Circuiti comparatori che utilizzano IC 741, IC 311, IC 339

La funzione di base di un circuito comparatore per confrontare due livelli di tensione sui suoi pin di ingresso e produrre un'uscita per mostrare quale tensione di ingresso ha un potenziale maggiore dell'altra.

In questo articolo impareremo in modo elaborato come progettare correttamente circuiti comparatori utilizzando circuiti integrati popolari come IC 741, IC 311 e IC LM339

Differenza tra un comparatore e un amplificatore operazionale

L'IC 741 è un esempio ideale di un singolo amplificatore operazionale e l'IC LM311 può essere considerato un buon esempio di un singolo comparatore dedicato.

Troverete entrambe queste unità internamente con un identico simbolo di dispositivo a forma di 'triangolo', che normalmente riconosciamo e utilizziamo per disegnare circuiti comparatori. Tuttavia, la risposta in uscita di queste due forme di comparatori può presentare alcune differenze importanti.

Sebbene sia un amplificatore operazionale che un comparatore possano essere configurati per confrontare segnali differenziali sui loro pin di ingresso, le principali differenze tra le due controparti sono:

• In condizione alimentata, l'uscita di un amplificatore operazionale sarà positiva o negativa, a seconda dei livelli di tensione del pin di ingresso, ma non potrà mai essere aperta. Al contrario, un'uscita del comparatore può essere aperta o messa a terra (negativa) o flottante.
• L'uscita di un amplificatore operazionale può funzionare senza resistori di pull-up o pull-down, ma un comparatore richiederà sempre un resistore pull-up o pull-down esterno per consentire allo stadio di uscita di funzionare normalmente.
• Un amplificatore operazionale può essere utilizzato per costruire circuiti amplificatori ad alto guadagno, un comparatore non può essere utilizzato per tali applicazioni.
• La risposta di commutazione dell'uscita di un amplificatore operazionale è solitamente più lenta rispetto a un IC comparatore.

Un design classico del circuito comparatore può essere visto nella figura seguente:

Qui, l'uscita risponde con un segnale digitale 'alto', ogni volta che la tensione sull'ingresso non invertente (+) è maggiore dell'ingresso invertente (-). Al contrario, l'uscita in un segnale digitale basso, ogni volta che la tensione di ingresso non invertente è inferiore alla tensione di ingresso invertente.

Facendo riferimento alla figura sopra, possiamo vedere una connessione standard di un circuito comparatore avente un ingresso (l'ingresso invertente in questo esempio) configurato con una tensione di riferimento e l'altro pin di ingresso che è l'ingresso non invertente collegato a una tensione del segnale di ingresso .

Durante il tempo Vin è mantenuto a una tensione inferiore alla tensione di riferimento di +2 V, l'uscita rimane bassa intorno a -10 V. Se Vin viene aumentata appena sopra +2 V, l'uscita cambia istantaneamente di stato e diventa alta intorno a + 10 V. Questo cambiamento di stato all'uscita da -10 V a +10 V indica che il Vin è diventato superiore al riferimento +2 V.

Il componente principale all'interno di qualsiasi comparatore è un circuito amplificatore operazionale, che ha un guadagno di tensione molto alto. Per studiare accuratamente il funzionamento di un comparatore possiamo prendere l'esempio dell'IC 741, come mostrato di seguito:

Qui possiamo vedere che l'ingresso invertente pin2 (-) è riferito a massa, o un livello 0 V. Un segnale sinusoidale viene applicato sul pin3 che è l'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. Questo segnale sinusoidale alternativamente variabile fa sì che l'uscita commuti tra lo stato di uscita alto e basso, come indicato sul lato destro dell'immagine.

Quando l'ingresso Vin si sposta anche di un millivolt sopra il riferimento di 0 V, la differenza viene amplificata dall'amplificatore operazionale interno ad alto guadagno dell'IC, facendo aumentare l'uscita al livello di saturazione positivo dell'uscita. Questa condizione viene mantenuta fintanto che il segnale Vin rimane al di sopra del riferimento 0 V.

Ora, non appena il livello del segnale scende di un'ombra al di sotto del riferimento 0 V, l'uscita viene portata al suo livello inferiore di saturazione. Anche in questo caso, questa condizione viene mantenuta fintanto che il segnale di ingresso Vin rimane al di sotto del livello di riferimento di 0 V.

La spiegazione di cui sopra e la forma d'onda presentata nell'immagine indicano chiaramente la risposta digitale dell'uscita per un segnale di ingresso variabile in modo lineare.

Per le normali applicazioni, il livello di riferimento non deve essere a 0 V, ma può essere qualsiasi livello positivo secondo il requisito. E, se richiesto, il riferimento può essere collegato anche alle linee di alimentazione positive o negative, mentre il segnale di ingresso viene applicato all'altro pin di ingresso.

Utilizzo di IC 741 come comparatore

Nel seguente esempio impareremo come in modo efficace usa un amplificatore operazionale come comparatore

Nella figura possiamo vedere un circuito di amplificatore operazionale che funziona con un riferimento positivo impostato sul suo pin di ingresso invertente (-). L'uscita è collegata con un LED.

Utilizzando la formula della rete del partitore di tensione, possiamo calcolare il valore della tensione di riferimento sul pin di ingresso (-) dell'IC.

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

Poiché questo riferimento è associato al pin (-) dell'IC, se la tensione Vin all'ingresso (+) supera questo riferimento o diventa più positivo del riferimento, forzerà l'uscita Vo a passare al suo livello di saturazione positivo.

Ciò farà illuminare il LED, indicando che Vin è diventato più positivo del livello di riferimento di +6 V.

Al contrario, se l'ingresso non invertente (+) è configurato come pin di riferimento e Vin applicato al pin dell'input invertente (-), l'uscita si abbasserà non appena l'ingresso Vin scende al di sotto del valore di riferimento e viceversa.

Ciò causerà immediatamente lo spegnimento del LED.

Pertanto, il LED può essere fatto accendere o spegnere per un dato segnale di ingresso, cablando opportunamente il pin di ingresso con il livello di riferimento e il segnale di ingresso.

Utilizzo di unità IC di comparazione specializzate

Normalmente gli amplificatori operazionali funzionano alla grande come circuiti comparatori, ma l'utilizzo di un IC comparatore dedicato funziona anche meglio di un amplificatore operazionale per un'applicazione comparativa.

I circuiti integrati comparatori sono progettati specificamente per la funzione comparatore e mostrano una risposta migliorata come una commutazione più rapida all'uscita tra i livelli positivo e negativo.

Questi circuiti integrati possiedono una maggiore immunità al rumore e in molte occasioni le uscite possono essere utilizzate direttamente per azionare un carico.

Impariamo in dettaglio un paio di circuiti integrati di confronto popolari, dalla seguente discussione.

Circuito comparatore utilizzando IC 311

La figura sopra mostra il layout interno e i dettagli del pinout del comparatore IC 311. L'IC è progettato per funzionare anche da una doppia alimentazione, nell'intervallo di +15 V e -15 V, che è un livello compatibile standard per tutti moderni circuiti integrati digitali.

Lo stadio di uscita all'interno dell'IC ha un transistor bipolare, con collettore flottante ed emettitore terminali. Ciò significa che l'uscita da questo transistor può essere configurata può essere configurata in due modi diversi:

1. Aggiungendo una resistenza di pull-up con il pin7 del collettore e mettendo a terra il pin1 dell'emettitore, e successivamente utilizzando il collettore come uscita.
2. Unendo il collettore con la linea positiva e utilizzando l'emettitore come uscita.

L'uscita transistor può essere utilizzata anche per pilotare un relè o un piccolo carico come una lampada direttamente senza alcuno stadio tampone esterno.

L'IC dispone anche di un bilanciamento e di un ingresso strobo che può essere collegato all'uscita.

Discuteremo alcune utili applicazioni di questo CI nelle seguenti sezioni:

La figura sopra mostra come l'IC 311 può essere configurato come un file rilevatore di zero-crossing comparatore per rilevare la tensione di ingresso, ogni volta che attraversa la linea dello zero.

L'ingresso invertente (-) del 311 è visibile unito al terreno. Durante il periodo in cui il segnale di ingresso è a livello positivo, il transistor di uscita rimane acceso, il che crea un basso (-10 in questo esempio) all'uscita (collettore di transistor).

Non appena il segnale di ingresso diventa negativo o inferiore a 0 V, il transistor viene spento. Questo crea un positivo + 10V all'uscita del collettore dell'IC. Questo ci permette di sapere quando il segnale in ingresso è al di sopra del livello zero e quando è sceso al di sotto del livello zero.

La figura seguente mostra come utilizzare il comparatore IC 311 per realizzare un circuito in modalità strobo.

In questo esempio di circuito comparatore, l'uscita pin7 diventerà alta quando il livello di tensione pin3 supera il riferimento pin2. Ma questo può accadere solo mentre il pin di ingresso strobo pin6 è basso oa 0 V.

Quando uno strobo TTL alto viene applicato alla base del transistor, il pin6 diventa basso, provocando lo spegnimento del transistor di uscita IC e quindi abilitando il pin7 ad andare alto.

L'uscita continua ad essere alta finché l'ingresso TTL viene mantenuto alto, indipendentemente dalle condizioni del segnale di ingresso sul pin3.

Tuttavia, se il segnale TTL viene applicato in forma strobo, l'uscita risponde al segnale di ingresso sul pin3. In parole povere, l'uscita rimane bloccata su alto, a meno che il pin6 non sia in modalità strobo.

Come collegare un relè a un comparatore

La figura seguente mostra come utilizzare direttamente il comparatore 311 azionare un relè .

Qui, quando il livello di tensione sull'ingresso pin2 scende al di sotto di 0 V, il pin3 diventa più positivo del pin2. Ciò provoca lo spegnimento del collettore del transistor interno, che accende il relè. Il contatti del relè potrebbe essere cablato con un carico più pesante per eseguire un'azione di commutazione desiderata.

Finché l'ingresso (+) sul pin2 rimane al di sotto di 0 V, il relè resta acceso. Al contrario, quando un segnale positivo è disponibile sul pin2, il relè rimarrà spento.

Circuito comparatore utilizzando IC 339

L'IC 339, anche comunemente scritto come LM339, è un circuito integrato quadruplo. Ciò significa che include 4 comparatori di tensione separati i cui ingressi e uscite sono opportunamente terminati tramite i rispettivi pin esterni del pacchetto IC, come mostrato di seguito.

Proprio come qualsiasi altro comparatore, ogni blocco comparatore ha un paio di ingressi e un'uscita. Quando il circuito integrato è alimentato applicando tensione attraverso il Vcc e i pin di alimentazione a terra, alimenta tutti i comparatori insieme. Quindi, anche se si utilizza un singolo comparatore, tutti gli altri 3 consumerebbero un po 'di energia.

Tutti i comparatori hanno caratteristiche esattamente identiche, quindi possiamo analizzarne uno qualunque per apprendere la funzione base del comparatore.

Quando un ingresso differenziale positivo viene applicato ai terminali di ingresso, ovvero quando la differenza tra i segnali applicati è positiva, il transistor di uscita viene disattivato. Ciò fa sì che l'uscita mostri un circuito aperto o un flottante aperto.

Quando l'ingresso differenziale è negativo, ovvero quando la differenza tra i segnali applicati ai pin di ingresso è negativa, si accende il transistor di uscita del comparatore, che fa sì che il pin di uscita del comparatore diventi negativo, o al potenziale V.

Facendo riferimento alla figura sopra, possiamo capire che quando l'ingresso non invertente (+) dell'IC viene utilizzato come pin di riferimento, una tensione inferiore a questo riferimento sul pin di ingresso invertente (-) risulterà nell'uscita del comparatore per diventare aperto. D'altra parte, se il (-) viene utilizzato come pin di riferimento, un livello di tensione all'ingresso (+) superiore al riferimento farà sì che l'uscita diventi negativa oa V-

Per imparare come funziona l'IC 339 come un comparatore, il seguente esempio mostra l'IC come un rilevatore di zero crossing.

Nel momento in cui il segnale in ingresso sale sopra 0 V, l'uscita è alta al livello V +. L'uscita viene disattivata a V- solo mentre l'ingresso è mantenuto al di sotto di 0 V.

Come spiegato in precedenza, il livello di riferimento non deve essere 0 V, ma può essere modificato in qualsiasi altro livello desiderato. Inoltre, è anche possibile utilizzare l'altro pin di ingresso (+) come pin di riferimento e il pin di ingresso (-) come pin di ingresso del segnale per accettare il segnale di ingresso variabile.

Vantaggio di avere un'uscita fluttuante nei circuiti integrati di confronto

Come discusso nelle spiegazioni precedenti, l'uscita dei comparatori viene commutata tramite BJT che hanno un collettore aperto come uscita. Ciò offre il vantaggio di collegare le uscite di due comparatori dall'IC 339 direttamente come un O cancello .

Di seguito è possibile vedere un bell'esempio di un circuito comparatore di finestre. Qui due blocchi comparatori IC 339 sono configurati con un singolo segnale di ingresso comune e le uscite sono unite come porta OR.

L'uscita dei rispettivi comparatori diventa bassa ogni volta che il segnale di ingresso attraversa la soglia impostata inferiore o la soglia impostata superiore, consentendo così all'utente di sapere quando il segnale è al di fuori del livello della finestra impostata.

Un comparatore di finestre può essere utilizzato per applicazioni utili come protezione ad alta bassa tensione circuito e inseguitore solare circuito ecc.

Conclusione

Dalle spiegazioni di cui sopra, abbiamo appreso che:

I comparatori sono fondamentalmente unità aventi due input complementari e un output reattivo. L'uscita diventa alta o bassa quando il livello di tensione su uno degli ingressi è maggiore o minore dell'altro ingresso, a seconda di quale ingresso viene utilizzato come riferimento o ad un livello di tensione fisso.

Sebbene un amplificatore operazionale possa essere utilizzato anche come comparatore, i circuiti integrati per comparatori specializzati sono progettati meglio per funzionare come comparatori.

I circuiti integrati di comparazione dedicati come LM311, LM339 sono progettati appositamente per l'applicazione di comparatori, con una risposta più rapida e una capacità di uscita flessibile ad alta corrente.

In caso di domande correlate, non esitare a chiedere loro tramite la casella dei commenti qui sotto.