Circuits de comparació mitjançant IC 741, IC 311, IC 339

La funció bàsica d’un circuit comparador és comparar dos nivells de tensió als seus pins d’entrada i produir una sortida per mostrar quina tensió d’entrada té un potencial més alt que l’altre.

En aquest article aprendrem elaboradament com dissenyar correctament circuits de comparació mitjançant IC populars com IC 741, IC 311 i IC LM339

Diferència entre un comparador i un amplificador operatiu

L'IC 741 és un exemple ideal d'un amplificador operatiu únic i l'IC LM311 es pot considerar un bon exemple d'un comparador únic dedicat.

Trobareu aquestes dues unitats amb un símbol de dispositiu idèntic en forma de 'triangle' internament, que normalment reconeixem i utilitzem per dibuixar circuits comparatius. No obstant això, la resposta de sortida d’aquestes dues formes de comparadors pot tenir algunes diferències importants.

Tot i que un amplificador operatiu i un comparador es poden configurar per comparar senyals diferencials als seus pins d'entrada, les principals diferències entre les dues contraparts són:

• En estat alimentat, la sortida d'un amplificador operatiu serà positiva o negativa, depenent dels nivells de tensió del pin d'entrada, però mai no pot estar oberta. En canvi, una sortida del comparador pot ser oberta o connectada a terra (negativa) o flotant.
• Una sortida d'amplificador operatiu pot funcionar sense resistències de pujada o baixada, però un comparador sempre requerirà una resistència de pujada o baixada externa per permetre que l'etapa de sortida funcioni amb normalitat.
• Es pot utilitzar un amplificador operatiu per crear circuits d'amplificació d'alt guany; no es pot utilitzar un comparador per a aquestes aplicacions.
• La resposta de commutació de sortida d'un amplificador operacional sol ser més lenta en comparació amb un CI de comparació.

A la figura següent es pot veure un disseny de circuit de comparació clàssic:

Aquí, la sortida respon amb un senyal digital 'alt', sempre que el voltatge a l'entrada que no inverteix (+) és superior a l'entrada que inverteix (-). En contraposició, la sortida es converteix en un senyal digital baix, sempre que el voltatge d'entrada no inversor sigui inferior al voltatge d'entrada inversor.

En referència a la figura anterior, podem veure una connexió estàndard d’un circuit comparador que té una entrada (l’entrada inversora en aquest exemple) configurada amb una tensió de referència i l’altre pin d’entrada que és l’entrada no inversora connectada a una tensió del senyal d’entrada. .

Durant el temps en què Vin es manté a una tensió inferior a la tensió de referència de +2 V, la sortida es manté baixa al voltant de -10 V. Si el Vin augmenta just per sobre de +2 V, la sortida canvia d’estat a l’instant i gira a + 10 V. Aquest canvi d'estat a la sortida de -10 V a +10 V indica que el Vin ha passat a ser superior a la referència +2 V.

El component principal de qualsevol comparador és un circuit d'amplificador operatiu, que estableix un guany de voltatge molt alt. Per estudiar amb precisió el funcionament d’un comparador podem prendre l’exemple de l’IC 741, com es mostra a continuació:

Aquí podem veure que el pin2 d’entrada d’inversió (-) fa referència a terra o a un nivell de 0 V. S’aplica un senyal sinusoïdal al pin3 que és l’entrada no inversora de l’amplificador operatiu. Aquest senyal sinusoïdal que varia alternativament fa que la sortida canviï entre els estats de sortida alt i baix, tal com s’indica a la part dreta de la imatge.

Quan l’entrada Vin es mou fins i tot un milivolt per sobre de la referència de 0 V, la diferència s’amplifica amb l’ampli operatiu d’alt guany intern de l’IC, cosa que fa que la sortida pugi al nivell de saturació positiu de la sortida. Aquesta condició es manté mentre el senyal Vin es mantingui per sobre de la referència de 0 V.

Ara, tan bon punt el nivell del senyal caigui una ombra per sota de la referència de 0 V, la sortida es condueix al seu nivell de saturació inferior. Una vegada més, aquesta condició es manté mentre el senyal d’entrada Vin es mantingui per sota del nivell de referència de 0 V.

L'explicació anterior i la forma d'ona presentada a la imatge indiquen clarament la resposta digital de la sortida per a un senyal d'entrada variable linealment.

Per a aplicacions normals, el nivell de referència no ha de ser a 0 V, sinó que pot ser qualsevol nivell positiu segons el requisit. I, en cas que sigui necessari, la referència també es pot connectar a les línies d'alimentació positives o negatives, mentre que el senyal d'entrada s'aplica a l'altre pin d'entrada.

Utilitzar IC 741 com a comparador

En el següent exemple aprendrem a fer-ho de manera efectiva utilitzeu un amplificador operatiu com a comparador

A la figura podem veure un circuit d'amplificador operatiu que funciona amb un conjunt de referència positiu al pin d'entrada d'inversió (-). La sortida es connecta amb un LED.

Mitjançant la fórmula de la xarxa divisora ​​de tensió, podem calcular el valor de tensió de referència al pin d’entrada (-) de l’IC.

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

Com que aquesta referència s’associa amb el pin (-) de l’IC, si el voltatge Vin a l’entrada (+) és superior a aquesta referència o es fa més positiu que la referència, obligarà la sortida Vo a canviar al seu nivell de saturació positiu.

Això farà que el LED s’il·lumini, cosa que indica que Vin ha estat més positiu que el nivell de referència de +6 V.

En cas contrari, si l'entrada no inversora (+) es configura com el pin de referència i Vin s'aplica al pin d'entrada d'inversió (-), la sortida baixarà tan aviat com l'entrada Vin baixi del valor de referència i viceversa.

Això provocarà que el LED s'apagui a l'instant.

Per tant, es pot fer que el LED s’encengui o s’apengui per a un senyal d’entrada determinat, mitjançant el cablejat adequat del pin d’entrada amb el nivell de referència i el senyal d’entrada.

Utilitzant unitats IC de comparador especialitzat

Normalment, els amplificadors operatius funcionen molt bé com a circuits de comparació, però l’ús d’un CI de comparador dedicat funciona encara millor que un amplificador operatiu per a una aplicació de comparació.

Els CI de comparador estan dissenyats específicament per a la funció de comparador i mostren una resposta millorada, com ara un canvi més ràpid a la sortida entre els nivells positiu i negatiu.

Aquests circuits integrats posseeixen una major immunitat al soroll i, en moltes ocasions, les sortides es poden utilitzar directament per conduir una càrrega.

Vegem detalladament un parell de circuits comparatius populars de la següent discussió.

Circuit comparador mitjançant IC 311

La figura anterior mostra el disseny intern i els detalls detallats del comparador IC 311. L'IC està dissenyat per funcionar també amb una font d'alimentació dual, en el rang de +15 V i -15 V, que és un nivell compatible estàndard per a tots CI digitals moderns.

L'etapa de sortida a l'interior del CI té un transistor bipolar, que té terminals emissors i col·lectors flotants. Això significa que la sortida d'aquest transistor es pot configurar es pot configurar de dues maneres diferents:

1. Afegint una resistència de tracció amb el pin del col·lector7 i posant a terra el pin emissor1 i, posteriorment, utilitzant el col·lector com a sortida.
2. Unint el col·lector amb la línia positiva i utilitzant l’emissor com a sortida.

La sortida del transistor també es pot utilitzar per accionar directament un relé o una càrrega petita, com ara un llum, sense cap etapa de memòria intermèdia externa.

El CI també compta amb una balança i una entrada estroboscòpica que es poden tancar amb la sortida.

Discutirem algunes aplicacions útils d’aquest IC a les seccions següents:

La figura anterior mostra com es pot configurar l'IC 311 com a detector de creuament zero comparador per detectar la tensió d’entrada, sempre que creua la línia zero.

L’entrada inversora (-) del 311 es pot veure unida a terra. Durant el període en què el senyal d'entrada està al nivell positiu, el transistor de sortida roman encès, cosa que crea una baixa (-10 en aquest exemple) a la sortida (col·lector de transistors).

Tan aviat com el senyal d'entrada passa a ser negatiu o inferior a 0 V, el transistor s'apaga. Això crea un + 10V positiu a la sortida del col·lector de l’IC. Això ens permet saber quan el senyal d’entrada està per sobre del nivell zero i quan ha baixat per sota del nivell zero.

La següent figura següent mostra com es pot utilitzar el comparador IC 311 per fer un circuit estroboscòpic.

En aquest exemple de circuit de comparació, el pin7 de sortida augmentarà quan el nivell de tensió del pin3 superi la referència del pin2. Però això només pot passar quan el pin d'entrada estroboscòpic del pin6 és baix o a 0 V.

Quan s’aplica un estroboscòpic TTL elevat a la base del transistor, el pin6 es redueix, cosa que provoca que el transistor de sortida IC es desactivi i, per tant, permet que el pin7 pugi al màxim.

La sortida continua sent alta sempre que es mantingui l’entrada TTL alta, independentment de l’estat del senyal d’entrada al pin3.

Tanmateix, si el senyal TTL s'aplica en forma estroboscòpica, la sortida respon al senyal d'entrada al pin3. En poques paraules, la sortida es manté bloquejada al màxim, tret que el pin6 estigui estroboscòpic.

Com connectar un relé amb un comparador

La següent figura següent mostra com es pot utilitzar el comparador 311 directament accionar un relé .

Aquí, quan el nivell de tensió del pin2 d'entrada cau per sota de 0 V, el pin3 és més positiu que el pin2. Això fa que el col·lector del transistor intern s’apagui, que engega el relé. El contactes del relé es podria connectar amb una càrrega més gran per executar l'acció de commutació desitjada.

Mentre l’entrada (+) del pin2 es mantingui per sota de 0 V, el relé continuarà engegat. Per contra, quan hi ha disponible un senyal positiu al pin2, el relé continuarà apagat.

Circuit comparador mitjançant IC 339

L'IC 339, també popularment escrit com LM339, és un IC comparador de quad. És a dir, inclou 4 comparadors de voltatge independents les entrades i sortides dels quals es finalitzen adequadament mitjançant els respectius pins externs del paquet IC, tal com es mostra a continuació.

Igual que qualsevol altre comparador, cada bloc de comparador té un parell d’entrades i una sortida. Quan l’IC s’alimenta aplicant tensió a través del Vcc i els pins d’alimentació a terra, alimenta tots els comparadors junts. Així, fins i tot si s’utilitza un únic comparador, tots els altres 3 estarien consumint una mica d’energia.

Tots els comparadors tenen característiques exactament idèntiques, per tant, podem analitzar-ne qualsevol per aprendre la funció bàsica del comparador.

Quan s’aplica una entrada diferencial positiva a través dels terminals d’entrada, és a dir, quan la diferència entre els senyals aplicats és positiva, apaga el transistor de sortida. Això fa que la sortida mostri un circuit obert o un obert flotant.

Quan l’entrada diferencial és negativa, és a dir, quan la diferència entre els senyals aplicats als pins d’entrada és negativa, activa el transistor de sortida del comparador, cosa que provoca que el pin de sortida del comparador es converteixi en negatiu, o amb potencial V.

En referència a la figura anterior, podem entendre que quan s’utilitza l’entrada no inversora (+) del CI com a pin de referència, una tensió inferior a aquesta referència al pin d’entrada inversora (-) donarà lloc a la sortida del comparador per obrir-se. En canvi, si s’utilitza el (-) com a pin de referència, un nivell de tensió a l’entrada (+) superior a la referència farà que la sortida es converteixi en negativa o en V-

Per conèixer com funciona l'IC 339 com un comparador, l'exemple següent mostra l'IC com un detector de creuament zero.

En el moment que el senyal d'entrada puja per sobre de 0 V, la sortida es torna elevada al nivell V +. La sortida s’APAGA només a V- mentre l’entrada es manté per sota de 0 V.

Com s'ha explicat anteriorment, el nivell de referència no ha de ser 0 V, es pot canviar a qualsevol altre nivell desitjat. A més, també podeu utilitzar l’altre pin d’entrada (+) com a pin de referència i el pin d’entrada (-) com a pin d’entrada de senyal per acceptar els diferents senyals d’entrada.

Avantatge de tenir una sortida flotant en circuits integrats comparadors

Com es va comentar a les explicacions anteriors, la sortida dels comparadors es commuta mitjançant BJT que té com a sortida un col·lector obert. Això proporciona l'avantatge de connectar directament les sortides de dos comparadors de l'IC 339 com un O porta .

A continuació es pot veure un bon exemple de circuit de comparació de finestres. Aquí es configuren dos blocs comparadors IC 339 amb un sol senyal d'entrada comú i les sortides s'uneixen com una porta OR.

La sortida dels respectius comparadors es redueix cada vegada que el senyal d’entrada creua el llindar establert inferior o superior, permetent així a l’usuari saber quan el senyal està fora del nivell de finestra establert.

Es pot utilitzar un comparador de finestres per a aplicacions útils com ara protector d'alt voltatge baix circuit, i rastrejador solar circuit, etc.

Conclusió

A partir de les explicacions anteriors, hem après que:

Els comparadors són bàsicament unitats que tenen dues entrades complementàries i una sortida sensible. La sortida gira alta o baixa quan el nivell de tensió d’una de les entrades és superior o inferior a l’altra entrada, depenent de quina entrada s’utilitzi com a referència o a un nivell de voltatge fix.

Tot i que un amplificador operatiu també es pot utilitzar com un comparador, els circuits integrats de comparadors especialitzats estan millor dissenyats per funcionar com els comparadors.

Els circuits integrats de comparació dedicats com LM311 i LM339 estan especialment dissenyats per a aplicacions de comparació, amb una resposta més ràpida i una capacitat de sortida flexible d’alta intensitat.

Si teniu cap pregunta relacionada, no dubteu a fer-les a través del quadre de comentaris a continuació.