Komparatorschaltungen unter Verwendung von IC 741, IC 311, IC 339

Die Grundfunktion einer Komparatorschaltung besteht darin, zwei Spannungspegel an ihren Eingangspins zu vergleichen und einen Ausgang zu erzeugen, um zu zeigen, welche Eingangsspannung ein höheres Potential als die andere hat.

In diesem Artikel erfahren Sie ausführlich, wie Sie Komparatorschaltungen mit gängigen ICs wie IC 741, IC 311 und IC LM339 korrekt entwerfen

Unterschied zwischen einem Komparator und einem Operationsverstärker

Der IC 741 ist ein ideales Beispiel für einen einzelnen Operationsverstärker, und der IC LM311 kann als gutes Beispiel für einen dedizierten einzelnen Komparator angesehen werden.

Beide Einheiten haben intern ein identisches dreieckiges Gerätesymbol, das wir normalerweise erkennen und zum Zeichnen von Komparatorschaltungen verwenden. Die Ausgangsantwort dieser beiden Komparatorformen kann jedoch einige wesentliche Unterschiede aufweisen.

Obwohl ein Operationsverstärker und ein Komparator so konfiguriert werden können, dass Differenzsignale an ihren Eingangspins verglichen werden, sind die Hauptunterschiede zwischen den beiden Gegenstücken:

• Im eingeschalteten Zustand ist der Ausgang eines Operationsverstärkers je nach Spannungspegel des Eingangspins entweder positiv oder negativ, kann jedoch niemals offen sein. Im Gegensatz dazu kann ein Komparatorausgang entweder offen oder geerdet (negativ) oder schwebend sein.
• Ein Operationsverstärkerausgang kann ohne Pull-Up- oder Pull-Down-Widerstände arbeiten. Ein Komparator benötigt jedoch immer einen externen Pull-Up- oder Pull-Down-Widerstand, damit die Ausgangsstufe normal funktioniert.
• Ein Operationsverstärker kann verwendet werden, um Verstärkerschaltungen mit hoher Verstärkung aufzubauen, ein Komparator kann für solche Anwendungen nicht verwendet werden.
• Die Ausgangsschaltantwort eines Operationsverstärkers ist normalerweise langsamer als bei einem Komparator-IC.

Ein klassisches Komparatorschaltungsdesign ist in der folgenden Abbildung zu sehen:

Hier antwortet der Ausgang mit einem 'hohen' digitalen Signal, wenn die Spannung am nicht invertierenden (+) Eingang höher ist als am invertierenden (-) Eingang. Im Gegensatz dazu wandelt sich der Ausgang in ein digitales Signal mit niedriger Spannung um, wenn die nichtinvertierende Eingangsspannung niedriger als die invertierende Eingangsspannung ist.

Unter Bezugnahme auf die obige Abbildung oben sehen wir eine Standardverbindung einer Komparatorschaltung mit einem Eingang (in diesem Beispiel der invertierende Eingang), der mit einer Referenzspannung konfiguriert ist, und dem anderen Eingangspin, der der nichtinvertierende Eingang ist, der mit einer Eingangssignalspannung verbunden ist .

Während der Zeit, in der Vin auf einer niedrigeren Spannung als der Referenzspannung von +2 V gehalten wird, bleibt der Ausgang bei etwa -10 V niedrig. Wenn Vin knapp über +2 V erhöht wird, ändert der Ausgang sofort seinen Zustand und wird hoch auf etwa + 10 V. Diese Zustandsänderung am Ausgang von -10 V auf +10 V zeigt an, dass der Vin höher als die Referenz +2 V geworden ist.

Die Hauptkomponente in jedem Komparator ist eine Operationsverstärkerschaltung, die auf eine sehr hohe Spannungsverstärkung eingestellt ist. Um die Funktionsweise eines Komparators genau zu untersuchen, können wir das folgende Beispiel des IC 741 verwenden:

Hier sehen wir, dass der invertierende Eingangspin2 (-) auf Masse oder einen 0-V-Pegel bezogen ist. An Pin3, dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers, wird ein sinusförmiges Signal angelegt. Dieses abwechselnd variierende sinusförmige Signal bewirkt, dass der Ausgang zwischen hohen und niedrigen Ausgangszuständen umschaltet, wie auf der rechten Seite des Bildes angegeben.

Wenn sich der Eingang Vin sogar um einen Millivolt über die 0-V-Referenz bewegt, wird die Differenz durch den internen Operationsverstärker mit hoher Verstärkung des IC verstärkt, wodurch der Ausgang bei dem positiven Sättigungspegel des Ausgangs hoch wird. Dieser Zustand bleibt so lange bestehen, wie das Vin-Signal über der 0-V-Referenz bleibt.

Sobald der Signalpegel einen Schatten unter die 0-V-Referenz fällt, wird der Ausgang auf seinen niedrigeren Sättigungsgrad gebracht. Auch dieser Zustand bleibt erhalten, solange das Vin-Eingangssignal unter dem Referenzpegel von 0 V bleibt.

Die obige Erklärung und die im Bild dargestellte Wellenform zeigen deutlich die digitale Antwort des Ausgangs für ein linear variierendes Eingangssignal.

Für normale Anwendungen muss der Referenzpegel nicht bei 0 V liegen, sondern kann je nach Anforderung ein beliebiger positiver Pegel sein. Bei Bedarf kann die Referenz auch an die positiven oder negativen Versorgungsleitungen angeschlossen werden, während das Eingangssignal am anderen Eingangspin angelegt wird.

Verwendung des IC 741 als Komparator

Im folgenden Beispiel lernen wir, wie man effektiv arbeitet Verwenden Sie einen Operationsverstärker als Komparator

In der Abbildung sehen wir eine Operationsverstärkerschaltung, die mit einem positiven Referenzsatz an ihrem invertierenden Eingangspin (-) arbeitet. Der Ausgang ist mit einer LED verbunden.

Mit der Spannungsteilernetzwerkformel können wir den Referenzspannungswert am (-) Eingangspin des IC berechnen.

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

Da diese Referenz dem (-) - Pin des IC zugeordnet ist, wird der Ausgang Vo gezwungen, auf seinen positiven Sättigungspegel umzuschalten, wenn die Spannung Vin am (+) Eingang höher als diese Referenz ist oder positiver als die Referenz wird.

Dadurch leuchtet die LED auf und zeigt an, dass Vin positiver als der Referenzpegel von +6 V geworden ist.

Wenn dagegen der nichtinvertierende Eingang (+) als Referenzstift konfiguriert ist und Vin an den invertierenden Eingangspin (()) angelegt wird, wird der Ausgang niedrig, sobald der Vin-Eingang den Referenzwert unterschreitet und umgekehrt.

Dadurch erlischt die LED sofort.

Daher kann die LED für ein gegebenes Eingangssignal ein- oder ausgeschaltet werden, indem der Eingangspin mit dem Referenzpegel und dem Eingangssignal entsprechend verdrahtet wird.

Verwenden spezialisierter Komparator-IC-Einheiten

Normalerweise eignen sich Operationsverstärker hervorragend als Komparatorschaltungen, aber die Verwendung eines dedizierten Komparator-IC funktioniert noch besser als ein Operationsverstärker für eine Komparatoranwendung.

Komparator-ICs sind speziell für die Komparatorfunktion ausgelegt und zeigen eine verbesserte Reaktion, wie z. B. ein schnelleres Umschalten am Ausgang zwischen dem positiven und dem negativen Pegel.

Diese ICs besitzen eine höhere Störfestigkeit, und in vielen Fällen können die Ausgänge direkt zum Antreiben einer Last verwendet werden.

In der folgenden Diskussion lernen wir einige beliebte Komparator-ICs im Detail kennen.

Komparatorschaltung mit IC 311

Die obige Abbildung zeigt das interne Layout und die Pinbelegungsdetails des Komparator-IC 311. Der IC ist so ausgelegt, dass er auch mit einer doppelten Stromversorgung im Bereich von +15 V und -15 V betrieben werden kann, was ein standardkompatibler Pegel für alle ist moderne digitale ICs.

Die Ausgangsstufe innerhalb des IC hat einen Bipolartransistor mit schwebenden Kollektor- und Emitteranschlüssen. Dies bedeutet, dass der Ausgang dieses Transistors auf zwei verschiedene Arten konfiguriert werden kann:

1. Durch Hinzufügen eines Pull-up-Widerstands mit dem Kollektor Pin7 und Erden des Emitter Pin1 und anschließendes Verwenden des Kollektors als Ausgang.
2. Durch Verbinden des Kollektors mit der positiven Leitung und Verwenden des Emitters als Ausgang.

Der Transistorausgang kann auch zum Ansteuern eines Relais oder einer kleinen Last wie einer Lampe direkt ohne externe Pufferstufe verwendet werden.

Der IC verfügt außerdem über eine Balance und einen Strobe-Eingang, die mit dem Ausgang verbunden werden können.

In den folgenden Abschnitten werden einige nützliche Anwendungen dieses IC erläutert:

Die obige Abbildung zeigt, wie der IC 311 wie folgt konfiguriert werden kann Nulldurchgangsdetektor Komparator zum Erfassen der Eingangsspannung, wenn diese die Nulllinie überschreitet.

Der invertierende Eingang (-) des 311 ist mit der Erde verbunden. Während der Periode, in der sich das Eingangssignal auf dem positiven Pegel befindet, bleibt der Ausgangstransistor eingeschaltet, wodurch am Ausgang (Transistorkollektor) ein niedriger Wert (in diesem Beispiel -10) erzeugt wird.

Sobald das Eingangssignal negativ oder unter 0 V wird, wird der Transistor ausgeschaltet. Dies erzeugt eine positive + 10V am Kollektorausgang des IC. Auf diese Weise können wir feststellen, wann das Eingangssignal über dem Nullpegel liegt und wann es unter den Nullpegel gefallen ist.

Die folgende Abbildung zeigt, wie der IC 311-Komparator zur Herstellung einer Strobed-Schaltung verwendet werden kann.

In diesem Beispiel einer Komparatorschaltung wird der Ausgangspin77 hoch, wenn der Spannungspegel von Pin3 über die Referenz von Pin2 steigt. Dies kann jedoch nur geschehen, wenn der Pin6-Strobe-Eingangspin niedrig oder bei 0 V ist.

Wenn ein hoher TTL-Strobe an der Basis des Transistors angelegt wird, wird Pin6 niedrig, wodurch der IC-Ausgangstransistor ausgeschaltet wird und Pin7 dadurch hoch wird.

Der Ausgang bleibt hoch, solange der TTL-Eingang hoch gehalten wird, unabhängig von der Bedingung des Eingangssignals an Pin3.

Wenn das TTL-Signal jedoch in Strobed-Form angelegt wird, reagiert der Ausgang auf das Eingangssignal an Pin3. Einfach ausgedrückt bleibt der Ausgang auf High gesperrt, es sei denn, Pin6 wird getaktet.

So verbinden Sie ein Relais mit einem Komparator

Die nächste Abbildung unten zeigt, wie der Komparator 311 direkt verwendet werden kann ein Relais betätigen .

Wenn hier der Spannungspegel am Eingang Pin2 unter 0 V fällt, wird Pin3 positiver als Pin2. Dies bewirkt, dass der Kollektor des internen Transistors ausgeschaltet wird, wodurch das Relais eingeschaltet wird. Das Kontakte des Relais könnte mit einer schwereren Last verdrahtet werden, um eine gewünschte Schaltaktion auszuführen.

Solange der (+) Eingang an Pin2 unter 0 V bleibt, bleibt das Relais eingeschaltet. Wenn umgekehrt an Pin2 ein positives Signal verfügbar ist, bleibt das Relais ausgeschaltet.

Komparatorschaltung mit IC 339

Der IC 339, im Volksmund auch als LM339 geschrieben, ist ein Quad-Komparator-IC. Das heißt, es enthält 4 separate Spannungskomparatoren, deren Ein- und Ausgänge wie unten gezeigt über die jeweiligen externen Pins des IC-Gehäuses entsprechend terminiert sind.

Wie jeder andere Komparator verfügt jeder Komparatorblock über mehrere Eingänge und einen Ausgang. Wenn der IC durch Anlegen einer Spannung an den Vcc- und Erdungsversorgungsstiften mit Strom versorgt wird, werden alle Komparatoren zusammen mit Strom versorgt. Selbst wenn ein einzelner Komparator verwendet wird, würden alle anderen 3 etwas Strom verbrauchen.

Alle Komparatoren haben genau identische Eigenschaften, daher können wir jede dieser Eigenschaften analysieren, um die grundlegende Komparatorfunktion zu erlernen.

Wenn ein positiver Differenzeingang an die Eingangsanschlüsse angelegt wird, dh wenn die Differenz zwischen den angelegten Signalen positiv ist, wird der Ausgangstransistor ausgeschaltet. Dies bewirkt, dass der Ausgang einen offenen Stromkreis oder einen schwebenden offenen Stromkreis anzeigt.

Wenn der Differenzeingang negativ ist, dh wenn die Differenz zwischen den an den Eingangspins angelegten Signalen negativ ist, wird der Ausgangstransistor des Komparators eingeschaltet, wodurch der Ausgangspin des Komparators negativ oder auf V-Potential wird.

Unter Bezugnahme auf die obige Abbildung können wir verstehen, dass, wenn der nicht invertierende (+) Eingang des IC als Referenzstift verwendet wird, eine Spannung, die niedriger als diese Referenz am invertierenden Eingangspin (-) ist, zum Ausgang des führt Komparator offen zu werden. Wenn andererseits (-) als Referenzstift verwendet wird, bewirkt ein Spannungspegel am (+) Eingang, der höher als die Referenz ist, dass der Ausgang negativ oder bei V- wird.

Um zu erfahren, wie der IC 339 wie ein Komparator funktioniert, zeigt das folgende Beispiel den IC als Nulldurchgangsdetektor.

Sobald das Eingangssignal über 0 V steigt, wird der Ausgang auf V + -Pegel hochgeschaltet. Der Ausgang wird nur bei V- ausgeschaltet, während der Eingang unter 0 V gehalten wird.

Wie zuvor erläutert, muss der Referenzpegel nicht 0 V sein, sondern kann auf einen anderen gewünschten Pegel geändert werden. Zusätzlich können Sie den anderen Eingangspin (+) als Referenzstift und den (-) Eingangspin als Signaleingangspin zum Akzeptieren des variierenden Eingangssignals verwenden.

Vorteil eines schwebenden Ausgangs in Komparator-ICs

Wie in den vorherigen Erläuterungen erläutert, wird der Komparatorausgang über BJT geschaltet, das einen offenen Kollektor als Ausgang hat. Dies bietet den Vorteil, dass die Ausgänge von zwei Komparatoren vom IC 339 direkt wie bei einem angeschlossen werden ODER-Gatter .

Ein schönes Beispiel für eine Fensterkomparatorschaltung ist unten zu sehen. Hier sind zwei IC 339-Komparatorblöcke mit einem einzigen gemeinsamen Eingangssignal konfiguriert, und die Ausgänge sind wie ein ODER-Gatter verbunden.

Der Ausgang der jeweiligen Komparatoren wird immer dann niedrig, wenn das Eingangssignal entweder die untere eingestellte Schwelle oder die obere eingestellte Schwelle überschreitet, wodurch der Benutzer erkennen kann, wann das Signal außerhalb des eingestellten Fensterpegels liegt.

Ein Fensterkomparator kann für nützliche Anwendungen wie verwendet werden Hoch-Niederspannungsschutz Schaltung und Solartracker Schaltung usw.

Fazit

Aus den obigen Erklärungen haben wir gelernt, dass:

Komparatoren sind im Grunde Einheiten mit zwei komplementären Eingängen und einem ansprechenden Ausgang. Der Ausgang wird hoch oder niedrig, wenn der Spannungspegel an einem der Eingänge höher oder niedriger als der andere Eingang ist, je nachdem, welcher Eingang als Referenz verwendet wird oder bei einem festen Spannungspegel.

Obwohl ein Operationsverstärker auch wie ein Komparator verwendet werden kann, sind spezielle Komparator-ICs besser dafür ausgelegt, wie Komparatoren zu arbeiten.

Spezielle Komparator-ICs wie LM311, LM339 wurden speziell für Komparatoranwendungen entwickelt und bieten eine schnellere Reaktion und eine flexible Hochstromausgabefähigkeit.

Wenn Sie verwandte Fragen haben, können Sie diese gerne über das Kommentarfeld unten stellen.