LM311P prąd wejściowy

[maver144]

Dzień dobry,

zwracam się z pytaniem w związku z maksymalnym prądem wejściowym dla układu LM311P. Zgodnie z notą katalogową ma to być 150nA, jednak według moich obliczeń to aby przy 5 V płynął taki prąd przez dzielnik napięcia (ja wybrałem 120 nA) jego łączna rezystancja powinna wynosić 41.67 MΩ, co wydaje mi się bardzo duża rezystancją. 

Dodatkowo w tej samej nocie katalogowej jest propozycja układu gdzie na wejście wpływa większy prąd ~30mA. 

Mam też pewną intuicję, że po prostu wejście pobiera te 150 nA niezależnie od napięcia (w granicach tolerancji) i w zasadzie nie powinienem się tym martwić, ale nie jestem do końca pewien.

Nota katalogowa:

https://botland.com.pl/pl/komparatory/4929-komparator-jednokanalowy-lm311p.html

 

[marek1707]

Tak, prądy wejściowe tego typu elementów są znikomo małe. Co więcej nie wiesz w którą stronę ten prąd płynie i producent wcale tego nie gwarantuje. Jeśli chcesz się tym przejmować, to musisz tak projektować układ by był nieczuły na tego typu upływności. Dopóki jednak poruszasz się wokół oporników w granicach do kilkuset kΩ to raczej nA nie są problemem.

Na schemacie pokazanym na lewym rysunku strzałka pokazuje jakiś prąd, ale on nie płynie do/z wejścia scalaka tylko przez oporniki z zasilania 5V do masy. Nie wiem kto policzył ten prąd, ale z prostego obliczenia 5V/(82k+82k) wychodzi jedynie 30µA więc.. 1000 razy mniej.

Co chcesz na tym 311 zrobić?

[maver144]

Ja liczyłem, rzeczywiście 30 µA, machnąłem się wpisując. Chciałbym sobie zbudować układ z książki Sztuka elektroniki, na wejście odwracające jakiś poziom referencyjny, na wejście nieodwracające układ z kondensatorem i rezystorem (duża stała czasowa RC) na wyjściu dioda led z rezystorem. Czyli zasadniczo taki układ czasowy w którym dioda świeci dopóki kondensator nie rozładuje się do napięcia mniejszego niż poziom referencyjny.

[marek1707]

No tak, z komparatora można prosto wiele fajnych rzeczy zrobić. Przez proste modyfikacje możesz wydłubać układ opóźniający załączanie diody, jej wyłączanie, włączenie tylko na jakiś czas albo mrugający. Pamiętaj tylko, że historyczne już dzisiaj LM311 i wszyscy jego rówieśnicy mają ograniczony zakres zmian napięcia wejściowego. Najlepiej gdybyś trzymał się na obu wejściach co najmniej 2V od górnego zasilania, więc jeśli masz Vcc=5V to tą swoją referencję ustaw nie wyżej niż 3V. Od dołu też słabo, choć 0.5V wygląda dużo lepiej. Dziś są komparatory z wejściami tzw. RR (rail-to-rail) czyli mogące pracować od GND do swojego zasilania a nawet szerzej, no ale to nie ten przypadek..

Powodzenia, daj znać jak poszły eksperymenty. W temacie komparatorów koniecznie poczytaj o histerezie - to kluczowe rozwiązanie poprawiające stabilność w praktycznych układach.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[maver144]

Układ zadziałał zgodnie z oczekiwaniami. Z obliczeń czas wyszedł mi 19.63 s, czas, w jaki kondensator rozładuje się do poziomu 3.3 V. Mierzyłem ile czasu świeci dioda po puszczeniu przycisku było to 18.6 - 19.3 s. Pomiar telefonem także jest tu pewnie spory błąd, ale generalnie jestem zadowolony. Trochę problemów było przy wciskaniu przycisku, jeśli kondensator nie był do końca rozładowany, dioda potrafiła wtedy mrugać, ale jest to układ bez histerezy także tutaj upatruję powodu. Dzięki za pomoc.

 

EDIT:

Zauważyłem pewien problem, otóż na wyjściu układu gdy kondensator jest naładowany mam maksymalnie 3,5 V (bez obciążenia) spodziewałbym się jednak 5V ?

Edytowano Czerwiec 18, 2019 przez maver144

[marek1707]

3 godziny temu, maver144 napisał:

mam maksymalnie 3,5 V (bez obciążenia)

Bo podłączyłeś wyjście w absurdalny sposób. Przecież masz tam w środku goły tranzystor bipolarny npn. Na pinie EMIT/OUT widzisz jego emiter a na COL/OUT kolektor. No to narysuj to sobie i pomyśl jak ta Twoja biedna dioda jest sterowana. To cud że w ogóle świeci (podpowiedź: tranzystor pracuje jako dioda B-C). Albo dajesz emiter do masy i w kolektorze jest obciążenie do plusa (Fig. 9 w datasheet), albo jako wtórnik czyli kolektor do plusa a w emiterze do masy obciążenie (Fig. 10). Oczywiście tylko ta pierwsza konfiguracja daje zakres zmian napięcia wyjściowego praktycznie równy zasilaniu.

No i zrobiłeś to czego nie powinieneś: zmuszasz LM311 do pracy poza zakresem sugerowanych napięć wejściowych. Zamiast rozładowywać od 5V do 3.3V powinieneś startować od 0V i ładować do max 3V, albo np. do 2.7V żeby zachować te same warunki czasowe. Może tutaj nic się nie stało, ale mówisz o jakimś mruganiu diodki czy coś. Nie tłumacz sobie wszystkiego narzucającymi się odpowiedziami (brak histerezy), bo scalaki mają swoje wymagania a producent niczego nie gwarantuje poza wyznaczonymi granicami. Podczas konstruowania schematów trzeba ich zwyczajnie przestrzegać. Gdyby LM311 działał od GND do Vcc to producent na pewno by się tym pochwalił a jeśli wyraźnie pisze że nie, to uszanuj to. W jednym przykładzie jedynie nie zadziała tak jak się spodziewałeś a w innym spalisz pin lub odwrócisz sygnał wejściowy (tzw. inwersja fazy jest typowa dla przesterowanych np. starszych wzmacniaczy operacyjnych) i załączysz coś ważnego lub niebezpiecznego.Także: przeglądaj uważnie parametry w danych katalogowych i tak projektuj by mieścić się w podanych tam ograniczeniach. Tu masz o tym swoim komparatorze, gdybyś jeszcze tam nie zaglądał:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm211.pdf

A jeśli czegoś nie rozumiesz (to długie tabelki, owszem) to pytaj.

[maver144]

Dzięki za zwrócenie uwagi. Proszę zerknąć na nowy układ. 

[marek1707]

Wiesz, byłoby dobrze gdybyś przy okazji publikacji swoich pomysłów pisał co one mają robić. Znaczy co chcesz, żeby robiły. Bo ja teraz napiszę: OK, układ elektrycznie w porządku a gdy go zmontujesz napiszesz posta że bzdura, bo dioda nie mruga jak planowałeś tylko świeci jakośtam. Z resztą przy takim opisywaniu działania często sam odkrywasz własne błędy jeszcze przed publikacją - słowem, warto.

No dobra, mam nadzieję, że pomysł był taki: włączasz przycisk co uruchamia dzielnik napięcia szybko ładujący kondensator do 2/3 napięcia zasilania. Po puszczeniu przycisku C1 rozładowuje się już tylko przez R3 i LED świeci. Po spadku napięcia do ok. 1/6 zasilania diodka gaśnie.

Zadabłeś o zakresy napięć wejściowych i to się chwali. Niestety moim zdaniem nie zadziała ten sprytny układ z tranzystorem. Przekombinowałeś, bo o ile faktycznie wduszenie przycisku załączy tranzystor i podłączy cały dzielnik, o tyle po rozwarciu SW1 tranzystor nadal będzie załączony bo dostanie napięcie z C1 przez R4 i R7. Tak więc kondenstaor będzie się rozładowywał głównie przez R6 😞 

Jak rozumiem, nie chciałes by dzielnik był ciągle włączony, bo to kosztuje dużo prądu a R4+R6 muszą być małe by nie trzeba było długo przyciskać. Ja proponuję coś takiego:

• postaw opornik na masie
• drugi jego koniec daj do drugiego opornika
• koniec tamtego daj przez przycisk do plusa

Na razie zrobiłeś dzielnk napięcia włączany przyciskiem. Oporniki mogą być duże (w sensie kiloomów), w tej skali co dzielnik R2/R1.

• do punktu środkowego powyższego dzielnika daj bazę tranzystora npn
• jego kolektor daj bezpośrednio do plusa zasilania
• jego emiter daj przez mały opornik (100Ω?) do kondensatora C1 i dalej już normalnie

Zrobiłeś wtórnik napięciowy, który pobiera mały prąd z dzielnika a wielokrotnie większy pompuje prosto z zasilania przez kolektor do kondensatora, przez opornik emiterowy ograniczający prąd. Gdy wyłączysz przycisk baza dostanie 0V z dzielnika a emiter będzie miał tyle co na C1 więc dioda BE będzie w stanie blokowania i nie będzie przeszkadzać w powolnym rozładowywaniu.

Oczywiście konfiguracji takiego wyłącznika czasowego z komparatorem jest nieskończenie wiele. Na pewno sam wymyślisz na poczekaniu jeszcze kilka innych 🙂 Można np. trzymać C1 zawsze naładowany do napięcia z (dużego) dzielnika, rozładowywać go szybko przyciskiem i czekać aż znów się naładuje itd itp.

Koniecznie daj kondensator na zasilaniu, kilka uF i 100nF. Przyzwyczajaj się, że w układach impulsowych to w zasadzie konieczność. Bez tego układ jest niekompletny i wcale nie musi działaćj jak sobie założyłeś. W takich układach jak ten przydaje się też filtrowanie napięcia odniesienia. Tutaj robisz je dzielnikiem R2/R1 a ponieważ jest to punkt słabo sterowany (bo przez duże rezystory), to jest czuły na zakłócenia. Ja bym tam dał z 1uF do masy. No i zacznij myśleć o histerezie - tego co pokazałeś nie wydrukowano by w żadnym poradniku dla majsterkowiczów (mam nadzieję) bo układy z dużym wzmocnieniem (sprawdź w danych katalogowych jakie ma ten komparator w obszarze równości napięć wejściowych, to przecież w końcu wzmacniacz) nigdy nie powinny byż zostawiane samopas gdy napięcia zaczynają sie wyrównywać. Wtedy może wydarzać się mnóstwo nieciekawych rzeczy. Tak więc: histereza to drugie po kondensatorach na zasilaniu must have komparatora. Do roboty.

[maver144]

Zamieszczam poprawiony układ. Naciśnięcie przycisku miałoby spolaryzować bazę tranzystora, przez który szybko (małe wartości rezystorów dzielnika) naładuje się kondensator C1 do napięcia 3.3V, przekraczając tym samym próg przełączenia histerezy Up2 (dioda zaczyna świecić). Po puszczeniu przycisku miałby się on rozładować z 3.3V do pierwszego progu histerezy Up1 = 0.86V, przez kondensator R3 (dioda przestaje świecić). Czas rozładowania wyszedł mi 63 s z obliczeń. Rezystor R11 dodany został jako połączenie równoległe R9 i R10 (co do wartości), chociaż nie jestem pewien czy jest potrzebny. W literaturze podano, że rezystor R10 powinien być mały, ale nie jestem pewien, o jakim rzędzie wielkości mówimy. Mógłbym zmniejszyć R9 do 4.7K R10 do 120 i analogicznie R11. Jestem ciekaw czy ma to znaczący wpływ, czekam na komentarz. Kondensator C4, aby utrzymać stabilność napięcia referencyjnego, C3 i C3 z uwagi na impulsowy charakter (odsprzęganie źródła – z takim terminem się spotkałem, ale nie jestem pewien czy odnosi się do tego).

[marek1707]

Już prawie dobrze, ale wciąż nie ograniasz całości. Popatrz, zrobiłeś dzielnik 100R/220R szybko ładujący kondensator do ok. 2/3 Vcc, ale przecież opornik R8 zostaje w układzie na zawsze i rozładuje C1 w moment. Proponowałem trochę inną wersję, w której to tranzystor wyznacza poziom napięcia ładowania. Zrób tak:

• wywal R8,
• wstaw między bazę Q1 a masę oporinik 220k.

Teraz to na bazie masz dzielnik, więc może być niskoprądowy. Na emiterze dostaniesz jakieś 0.6V mniej - weź to pod uwagę przy obliczeniach, ale prąd emitera będzie pewnie ze sto razy większy niz prąd dzielnika, a o to chodzi. Napięcie na bazie (ustawione dzielnikiem 2/3 Vcc) pojawi się tylko w chwili naciśnięcia przycisku, po jego puszczeniu baza będzie zwarta do masy przez 220k i dioda BE będzie zablokowana, nie pozwalając kondensatorowi na rozładowanie się przez nią.

Równoważenie prądów polaryzacji (czyli opornik R11) jest ważne w układach precyzjnych. Tutaj możesz go spokojnie pominąć.

C2 i C3 oczywiście są potrzebne, szczególnie w chwilach przełączania komparatora.

Licząc szerokość histerezy pamiętaj, by uwzględnić mniejsze napięcie wyjściowe w stanie wysokim. Masz tam diodę LED więc dostaniesz na wyjściu jakieś Vcc - 2V.

Obliczeń nie sprawdzałem - wierzę w Twoje zdolności 🙂, patrzyłem tylko na schemat. 

-----------------------------------------------------------

EDIT: I jeszcze jedno: źródło napięcia odniesienia jakie stworzyłeś dla wejścia nieodwracającego ma dużą rezystancję wyjściową, równą 47k||10k a podłączyłeś do niego coś, co przez oporniki R10+R9 będzie próbowało zmieniać to napięcie. To nie jest błąd układowy, ale weź to pod uwagę gdy będziesz podstawiał do wzorów napięcie  z dzielnika R2/R1. Będzie ono zależne od stanu komparatora 😞 Może bezpieczniej (co ułatwi też obliczenia) dać tu diodę Zenera? Bo innym wyjściem jest wzmocnienie tego źródła przez poważne zmniejszenie wartości R2 i R1 a to kosztuje bezsensowny prąd.

Edytowano Lipiec 14, 2019 przez marek1707

[maver144]

Rozumiem, że teraz kondensator naładuje się do wartości 3.44 - 0.6 V. Diodę Zenera dałem na 1V. Histerezy już nie przeliczałem, zrobię to z ciekawości, żeby zobaczyć jak się będzie miał czas świecenia obliczony do zmierzonego. 

 

Mam jeszcze pytanie odnośnie napięcia na wyjściu. Wspomniane zostało, że układ nie wzmacnia do Vcc, ale w nocie nie widzę za bardzo podanego napięcia wyjściowego typu 0.8Vcc czy coś w tym stylu. 

[marek1707]

Moja ogólna uwaga jest taka: jeżeli po 10 dniach wrzucasz do sieci schemat z takim babolem, to strach pomyśleć co będzie gdy zrobisz coś na szybko? A teraz konkretnie:

• Przyjrzyj się zwarciu kondensatora C1 do masy. Zaczynam podejrzewać, że rysując jakiś fragment schematu ogarniasz go tylko na grubość  palca wokół punktu 😟
• Dioda Zenera to element przez który musi płynąć prąd rzędu 1mA+. Wstawiłeś diodę 5.1V przy zasilaniu 5V - jak chcesz uzyskać małe napięcie odniesienia w ten sposób? Jeżeli wystarczą Ci okolice np. 0.6V to możesz tam dać zwykłą diodę krzemową spolaryzowaną w dół, ale puść przez nią tyle prądu (wartość R2) by obciążenie jej obwodem histerezy nie powodowało istotnych jego zmian. Myślę, że kilka mA będzie tu w sam raz. Przelicz do tego R2.
• Wyjście z tego komparatora w tej konkretnej konfiguracji to otwarty kolektor. Takie coś w ogóle nie daje napięcia tylko zwiera do masy albo nie. Gdy zwiera to przy małych prądach możesz liczyć na jakieś 100mV lub trochę mniej. Gdy nie zwiera, to napięcie jest takie jaki obwód zrobiłeś na zewnątrz. A Ty dałeś diodę LED na której (gdy jest czerwona) spada ok. 2V nawet przy bardzo małych prądach. Dlatego możesz liczyć na ok 3V w stanie wysokim. Gdy sterujesz LEDem to oczywiście nie ma znaczenia, ale jeśli chcesz ten sygnał wykorzystać gdzieś dalej, musisz wziąć pod uwagę spadek napięcia na LED1 albo dać równolegle do niej opornik podciągający wyjście bezpośrednio do plusa, np. 10k. Wtedy dla małych prądów obciążenia dostaniesz prawie pełne 5V w stanie wysokim. I znowu: wszystko zależy od tego co chcesz tam jeszcze podłączyć.

[Anonim]

Ale zabawę macie 🙂 w końcu każdy od czegoś zaczynał. Na podobnym komparatorze LM393 mam zrobioną "stancję lutowniczą" regulowaną potencjometrem do lutownicy kolbowej na napięcie sieciowe. Może będzie to inspiracją dla praktycznego zastosowania tego układu a nie tylko w celach edukacyjnych jak piszesz. Najlepszy interwał to 2s. potencjometrem ustala się szerokość impulsu co przekłada się na temperaturę grota. Korzystam z tego do dziś, lepiej mi to nawet pasuje niż stacja z mikrokontrolerem bo poręczniejsze. W DS tego komparatora jest nawet schemat jak zrobić z niego taki oscylator RC. Pozdrawiam i miłej zabawy.

PS. dobrze by było gdybyś rysował komparatory na schematach jako trójkąty a nie blokowo jako model układu scalonego, mogą być nawet wewnątrz bloku. Łatwiej się wtedy zorientować co i jak nawet przy takim prostym schemacie. Zdaje się, że sam @marek1707 nawiązał do tego w innym wątku niedawno.

[marek1707]

7 minut temu, atMegaTona napisał:

Ale zabawę macie

No właśnie nie wiem co o tym sądzić. Każda kolejna iteracja powinna przybliżać do poprawnego rozwiązania a tu mimo poprawek dostajemy wciąż nowe błędy, jakby ktoś bawił się symbolami schematowymi nie bardzo rozumiejąc co one oznaczają. A to ostatnie zwarcie do masy to już ręce mi trochę opadły - nie widać tego na prostym rysunku czy jak? Może dlatego taka gorycz wypłynęła, przepraszam.. Pytanie o napięcie wyjściowe też brzmi dziwnie, bo przecież Kolega musiał zajrzeć do danych katalogowych scalaka by poprawnie podłączyć emiter i kolektor tranzystora wyjściowego. Nic z tego nie zostało po 2 tygodniach?

[maver144]

Wybacz, właśnie dlatego, że długo nie odpisuję jest mi trochę głupio i wrzuciłem takiego babola na szybko. Tak jak zauważyłeś dioda Zenera jest na 5.1 V i to jest bez sensu, natomiast wstawiając ją myślałem, że jest na 1 V. Rezystor R2 dobrałem na 3.6 mA. 

 

Pytając o napięcie wyjściowe miałem na myśli drugi sposób podłączenia tzn. gdyby obciążenie było w obwodzie emitera.