kiedy potencjał wejścia oznaczonego jako „+” jest wyższy niż „−”, to stan wyjścia jest wysoki (tranzystor wyjściowy zatkany). Jeżeli zaś potencjał wejścia „−” będzie wyższy niż „+”, to wyjście zostanie zwarte z masą (tranzystor wyjściowy otwarty).

Czym jest wyjście typu otwarty kolektor?

Tranzystor podłączony tak jak T3, czyli z wyprowadzonym kolektorem, nazywa się wyjściem typu otwarty kolektor (ang. open collector, OC). Takie wyjście posiada większość komparatorów. Na ogół między to wyjście a dodatni biegun zasilania włącza się rezystor, co pozwala na uzyskiwanie na wyjściu odpowiednich napięć.

Otwarty kolektor to popularny rodzaj wyjścia w układach mających tylko dwa stany. Jeden ze stanów – niski – sygnalizowany jest poprzez zwarcie tego wyjścia z masą układu, co realizuje wbudowany tranzystor wyjściowy. Drugi stan – nazywany wysokim – to zatkanie tego tranzystora. Określa się go wysokim, ponieważ kolektor tego tranzystora jest zazwyczaj podłączony do obciążenia, połączonego z drugiej strony do dodatniej szyny zasilania. Kiedy prąd przez niego nie płynie, to nie ma na nim spadku napięcia, więc potencjał kolektora tranzystora jest równy napięciu zasilania.

Zasada działania wyjścia typu OC

Zasada działania wyjścia typu OC

Zaleta tego rodzaju wyjścia polega na tym, że obciążenie może być zasilane z innego napięcia niż cała reszta układu. Może to być np. przekaźnik z cewką na napięcie 12 V, podczas gdy reszta elektroniki otrzymuje 5 V. Załączenie tego przekaźnika odbędzie się w stanie niskim, po nasyceniu tranzystora wyjściowego. Z kolei do jego wyłączenia wystarczy przerwanie przepływu prądu (zatkanie tranzystora).

Kiedy komparator przestaje działać poprawnie?

Komparator informuje nas o znaku napięcia różnicowego przyłożonego do jego wejść. Co w sytuacji, gdy obydwa wejścia spolaryzujemy tym samym potencjałem? Można to zrobić bardzo łatwo poprzez ich zwarcie – napięcie różnicowe będzie wówczas zerowe.

Założyliśmy wcześniej, że tranzystory T1 i T2 mają napięcie emiter-baza równe 0,7 V w stanie otwarcia. Tak w rzeczywistości nie jest – one się między sobą różnią, nawet o kilkanaście miliwoltów. Producenci starają się zmniejszać te różnice, lecz problem taki był, jest i będzie… Czyli tak jak w wielu innych sytuacjach – trzeba pamiętać o pewnej tolerancji i niedoskonałości elementów.

Offset napięciowy i prądowy

Tranzystory układu różnicowego, oprócz przyłożonych z napięć, do porównania uwzględniają również swoje napięcie emiter-baza. Napięcia te niejako dodają się do tych zewnętrznych, co ma wpływ na ustalenie potencjału emiterów i decyzję, który tranzystor się zatka.

Offset należy rozumieć jako źródło napięcia, które komparator „posiada w sobie” i które jest połączone szeregowo z jednym z wejść. Producenci nigdy nie podają dokładnej wartości offsetu, ponieważ zależy ona od egzemplarza, temperatury i innych czynników. Podają natomiast przedziały, np. ±5 mV. Dla elektroników oznacza to, że taki komparator należy pobudzać napięciem różnicowym przekraczającym 5 mV, ponieważ mniejsze może nie zostać rozpoznane poprawnie.

Fragment noty katalogowej układu LM311

Fragment noty katalogowej układu LM311

Oprócz offsetu napięciowego istnieje też offset prądowy, czyli różnica między prądami pobieranymi przez bazy tranzystorów obsługujących wejścia. Wspomina się o nim zdecydowanie rzadziej niż o offsecie napięciowym, lecz trzeba zdawać sobie sprawę z jego istnienia – on również jest wywołany różnicami w parametrach tranzystorów.

Zakres napięć wejściowych komparatora

Komparatory cechuje również dopuszczalny zakres napięć wejściowych. Aby tranzystory znajdujące się w układzie różnicowym mogły działać poprawnie, potencjały przykładane do ich baz muszą być nieco wyższe od napięcia ujemnej nóżki zasilania oraz niższe od dodatniej.

Typowe komparatory wymagają od napięć zasilających około 1–2 V zapasu. Istnieje jednak grupa komparatorów, które potrafią pracować ze znacznie mniejszym zapasem, rzędu 20–100 mV. Właściwość tę określa się mianem rail-to-rail.

Podsumowanie

Za nami dość obszerna, ale bardzo ważna część na temat komparatorów napięcia. Jeśli w tym momencie coś jest dla Ciebie niejasne, upewnij się, że zrozumiałeś ogólną zasadę działania tych elementów. Dokładna znajomość budowy wewnętrznej komparatora nie będzie teraz potrzebna, więc nie musisz skupiać się na tym fragmencie – najważniejsze, abyś umiał odtworzyć ćwiczenie praktyczne.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.7 / 5. Głosów łącznie: 487

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Jeśli aktualnie nie widzisz praktycznego zastosowania dla komparatora, to poczekaj do momentu, gdy zaczniemy łączyć go z innymi elementami, np. czujnikami analogowymi. Dzięki temu już w kolejnej części kursu zbudujemy lampkę, która automatycznie włączy się po zmroku, oraz prosty termostat.

Nawigacja kursu


Autorzy kursu: Damian Szymański, Michał Kurzela, ilustracje: Piotr Adamczyk. Zakaz kopiowania treści kursów oraz grafik bez zgody FORBOT.pl. Data ostatniego sprawdzenia tego wpisu: 19.08.2021.

elektronika, komparator, kursElektroniki2, podstawy

Trwa ładowanie komentarzy...