Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Борис Семенов

Рис. 13.15. Принцип работы компаратора

Компаратору не интересны абсолютные уровни сигналов (лишь бы они не превышали максимально допустимых значений), он реагирует только на их разницу. Почему компаратор может получиться из обычного операционного усилителя? Вспомните, как «забрасывает» выходной сигнал даже от небольшого смещения на входе, и все станет ясно. Для работы в качестве компаратора нужно выбирать ОУ с максимальной скоростью нарастания сигнала и с максимальным усилением. Разработаны и специальные микросхемы компараторов, которые оптимизированы именно по скорости нарастания.

Наиболее универсальны и просты в применении популярные микросхемы компараторов К554САЗ или К521САЗ (это практически одна микросхема, но выполненная в равных корпусах, рис. 13.16).

Рис. 13.16. Внешний вид корпусов компараторов К521САЗ, К554САЗ, варианты их обозначения на электрической схеме (выводы для частотной коррекции, если они не используются, то обычно не показываются) и внутреннее строение выхода (в скобках указаны номера выводов для K554CA3)

У этих конкретных микросхем имеется еще одно достоинство — довольно мощный выход, позволяющий подключать нагрузку с током до 50 мА, к тому же там, в отличие от обычных ОУ, установлен выходной транзистор с неподключенными (открытыми) коллектором и эмиттером, что позволяет, в зависимости от необходимости, включать его по схеме с общим эмиттером или с общим коллектором. Схема с открытым коллектором удобна, когда надо согласовать выходной уровень со стандартным для логических микросхем разных типов (выход с открытым коллектором часто обозначают внутри микросхемы условным знаком в виде ромбика с чертой внизу). Напряжение питания у этих микросхем может быть двухполярным ±15 В или же однополярным от 5 до 15 В.

Не пытайтесь использовать компаратор как операционный усилитель — он совершенно не предназначен для работы в таком режиме!

А теперь поговорим об особенностях применения компараторов, точнее, о путях улучшения их характеристик. Компаратор — это типичная пороговая схема, которая изменяет свое состояние при превышении входным сигналом определенного уровня. Обычный компаратор чаще всего неплохо выполняет возложенную на него задачу, но иногда возникают неприятные ситуации, и вот почему. Допустим, мы подали на его вход медленно меняющийся сигнал, в котором присутствует небольшая высокочастотная пульсация (такое бывает довольно часто), и намереваемся сравнить его с установленным уровнем, называемым пороговым. Тогда близко к порогу переключения компаратора начнутся его переключения с большой частотой — возникает так называемый дребезг — короткие импульсы на выходе (рис. 13.17). С явлением дребезга мы часто сталкиваемся при срабатывании механических контактов, но тут случай особый, не механический.

Рис. 13.17. Дребезг выходного сигнала компаратора под воздействием помех

Увеличить помехоустойчивость компаратора позволяет установка между входами небольшой емкости (10…1000 пФ), но при этом уменьшится и быстродействие срабатывания, а это не всегда допустимо.

Устранить дребезг можно и другим способом, воспользовавшись идеей, реализованной на рис. 13.18.

Рис. 13.18. Введение гистерезиса в компаратор за счет положительной обратной связи

Суть ее состоит в установке разных порогов для переключения микросхемы, как это показано на графике, рис. 13.19 (включение происходит при большем напряжении, чем выключение). Это довольно часто используется в специальных формирователях сигнала, названных триггером Шмитта. Характеристика триггера Шмитта (рис. 13.19, б) с установленными разными порогами переключения называется гистерезисной.

Рис. 13.19. Разнесение порогов срабатывания компаратора (а) и передаточная гистерезисная характеристика (б)

Принцип работы этой схемы (рис. 13.18) таков: поскольку выходное напряжение компаратора, практически равное напряжению питания ОУ, «гуляет» в пределах ±Uпит, резистор R3 сдвигает потенциал неинвертирующего вывода то в одном, то в другом направлении, создавая дополнительный ток то через резистор R1, то через резистор R2. Увеличение-тока, как мы знаем, ведет к увеличению падения напряжения, что и сдвигает уровень сравнения. Кроме того, резистор R3 — это положительная обратная связь, которая ускоряет переключение компаратора, быстрее «забрасывает» его в крайние положения.

Отметим, что в цифровой технике, о которой у нас намечен отдельный разговор, широко применяются готовые триггеры Шмитта (резистор ОС уже установлен в корпусе микросхемы). Применяются они и в составе аналоговых микросхем. Например, в драйверных, предназначенных для управления в ключевом режиме мощными полевыми транзисторами MOSFET и IGBT, на входе обязательно имеются формирователи типа триггера Шмитта.

В качестве примера применения компаратора с гистерезисом на рис. 13.20 показана практическая схема, собранная на К521САЗ. Она может служить для автоматического включения вентилятора при повышении температуры в комнате или подвале ниже установленного регулировочным резистором предела (это позволяет уменьшить колебания температуры в помещении). Данная схема довольно универсальна и в зависимости от типа применяемого датчика (фоторезистор, ИК-диод и т. д.) может выполнять разные задачи.

Рис. 13.20. Схема автоматического термостабилизатора на компараторе (а) и вариант управления включением мощной нагрузки (б)

Работает устройство следующим образом. На один вход микросхемы подается опорное напряжение с делителя на резисторах, а на второй — напряжение с делителя, образованного термодатчиком и добавочным резистором. Так как входное напряжение у микросхемы из-за инерционности датчика меняется медленно, чтобы не столкнуться с дребезгом контактов реле (что ускоряет их износ), в схему введена положительная обратная связь (резистор R5), обеспечивающая гистерезис при переключении. Реле подойдет любое малогабаритное, на напряжение срабатывания 9 или 12 В, см. справочный раздел книги.

В качестве термодатчика лучше взять терморезистор из серии СТЗ-19 с любым номиналом (он при нагревании уменьшает свое сопротивление). В зависимости от того, к какому входу микросхемы подключен датчик, реле будет срабатывать при понижении или повышении напряжения на входе.

Аналоговые таймеры

Первые микросхемы интегральных таймеров появились в 1971 г. и были представлены фирмой Signetics Corporation как SE555 и NE555 (у них отличие заключалось только в допустимом рабочем температурном диапазоне: -55…+125 °C и 0…70 °C соответственно — так называемое индустриальное и коммерческое исполнения). В то время это были самые первые широкодоступные микросхемы, которые, благодаря своей универсальности, позволили собирать многие времязадающие узлы радиоаппаратуры с применением минимального числа внешних элементов. Но все же основное назначение микросхем — это формирование точных временных интервалов. Отсюда пошло их название — таймеры.

Внутренняя структура оказалась настолько удачной, что за прошедшие более чем 30 лет эти микросхемы все еще очень популярны и используются во многих устройствах. Под разной маркировкой их выпускают почти все крупные мировые производители электронных компонентов. Отечественная промышленность тоже делает аналоги с маркировкой: КР1006ВИ1, КФ1006ВИ1, ЭКФ1087ВИ2, КР1087ВИ2, КР1441ВИ1 и др.

Все эти таймеры обладают такими достоинствами, как стабильность работы в широком диапазоне питающих напряжений, достаточно мощный выход и дешевизна. При этом выход легко согласуется с любыми аналоговыми и большинством цифровых микросхем (ТТЛ, МОП, КМОП). Несмотря на то, что микросхема называется таймером, благодаря своей структуре она может применяться и во многих других электронных устройствах, например в генераторах импульсов различной формы (прямоугольных, треугольных, пилообразных, модулированных по длительности или частоте), помехоустойчивых повторителях сигнала, триггерах и т. д. В дальнейшем вы сможете познакомиться со всеми этими устройствами по книге [1]. Пока же мы рассмотрим наиболее популярные и простые применения.

Следует отметить, что в настоящее время существует две разновидности таких микросхем: классические (изготовленные на основе биполярных транзисторов) и микромощные (на основе полевых). Микромощные потребляют меньше, но и нагрузочная способность у них по току поменьше 50… 100 мА (к тому же стоят пока существенно дороже). Но, несмотря на разные внутренние принципиальные схемы и технологии изготовления таймеров от различных производителей, все они полностью совместимы по номерам и назначению выводов, что фактически стало стандартом, ну и, конечно, работают аналогично.