6. Изучение свойств компаратора
Note
Данная статья задумывалась как лабораторная работа к курсу Электроника для начинающих, Д.Забарило
Уроки:
28.1 Компаратор. Устройство. Принцип работы
28.2 Датчики уровня освещенности на компараторе
Бесплатные материалы по теме:
6.1. Задачи
Изучение принципа действия компаратора с открытым коллектором.
Исследовать влияние сопротивления обратной связи на момент срабатывания компаратора.
6.2. Введение
Обозначение компаратора на принципиальных схемах:
Компаратор имеет следующие выходы:
Инвертирующий вход (-)
Неинвертирующий вход (+)
Два вывода для для подключения питания. Питание можно подключать как однополярное, так и двухполярное.
Выход, который работает следующим образом (для компаратора с открытым коллектором):
\(U(+) > U(-)\) - выход компаратора закрыт (между выходом и землей большое сопротивление)
\(U(+) < U(-)\) - выход компаратора открыт (выход и земля замкнуты)
Note
Сопротивление входов компаратора очень большое. Управление осуществляется напряжением, т.е. можно использовать большие сопротивления для делителя напряжения, который подает управляющее напряжение на входы.
6.3. Описание опыта
С помощью схемы, приведенной ниже, измерим ток и напряжение на входе и на выходе компаратора. И определим влияние уровней напряжения, поданных на входы компаратора на сопротивление выхода компаратора относительно земли.
Схема подключения компаратора без использования обратной связи
VCC - 9 В
Comparator - LM393P
U(Gen1) - 0 В … +7 В (треугольник) подается от генератора Gen1 с частотой 500 Гц.
U(+) = 4.5 В - пороговое напряжение, заданное делителем напряжения R1/R2.
R1 = 10 КОм - сопротивление делителя напряжения.
R2 = 10 КОм - сопротивление делителя напряжения.
R3 = 1 КОм - токоограничивающий резистор. Поскольку максимальных выходной ток компаратора 20 мА, необходимо ограничить ток выходной цепи когда выход компаратора открыт. В данной случае также используется для определения выходного тока компаратора (\(I = 9В / 1 кОм = 9 мА\)).
R4 = 100 Ом - токоограничивающий резистор. В данном случае служит для определения тока выходной цепи компаратора.
- Характеристики компаратора LM393P (в корпусе DIP-8)
Напряжение питания = +2В…36В, ±1В…18В
Входное напряжение (max) = 36В
Выходное напряжение (max) = 36В
Выходной ток (max) = 20 мА
Корпус компаратора LM393P (DIP-8)
Important
На висящих выходах компаратора может наводится ЭДС, что приведет к срабатыванию незадействованного компаратора. Частые срабатывания могут привести к повышенному потреблению тока. Чтобы этого избежать, нужно зафиксировать положение незадействованного компаратора. Т.е. подать на его входы разные потенциалы. Например, на U(+) подать высокий потенциал, а на U(-) подать низкий потенциал. Контакт выхода можно никуда не подключать. Но важно не подключить выходной контакт ни к земле, ни к источнику питания, в противном случае произойдет короткое замыкание.
На следующей схеме добавлено сопротивление обратной связи (Rfd) или сопротивление гистерезиса, с помощью которого будем изменять порог срабатывания компаратора. Чем меньше сопротивление, тем больше разница порогов срабатывания.
Схема подключения компаратора с обратной связью
Rfb = 3КОм - сопротивление обратной связи (гистерезиса).
6.4. Лабораторная работа
6.4.1. Компаратор без обратной связи
С генератора (Gen1) подаются прямоугольные импульсы.
Частота: 500 Гц
Амплитуда: 0…7В
Сигнал генератора Gen1 (осц. Ch2)
На следующем графике показано выходное напряжение (Uout) и сингал генератора (Ugen). Согласно измерениям, на НЕинвертирующем входе (+) падение напряжения составляет 4.52 В. На графике видно, что при достижении падения напряжения на инвертирующем входе (-), примерно, 4.5 В, падение напряжения между выходом компаратора (1) и землей (4), падает, почти до нуля, т.е. переход коллектор-эмиттер выходного транзистора открывается и через переход начинает течь ток.
Падение напряжения на выходе компаратора (осц. Ch3) и сигнал генератора (осц. Ch2)
Загрузки:
6.4.2. Компаратор с обратной связью
На следующем графике показано выходное напряжение (Uout) и сингал генератора (Ugen) для схемы с обратной связью при Rfb 3КОм.
Падение напряжения на выходе компаратора (осц. Ch3) и сигнал генератора (осц. Ch2) при Rfb 3КОм
Т.е. мы получаем задерку при срабатывании компаратора. Компаратор запаздывает с открытием и закрытием. Если сгладить пульсации, то графики будут выглядеть следующим оразом.
Падение напряжения на выходе компаратора и сигнал генератора при Rfb 3КОм со сглаженными пульсациями
Эта задержка может использоваться для предотвращения частых срабатываний, например, для схем управления освещением.
Однако, при более детальном рассмотрении момента переключения мы видим высокочастотные пульсации. На следующем графике представлен момент переключения компаратора.
Падение напряжения на выходе компаратора и сигнал генератора при Rfb 3КОм (момент переключения)
Т.е. в момент переключения происходят высокочастотные переключения компаратора.
При уменьшении сопротивления обратной связи, длительность перехода увеличивается. На графике ниже показано выходное напряжение (Uout) и сингал генератора (Ugen) для схемы с обратной связью со сглаженными пульсациями для Rfb 1КОм.
Падение напряжения на выходе компаратора и сигнал генератора при Rfb 3КОм со сглаженными пульсациями
Загрузки:
6.5. Выводы
Схема без обратной связи полностью подтвердила ожидания.
Схема с обратной связью в переходном состоянии будет потреблять ток.
6.6. Вопросы
Как избавиться от пульсаций в схеме с обратной связью? Можно добавить конденсатор между землей и выходом компаратора, но это увеличит потребляемый ток.