Circuitos comparadores

¿Cómo funciona el comparador de voltaje

En muchas descripciones, el comparador se compara con las balanzas de palanca convencionales, como en un bazar: se coloca un estándar en un tazón, pesas, y el vendedor comienza a colocar productos, como papas, en el otro. Tan pronto como el peso del producto se iguala al peso de las pesas, más precisamente un poco más, la copa con pesas se apresura. El pesaje ha terminado.

Lo mismo sucede con el comparador, solo en este caso el papel de los pesos lo juega el voltaje de referencia, y la señal de entrada se usa como una papa. Tan pronto como aparece una unidad lógica en la salida del comparador, se considera que se ha producido la comparación de voltaje. Este es el "un poco más", que en los directorios se llama "sensibilidad umbral del comparador".

Verificación del comparador de voltaje

Jamones novatos: los ingenieros electrónicos a menudo preguntan cómo verificar una parte en particular. Para verificar el comparador, no necesita ensamblar ningún circuito complejo. Es suficiente conectar un voltímetro a la salida del comparador, aplicar voltajes regulados a las entradas y determinar si el comparador funciona o no. Y, por supuesto, ¡será muy bueno, si aún recuerdas aplicar energía al comparador!

Sin embargo, no se debe olvidar que muchos comparadores tienen un transistor de salida, en el que los hallazgos del colector y el emisor simplemente "cuelgan en el aire", que se describe en el artículo "Comparadores analógicos". Por lo tanto, estas conclusiones deben conectarse en consecuencia. Cómo hacer esto se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Diagrama de conexión del comparador

El voltaje de referencia obtenido de divisor R2, R3 desde tensión de alimentación + 5V. Como resultado, se obtienen 2.5V en la entrada inversa. Suponga que el deslizador de resistencia variable R1 está en la posición más baja, es decir El voltaje es 0V. El mismo voltaje está en la entrada directa del comparador.

Si ahora girando el motor de la resistencia variable R1, aumente gradualmente el voltaje en la entrada directa del comparador, cuando se alcance 2.5V, aparecerá la lógica 1 en la salida del comparador, que abrirá el transistor de salida, el LED HL1 se encenderá.

Si ahora el motor R1 gira en la dirección de disminución del voltaje, entonces, en cierto momento, el LED HL1 se apagará indudablemente. Esto indica el correcto funcionamiento del comparador.

El experimento puede ser algo complicado: mida el voltaje en la entrada directa del comparador con un voltímetro, y fije a qué voltaje se iluminará el LED y en qué momento se apaga. La diferencia en estos voltajes será la histéresis del comparador. Por cierto, algunos comparadores tienen un pin especial (pin) para ajustar el valor de histéresis.

Para llevar a cabo tal experimento, necesitará un voltímetro digital capaz de "atrapar" milivoltios, una resistencia de recorte de múltiples vueltas y mucha paciencia para el artista. Si la paciencia para tal experimento no es suficiente, puede hacer lo siguiente, que es mucho más simple: intercambie las entradas directas e inversas, y gire la resistencia variable para observar cómo se comporta el LED, es decir. salida de comparador.

La Figura 1 muestra solo un diagrama de bloques, por lo que los números de pin no están indicados. Cuando verifique un comparador real, tendrá que lidiar con su pinout (pinout). A continuación, se considerarán algunos esquemas prácticos y se dará una breve descripción de su trabajo.

A menudo, en un caso, hay varios comparadores, dos o cuatro, que le permiten crear diferentes dispositivos sin instalar chips adicionales en el tablero. Los comparadores pueden ser independientes entre sí, pero en algunos casos tienen conexiones internas. Como tal chip, considere el comparador dual MAX933.

Comparador MAX933

Dos comparadores "viven" en una carcasa del microcircuito. Además de los propios comparadores, hay una referencia de voltaje incorporada de 1.182V dentro del microcircuito. En la figura, se muestra en forma de un diodo zener, que ya está conectado dentro del microcircuito: al comparador superior a la entrada inversa, y al fondo a la línea recta. Esto facilita la creación de un comparador multinivel de acuerdo con los principios de "Pequeño", "Norma", "Muchos" (detectores de subvoltaje / sobrevoltaje). Dichos comparadores se denominan ventana porque la posición de "norma" está en la "ventana" entre "pocos" y "muchos".

Estudio comparativo del programa Multisim

La Figura 2 muestra la medición del voltaje de referencia producido usando el software de simulación Multisim. La medición se realiza con un multímetro XMM2, que muestra 1.182V, que corresponde totalmente al valor especificado en la Hoja de datos del comparador. Pin 5 HYST, - ajuste de histéresis, en este caso no se utiliza.

Figura 2

Con el interruptor S1, puede establecer el nivel de voltaje de entrada y, a la vez, en ambos comparadores: un interruptor cerrado suministra un nivel bajo a las entradas (menor que el voltaje de referencia) como se muestra en la Figura 3, un estado abierto corresponde a un nivel alto, - Figura 4. Estado de las salidas de los comparadores mostrado por multímetros XMM1, XMM2.

Los comentarios sobre las figuras son completamente redundantes: para comprender la lógica de los comparadores, es suficiente considerar cuidadosamente las lecturas de los multímetros y la posición del interruptor S1. Solo debe agregarse que dicho esquema se puede recomendar para verificar un comparador "de hierro" real.

Figura 3

Figura 4

Circuito de prueba de voltaje

El circuito de dicho comparador que se muestra en la Hoja de datos se muestra en la Figura 5.

Para las señales de salida de subtensión (OUTA) y sobretensión (OUTB), el nivel de señal activa es bajo, lo que se indica subrayando las señales de arriba. A veces, para estos fines, se utiliza el signo "-" o "/" delante del nombre de la señal. Estas señales se pueden llamar alarmas.

Se emite la señal POWER GOOD elemento lógico Ycuando ambas alarmas tienen un nivel de unidad lógica. La señal activa de POWER GOOD es alta.

Si al menos una de las alarmas es baja, la señal POWER GOOD desaparecerá, también se volverá baja. Una vez más, esto permite verificar que el circuito lógico Y para niveles bajos es un OR lógico.

Figura 5. Circuito comparador

El voltaje de entrada controlado se suministra a través del divisor R1 ... R3, cuyo valor de las resistencias se calcula teniendo en cuenta el rango de voltajes controlados. El procedimiento de cálculo se proporciona, incluso con un ejemplo, en la Hoja de datos.

Para reducir la vibración durante la conmutación, el valor de histéresis se establece utilizando el divisor R4, R5. Estas resistencias se calculan utilizando las fórmulas también dadas en la Hoja de datos. Para los valores indicados en el diagrama, el valor de histéresis es 50mV.

Esquema de gestión de respaldo

Se utilizan esquemas similares, por ejemplo, en sistemas de alarma. El algoritmo de operación de estos esquemas es bastante simple. Si falla la tensión de red, el sistema de seguridad cambia a funcionamiento con batería y, cuando se restablece la red, vuelve a funcionar desde la fuente de alimentación, mientras se carga la batería. Para implementar dicho algoritmo, se deben evaluar al menos dos factores: la presencia de tensión de red y el estado de la batería.

El circuito de control funcional se muestra en la Figura 6.

Figura 6. El esquema de administración de energía de respaldo en un solo chip

El voltaje rectificado + 9VDC se suministra a través del diodo al regulador de voltaje, desde el cual se alimenta el dispositivo de seguridad. En este caso, el divisor R1, R2 es un sensor de voltaje de red, que es monitoreado por el comparador inferior con salida OUTA. Cuando hay tensión de red y está dentro de lo razonable, a la salida del comparador inferior, una unidad lógica que abre el transistor de efecto de campo Q1, a través del cual se carga la batería. La misma señal controla el indicador de funcionamiento de la red.

En el caso de que la tensión de red desaparezca o disminuya, aparece un cero lógico en la salida del comparador, el transistor de efecto de campo se cierra, la batería deja de cargar, el indicador de funcionamiento de la red se apaga o cambia de color. La aparición de una señal de sonido también es posible.

Una batería cargada a través de un diodo de conmutación está conectada al estabilizador y el dispositivo continúa funcionando sin conexión. Pero para proteger la batería de una descarga completa, otro comparador monitorea su estado, el mejor según el esquema.

Si bien la batería aún no se ha descargado, el voltaje en la entrada inversa del comparador B es mayor que la referencia, por lo tanto, el nivel de salida del comparador es bajo, lo que corresponde a la carga normal de las baterías. A medida que se produce la descarga, el voltaje en el divisor R3, R4 cae, y cuando se vuelve más bajo que la referencia, se establecerá un nivel alto en la salida del comparador, lo que indica que la batería está baja. Muy a menudo, esta condición está indicada por el molesto chirrido del dispositivo.

Circuito de retardo de tiempo

Se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Esquema de retraso de tiempo en el comparador

El esquema funciona de la siguiente manera. Al presionar el botón MOMENTARY SWITCH, el capacitor C se carga al voltaje de la fuente de energía. Esto lleva al hecho de que el voltaje en la entrada IN + se vuelve más alto que el voltaje de referencia en la entrada IN-. Por lo tanto, la salida OUT se establece en un nivel alto.

Después de soltar el botón, el condensador comienza a descargarse a través de la resistencia R, y cuando el voltaje en él y, por lo tanto, en la entrada IN + cae por debajo del voltaje de referencia en la entrada IN-, el nivel de salida del comparador OUT será bajo. Cuando presiona el botón nuevamente, todo se repite nuevamente.

El voltaje de referencia en la entrada IN- se establece usando un divisor de tres resistencias y con los valores indicados en el diagrama es de 100mV. El mismo divisor establece la histéresis del comparador (HYST) dentro de 50mV. Por lo tanto, el condensador C se descarga a un voltaje de 100 - 50 = 50 mV.

El consumo de corriente del dispositivo en sí es pequeño, no más de 35 microamperios, mientras que la corriente de salida puede alcanzar los 40 mA.

El retraso de tiempo se calcula mediante la fórmula R * C * 4.6 seg. Un ejemplo es el cálculo con los siguientes datos: 2M & # 937; * 10 µF * 4.6 = 92 seg. Si la resistencia se indica en megaohmios, la capacitancia está en microfaradios, entonces el resultado se obtiene en segundos. Pero esto es solo un resultado calculado. El tiempo real dependerá del voltaje de la fuente de alimentación y de la calidad del condensador, de su corriente de fuga.

Algunos circuitos comparadores simples

La base de los circuitos, que se considerará más adelante, es un relé de gradiente, un circuito que reacciona no a la presencia de ninguna señal, sino a la velocidad de su cambio. Uno de estos sensores es retransmisión de fotoscuyo diagrama se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Esquema del relé fotográfico en el comparador

La señal de entrada se obtiene del divisor formado por la resistencia R1 y el fotodiodo VD3. El punto común de este divisor a través de los diodos VD1 y VD2 está conectado a la entrada directa e inversora del comparador DA1. Por lo tanto, resulta que las entradas directas e inversas tienen el mismo voltaje, es decir No hay diferencia entre los voltajes en las entradas. Con este estado en las entradas, la sensibilidad del comparador está cerca del máximo.

Para cambiar el estado del comparador, se requiere una diferencia de voltaje en las entradas de unidades de milivoltios. Se trata de cómo empujar el dedo meñique hacia el abismo que cuelga del borde de una piedra. Mientras tanto, un cero lógico está presente en la salida del comparador.

Si la iluminación cambia repentinamente, el voltaje en el fotodiodo también cambia, suponga que hacia arriba. Parecería que junto con esto el voltaje en ambas entradas del comparador cambiará e inmediatamente. Por lo tanto, la diferencia de voltaje deseada en las entradas no funcionará y, por lo tanto, el estado de la salida del comparador no cambiará.

Todo esto sería así, si no prestas atención al condensador C1 y la resistencia R3. Gracias a este circuito RC, el voltaje en la entrada invertida del comparador aumentará con cierto retraso en relación con la entrada directa. Para el tiempo de retraso, el voltaje en la entrada directa será mayor que en el inverso. Como resultado, aparecerá una unidad lógica en la salida del comparador. Esta unidad no se mantendrá por mucho tiempo, solo por el tiempo de demora debido a la cadena RC.

Se utiliza un relé fotográfico similar en los casos en que la iluminación cambia lo suficientemente rápido. Por ejemplo, en dispositivos de seguridad o sensores de productos terminados en transportadores, el dispositivo responderá a la interrupción del flujo de luz. Otra opción es como una adición al sistema de video vigilancia. Si dirige el fotosensor a la pantalla del monitor, detectará un cambio en el brillo y encenderá, por ejemplo, una señal de audio, atrayendo la atención del operador.

Es muy simple convertir el relé fotográfico considerado en un sensor de cambio de temperatura, por ejemplo, en alarma de incendio. Para hacer esto, simplemente reemplace el fotodiodo con un termistor. En este caso, el valor de la resistencia R1 debe ser igual al valor del termistor (generalmente indicado para una temperatura de 25 ° C). Un diagrama de este sensor se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Diagrama de un sensor de medición de temperatura en un comparador

El principio y el significado del trabajo es exactamente el mismo que el del fotosensor descrito anteriormente. Pero este diseño también muestra el dispositivo de salida más simple: este es el tiristor VS1 y el relé K1. Cuando se activa el comparador, se abre el tiristor VS1, que enciende el relé K1.

Como el tiristor en este caso opera en un circuito de corriente continua, incluso cuando finaliza el pulso de control del comparador, el tiristor permanecerá abierto y el relé K1 se encenderá. Para apagar el relé, deberá presionar el botón SB1 o simplemente apagar todo el circuito.

En lugar de un termistor, puede usar un magnetoresistor, por ejemplo SM-1, que reacciona a un campo magnético. Luego obtienes un relé de gradiente magnéticamente sensible. Los magnetorresistores del siglo XX pasado se utilizaron en los teclados de algunas computadoras.

Si usa otros sensores, sobre la base del relé de gradiente, puede hacer fácilmente dispositivos completamente diferentes que respondan a los cambios en el campo eléctrico, a las vibraciones del sonido. Usando sensores piezoeléctricos, es fácil crear sensores de choque y vibraciones sísmicas.

Con la ayuda de los comparadores, es bastante simple convertir la señal "analógica" en una "digital". Un esquema similar se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Esquema para convertir una señal "analógica" en una señal "digital" utilizando un comparador

La figura 11 muestra el mismo circuito, solo la polaridad de los pulsos de salida es inversa a la anterior. Esto se logra simplemente mediante la inclusión de otras entradas.

Figura 11

Ambos circuitos convierten la amplitud de la señal de entrada al ancho del pulso de salida. Tal conversión se usa a menudo en varios circuitos electrónicos. En primer lugar, en dispositivos de medición, fuentes de alimentación conmutadas, amplificadores digitales.

El rango de frecuencia de los dispositivos está en el rango de 5 ... 200KHz, la amplitud de la señal de entrada en el rango de 2 ... 2.5V. Cuando se usa un diodo de germanio, la conversión de la amplitud al ancho del pulso comienza desde el nivel de 80 ... 90mV, mientras que para un diodo de silicio este valor es 250 ... 270mV.

La banda de frecuencia de funcionamiento del dispositivo está determinada por las clasificaciones de los condensadores C1, C2. Un dispositivo ensamblado a partir de piezas reparables no requiere ajuste y establecer un umbral de respuesta.