Lm293 схема включения как работает

От усилителя тока к драйверу L293.

В прошлой части статьи мы ознакомились со схемой усилителя тока и описали его работу. Если внимательней рассмотреть такой двухтактный усилитель тока, то можно заметить, что его выход оказывается как бы подключён то к плюсу источника питания, то к минусу, в зависимости от уровня входного напряжения. То есть усилитель тока работает как переключатель, как электронный ключ! В таком случае так и говорят: «усилитель работает в ключевом режиме».

Теперь, чтобы легче понять логику работы L293, заменим её внутреннюю схему на условные блоки в виде электронных ключей или переключателей (Анимация 1-а). Если на таком ключе управляющий сигнал имеет низкий уровень напряжения ( «0» ), то ключ находятся в одном положении, а если высокий уровень ( «1» ) — то в другом положении.
Внутри микросхемы управляющие сигналы таких электронных ключей соединены определённым образом между собой или выведены наружу к ножкам микросхемы. А чтобы электронный ключ находился в каком то определённом положении, его управляющий электрод может быть притянут к GND (Анимация 1-б) или подтянут к напряжению питания Vs (Анимация 1-в). Резистор в таком случае имеет сопротивление в несколько десятков килоОм и расположен внутри самой микросхемы.
Соединив два электронных ключа (переключатель и замыкатель) как показано на анимации 2, получим часть внутренней схемы L293. На этой анимации показана зависимость состояния ротора мотора от входных сигналов INPUT и ENABLE:

Поняв принцип построения схем на основе электронных ключей, будет нетрудно разобраться и в схеме на рис. 1. Там изображена внутренняя структура L293 с использованием блоков электронных ключей. Такое упрощение позволяет легче понять взаимосвязи сигналов. Следует напомнить, что в нашем случае все управляющие ножки L293 подтянуты через внутренние резисторы к Vss, то есть к плюсу питания логической части микросхемы.

Рис. 1. Структура L293 на электронных ключах.

Для примера проследим цепь от входа «INPUT2» до выхода «OUTPUT2».
До тех пор, пока на ножке INPUT2 присутствует сигнал высокого уровня, электронный ключ К3 будет находиться в указанном на схеме положении. В таком положении К3 может пропускать через себя ток «силового» источника Vs. Этот ток будет течь и через замкнутый ключ К4, но только если на ножке ENABLE1,2 будет высокий уровень. Таким образом ножка микросхемы OUTPUT2 оказывается как бы подключённой к положительному полюсу питания Vs. Если теперь на вход INPUT2 подать низкий уровень, то ключ К3 переключится в противоположное положение и ножка OUTPUT2 через ключи К4 и К3 окажется замкнутой на GND. По схеме нетрудно проследить, что при подаче низкого уровня напряжения на ножку ENABLE1,2 то оба ключа К2 и К4 одновременно перейдут в разомкнутое состояние. При разомкнутых ключах К2 и К4 выходные ножки OUTPUT1 и OUTPUT2 будут отключены от всей схемы, то есть будут «висеть в воздухе» и не зависеть от сигналов на ножках INPUT1 и/или INPUT2.
Аналогично устроены и остальные каналы усилителей тока микросхемы L293. Но нужно помнить, что управление всех четырёх усилителей тока разделено попарно ножками ENABLE1,2 и ENABLE3,4.

Почти так устроены все представители семейства микросхем L293. Отличия могут быть в корпусном исполнении, электрических характеристиках, наличием дополнительных ножек или внутренних элементов (защитных диодов).
Вот краткий перечень типов L293 с указанием основных отличий:

L293B — не имеет встроенных защитных диодов, максимальный ток равен 1000 мА
L293D — имеет встроенные защитные диоды, но максимальный ток равен 600 мА
L293E — не имеет встроенных защитных диодов, но имеются отдельные выводы SENSE
L293DWP — устаревший тип в 28-ми выводном корпусе

Как видите, об отличиях L293 можно судить непосредственно по буквенному индексу в обозначении. А более точно можно прочесть в даташите на конкретную микросхему. И всегда лучше брать даташит именно фирмы-производителя имеющейся L293, для этого можно свериться с логотипом фирмы на корпусе микросхемы (изображения логотипов).

Все представители L293 имеют так называемую «тепловую защиту». Если температура корпуса микросхемы превышает границу около 70°C, то эта защита отключает все выходные ножки OUTPUT1 .. OUTPUT4, тем самым предотвращая дальнейший нагрев в случае перегрузки. Но помните, от короткого замыкания ножек OUTPUT1 — OUTPUT4 на GND или Vs она не спасает!

Кстати, отечественная электропромышленность (например НТЦ СИТ в Брянске) тоже выпускает аналоги микросхем L293, так KP1128KT3 является аналогом L293B, а KP1128KT4 — аналогом L293D. Причём отечественные аналоги могут быть несколько дешевле зарубежных, не уступая им по электрическим параметрам.

Эксперименты с мотором.

Коллекторный моторчик постоянного тока — наиболее увлекательный в экспериментах тип нагрузки, ведь моторчик изменяет направление вращения при изменении полярности проходящего тока! Поэтому и далее мы будем использовать моторчики для объяснений.

Рис. 2. Мотор на GND.

Если моторчик подпаять одним выводом к одному полюсу питания, например к минусу — GND (Рис. 2), то для вращения ему ещё потребуется «плюс» питания. Именно этот второй вывод моторчика мы будем включать и выключать с помощью одного из усилителей тока из микросхемы L293. Тогда что бы вал моторчика начал вращаться, на вход усилителя необходимо подать высокий уровень напряжения, «1». Не забываем при этом подать разрешающий сигнал на соответствующий вход ENABLE (тут не показан).

Рис. 3. Мотор на Vs.

Теперь подключим моторчик одним выводом к плюсу питания, а вторым к выводу OUTPUT (Рис. 3). Теперь для вращения моторчика второй вывод необходимо включать на «минус». Это включение мы будем производить подачей низкого уровня напряжения «0» на вход INPUT. И опять не забываем подать «1» на нужный вход ENABLE.

Внимательно посмотрим на оба рисунка 2 и 3: для вращения моторчика в одном случае нам необходимо подать высокий уровень («1»), в другом случае — низкий уровень («0»). То есть независимо от исходного сигнала мы можем решить, в каком случае включать мотор.

В этих двух схемах моторчик будет крутиться только в одну сторону. А как же нам заставить его вращаться то в одну, то в другую сторону, ведь для этого нужно менять его выводы местами?!
В таких случаях применяют мостовую схему включения драйверов:

Рис. 4. Мостовая схема включения.

Почему такая схема называется мостовой — видно из картинки (Рис. 4), моторчик включён между двумя выходами двух драйверов, как между берегами рек. Для такой схемы есть более распространённый термин — «Н-мост».
Включив моторчик по такой схеме, можно управлять направлением его вращения, подавая разные комбинации на входы INPUT1 и INPUT2.
Теперь вспомним, что выходы OUTPUT1 и OUTPUT2 могут быть полностью отключены подачей сигнала «0» на вход ENABLE1,2. Значит ножкой ENABLE1,2, можно просто включать и выключать моторчик, независимо от сигналов на ножках INPUT1 и INPUT2. А если включать и выключать очень быстро, то моторчик будет вращаться с разной скоростью, в зависимости от времени «включено» и «выключено». Так мы получим управление скоростью вращения моторчика: подавая ШИМ-сигнал на ножку ENABLE1,2. А такой ШИМ-сигнал можно формировать, например, с помощью микроконтроллера.

На рис. 5 изображена схема подключения двух моторов к L293D, которая позволяет задавать не только направление вращения моторов (то есть возможность «реверса»), но и управлять их скоростью вращения с помощью ШИМ.

Рис. 5. Полнофункциональное управление двумя моторами (направление и скорость).

Используя схему по рис. 5 можно управлять и шаговым мотором. Для этого на место моторчиков подключаются две обмотки шагового мотора. Подавая соответствующие сигналы на ножки INPUT1, INPUT2, INPUT3, INPUT4 заставляют вращаться ротор шаговика.

L293 = Драйвер. Электрические характеристики L293.

Открыв даташит на микросхему L293 в первых же строках можно встретить название «драйвер» (в даташитах отечественных микросхем применяется слово «коммутатор»).

Драйвер (электронное устройство) — электрическая схема, формирующая электрический сигнал с определёнными параметрами (ток, напряжение). Например: драйвер мотора, светодиодный драйвер, драйвер интерфейса.

Обычно говорят, что L293 — это «драйвер моторов», но это не совсем точно. Микросхема L293 может использоваться и с любым другим потребителями: реле, электромагнитами, мощными светодиодами, лампами, или даже как предусилительное устройство для более мощных транзисторов. То есть L293 — это «универсальный драйвер», а что к ней подключить зависит от фантазии мастера.

Не смотря на то, что все электрические параметры микросхемы L293 описаны в даташитах, приведём основные из них ещё раз и с небольшими пояснениями.

Первым делом опишем напряжения питания, подаваемое на ножки Vs и Vss.
Напряжение на ножке Vss используется для питания внутренней логики микросхемы L293. Этим напряжением питаются все усилители тока, логические элементы и блок термозащиты микросхемы L293. Напряжение Vss может находиться в пределах от 4,5 до 7 Вольт (см. Рис 6). Нужно при этом помнить, что сигналы на всех управляющих ножках (INPUT, ENABLE) не должны превышать напряжения питания логической части Vss!

Рис. 6. Схема подачи питания к L293.

На ножку Vs подаётся питание, которое будет подводиться к подключённой нагрузке, это так называемое «силовое», или «тяговое» питание. Уровень этого напряжения Vs всегда всегда должен быть больше или равен напряжению Vss: Vs >= Vss , то есть нельзя допускать, что бы «силовое» напряжение было меньше чем «логическое»!
Подача питания на выводы Vs и Vss может осуществляться и от одного источника. В этом случае питание будет общее для логической части и силовой.
Ток потребления нагрузки от любого выхода (OUTPUT1 — OUTPUT4) может быть максимум 600 миллиампер. Допускается импульсный ток в 1 Ампер на длительность не более 100 микросекунд и паузой между импульсами 200 мкс.

Рис. 7. PDIP-корпус.

Очень часто забывают учитывать максимальную рассеиваемую мощность микросхем. Напомним, допустимая рассеиваемая мощность L293 в корпусе PDIP-16 (рис. 7) — около 2 Ватт. То есть уже на стадии проектирования конструкции с L293 необходимо следить, что бы общая мощность, потребляемая подключённой нагрузкой, не превышала двух Ватт! Общая потребляемая мощность описывается формулой:

Подставив в эту формулу напряжение питания силовой части (Vs) и токи подключённых нагрузок к каждому выходу, то получим формулу для вычисления общей мощности:

Превышение общей мощности даже немного выше 2-ух Ватт ведёт к перегреву L293! Для лучшего охлаждения микросхемы иногда используют небольшой радиатор, прикреплённый к корпусу микросхемы. Так же небольшим радиатором может служить полоска медной фольги печатной платы. Но эти меры позволяют лишь незначительно разгрузить температурный режим микросхемы. Иногда для увеличения мощности включают две L293 параллельно. В любом случае, если расчётная мощность превышает 3 Ватта, то лучше выбрать другую микросхему драйвера, например L298.

LM393: схема включения, аналоги компаратора и datasheet

Микросхема lm393 является удвоенным дифференцированным компаратором от производителя Texas Instruments. У прибора — цельный корпус из пластика. Внутри него расположены 2 операционных усилителя lm393, которые никак не связаны друг с другом. Их основная задача — сравнивать друг с другом все аналоговые сигналы, которые поступают на их входы.

Итогом работы этих элементов является возникновение выходного напряжения, либо, наоборот, его нулевое значение.

Данная статья представляет собой обзор микросхемы, ее технических характеристик, схемы включения lm393 и ее работы на примере обычной настольной лампы.

Компараторы lm393

Изготавливаются в корпусах для поверхностной установки на плату в SO-8. Эта деталь маркируется следующим образом: lm393. Прайс-листы содержат наименование устройства с такими буквами в конце: DR, D.

По данным lm393 datasheet, микросхема может работать и от одинарного, и от двойного источника электропитания. Компаратор включается и начинает функционировать, как только стабильное напряжение подается на его контакты (Gnd и VCC). Сигналы, которые необходимо сравнить, поступают на усилители, оснащенные 3 контактами. Каждый из них обладает двумя входами и одним выходом.

Наибольшие допустимые характеристики lm393

Наибольшие показатели главных величин — таковы:

1. Разброс питающего напряжения — от 0,3 до 36 Вольт.
2. Ток выхода — 20 миллиампер.
3. Диапазон температуры хранения — от -65 до 150 градусов Цельсия.
4. Период задержки — 300 наносекунд.

Но само существование приведенных максимальных параметров не говорит о том, что они допускаются при обычном режиме использования модуля lm393. Небольшие перепады не причиняют вреда устройству, но если хотя бы один из параметров будет серьёзно превышен, прибор не будет правильно работать.

На схеме lm393 — недопустимо выходное короткое замыкание, поскольку от него прибор перегревается и разрушается. В lm393 datasheet на русском содержится ряд рекомендаций. В частности, подключение lm393 к электропитанию с напряжению 30 В, — не желательно. Дело в том, что при нем установленное напряжение сдвига 5мВ уже не достигается.

Чтобы lm393 работала стабильно, должна соблюдаться рабочая температура в диапазоне 0-70 градусов, перегрева быть не должно.

Наибольшая рассеиваемая мощность прибора ограничивается температурным корпусным сопротивлением.

lm393: аналоги

Новым прибором со схожими и усовершенствованными (в области температуры) характеристиками является двойной компаратор lm2903B.

Прибор есть во многих магазинах, правда, цена его значительно выше, чем lm393. Его средняя цена в точках продажи радиодеталей составляет около 90 рублей. Иногда устройство заменяют другими компараторами, например, lm2903, lm293. У них — немного меньшее напряжение и сила тока потребления, а вот другие параметры — почти такие же. Этим и объясняется указание наибольших технических показателей в единственном даташит.

Отечественные аналоги устройства — это два варианта, к1401Са3 и 1040са1. Но в настоящее время их крайне сложно купить. Они год за годом вытеснялись с отечественного рынка иностранными микросхемами.

lm393: включение

Рассмотрев схему подключения устройства, можно понять все этапы его работы. Ее сбор — под силу любому радиолюбителю. Для него понадобится несколько ключевых составляющих:

1. Фотографический резистор.
2. Два резистора с сопротивлением 33 000 и 330 Ом, соответственно.
3. Световой диод
4. 3 батарейки 2А.
5. Потенциометр (1-20 кОм).

В указанной схеме задача компаратора состоит в сверке уровня приходящих сигналов с максимальной величиной, чтобы принимать решения о поступления электропитания на световой диод. А с помощью фотографического резистора можно изготовить небольшую ночную лампу. Ночью он светится, днём — гаснет.

Роль калибратора в данной конструкции принадлежит потенциометру. Он помогает в настройке сопротивления при включении/выключении светового диода в разное время суток. По итогам такого типа настройки становится возможным сравнение опорного электропитания и напряжения делителя, получаемого по линии подключения фотографического резистора и резистора с сопротивлением 33 кОм.

У выхода — более высокое напряжение, за счет которого световой диод гасится. В темное время суток у фотографического резистора — солидное сопротивление, поэтому он получит свою крупную часть нагрузки.

Напряжение, которое посылает резистивный делитель, больше, чем опорное. В итоге, у выхода конструкции оно сохраняется на низком уровне, что приводит к свечению диода.

Как работает схема (примеры)

По указанному принципу составляют датчик освещённости lm393. Это хороший пример взаимодействия lm393 и arduino.

В некоторых магазинах уже продаются уже собранные электронные модули. Их наименование содержит обозначение микросхемы.

Компаратор также используется для создания реле времени. Он является, по сути, усилителем, у которого есть инвертирующий и неинвертирующий входы, цифровой выход. К неинвертирующему входу поступает опорное напряжение, к инвертирующему — изменённое. Если значения сравниваются, у выхода устройства появляется так называемый сигнал «логической единицы».

Реле конструируют следующим образом. Опорное напряжение концентрируется на резисторах. Оно равно 40% этой величины от электропитания. Оно небольшое, поскольку на выходе компараторный транзистор не закрыт, а обратный резистор параллельно подключается к одному из основных.

У инвертирующего входа напряжение приближается к показателю питания, и с изменением заряда конденсатора оно падает. Когда оно достигает значения, меньшего, чем напряжение неинверторного входа, транзистор устройства закрывается.

При отсутствии параллельного соединения резисторов происходит увеличение опорного напряжения на 0,27. Это приводит к появлению гистерезиса lm393. Иными словами, при падении напряжения на конденсаторе, для нового переключения компаратора необходимо падение напряжения именно на эти 0,27 В.

Вычисление гистерезиса

Пересчитайте напряжение делителя при параллельном соединении двух резисторов. Их сопротивление высчитывается следующим образом:

Далее, высчитайте длительное напряжение:

А затем, считаем это напряжение без последнего резистора:

Гистерезисом будет являться разница вычисленных напряжений, равная как раз 0,27 В.

А как быть, если требуется зажигание светодиода строго через конкретный промежуток времени? Тогда поменяйте между собой R2 и R3, C1 и R1.

Рассмотрим все возможные варианты.

Реле (на компараторе) с инверсионным включением

Если питание отключается ненадолго, время считается не с первой минуты, поскольку разрядка конденсатора длится не быстро. Для ее ускорения желательно добавление диода.

Реле lm393 с одним диодом

Когда питание отключается, происходит разрядка конденсатора и питание схемы. Как правило, ток протекает через световой диод. Но чтобы компаратор не подпитывался от конденсатора, нужно добавление ещё одного диода

Реле lm393 с двумя диодами

Когда питание отключается, световой диод не загорается, но при этом конденсатор разряжается не так быстро, через резисторы.

Где еще используется микросхема

lm393 нередко становится основой для создания роботов. Они должны иметь определённую пространственную навигацию для ориентации в окружающей среде.

Система для определения места расположения робота может быть разной, например, GPS, акселерометры, гироскопы. У этих технологий — множество плюсов, но можно воспользоваться и простым доступным скоростным датчиком lm393. Он помогает измерять посредством платы Ардуино такие величины, как расстояние, пройденное роботом, быстроту его передвижения, поворотный угол. Зная эти характеристики, можно не опасаться за последствия передвижения робота.

Скоростной датчик lm393

В устройство входит интегрированный инфракрасный датчик скорости lm393 и микросхема компаратора. Он дополняется сетчатой градуированной пластиной, которую монтируют на крутящейся двигательной оси.

Устанавливать такие датчики — не совсем просто. Они монтируются не только на двигатели с осями, которые выступают по обеим сторонам. К одной стороне крепится колесо, к другой — сетчатая пластина.

Это крепление означает, что пластина с колесом находятся на одной и той же оси, а скорость их кручения — одинакова. А именно, при измерении скорости кручения пластины можно узнать этот показатель и для колеса.

Устанавливая, нужно удостовериться в попадании делений пластины в сферу работы инфракрасного датчика. Только по нему видно количество отверстий, проходящих сквозь него. Механическая часть датчика может быть устроена по-разному, в зависимости от желания радиолюбителя, при соблюдении основных условий.

Например, у градуированной пластины — 20 слотов. Значит, в период полноценного вращения колеса, с помощью инфракрасного датчика определяется 20 пропусков. Такие датчики устанавливаются на 2 колеса робота, поэтому его поворотный угол можно определить, правда, с погрешностью. Для повышения точности определения этой величины добавляют гироскоп.

Микросхема задействована еще в множестве устройств, например, микрофоном усилителе lm393.

Аккумулятор

Конструкция пригодится и автолюбителям. Ведь заряд каждой батареи очень важно поддерживать. Этот элемент имеет своё предельное напряжение. Если разрядит его ниже, батарея утратит значительную ёмкость, а значит, не будет выдавать ток нужной силы. Иными словами, придётся его утилизировать и приобретать другой.

Так вот, если вашем авто, мотоцикле или скутере — кислотно-свинцовый 12-вольтный аккумулятор, на основе lm293 можно собрать несложный идентификатор напряжения.

Схема с заданным номиналом сообщит вам об уровне напряжения на выводах аккумулятора с помощью 3 световых диодов. У них могут быть любые цвета, главное, чтобы они были яркими и ассоциативными.

Например, при загорании зеленого цвета напряжение аккумулятора находится на нормальном уровне, до 13 В, белого — выше этого значения, красного — около 11 В, когда батарею необходимо немедленно подзарядить.

Такой идентификатор потребляет не много токо, всего около 15 мА. В область разрыва можно установить тактовую кнопку, после чего батарея проверяется с помощью ее нажатия и выдаваемого света.

Главное — защитить плату от попадания воды и установить на АКБ.

Микросхема

Самая основная деталь в выбранной конструкции — микросхема. Это может быть как LM358, так и рассматриваемая LM393, а в ее центре есть 2 треугольных компаратора. Они работают по своему основному принципу, который мы описали в начале статьи.

В цепи присутствует и стабилитрон с обратным подключением. Анод подключён к участку со знаком «-«, катод — «+». Существует определённое значение тока, при котором он стабильно работает. Это значение различается для стабилитронов разных мощностей. Ток можно регулировать с помощью резистора.

Схема не обходится без делителя напряжения, в который входят 3 резистора с разными значениями. Каждый из них может подавать напряжение на инвертирующий выход.

Изготовители

Как правило, у каждого производителя — свой datasheet. Помимо основной компании, которая уже была названа, устройство выпускают ON Semiconductor и ST Microelectronics.

Имея в арсенале простейшую микросхему lm393, которую можно купить на Алиэкспресс (по ссылке) , в любом другом интернет-магазине или супермаркете радиоэлектроники, вы сможете увеличить срок службы многих электронных устройств.

Lm293 схема включения как работает

The LM393 series are dual independent precision voltage comparators capable of single or split supply operation. These devices are designed to permit a common mode range−to−ground level with single supply operation. Input offset voltage specifications as low as 2.0 mV make this device an excellent selection for many applications in consumer, automotive, and industrial electronics.

Features
1. Wide Single−Supply Range: 2.0 Vdc to 36 Vdc
2. Split−Supply Range: ±1.0 Vdc to ±18 Vdc
3. Very Low Current Drain Independent of Supply Voltage: 0.4 mA
4. Low Input Bias Current: 25 nA
5. Low Input Offset Current: 5.0 nA
6.Low Input Offset Voltage: 5.0 mV (max) LM293/393

Компараторы, как они работают.

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как известно напряжение на выходе ОУ UВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения UД (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению КU

Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при UПИТ = 15 В, КU = 105, UД ≈ 150 мкВ). С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь

(ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже

Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом

по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.

Гистерезис в компараторах

Продолжаем серию статей, посвященных компараторам в измерительных приборах НПФ КонтрАвт. Ранее мы дали определение компараторам и привели основные функции компараторов.

В данной статье мы разберем для чего в компараторах вводят гистерезис.

В нашей первой статье мы упомянули, что в области порогов h и H в поведении компаратора может наблюдаться гистерезис и состояние выхода компаратора в этом случае зависит не только от соотношения измеренного сигнала и порогов, но и от предшествующей истории, т.е. от того, каким путем измеренный сигнал приближается к порогам.

Рисунок 1. Пример функции компаратора

Для чего же вводят гистерезис в компараторы?

Зачем нужен гистерезис в компараторах

Причина № 1

Как правило, измеренный сигнал имеет как регулярную составляющую (постоянную или плавно меняющуюся), так и случайную, вызванную действием внешних случайных электромагнитных помех.

В отсутствие гистерезиса (или при слишком малой величине его зоны), при подходе измеренного сигнала к пороговому значению случайная компонента вызывает многократное срабатывание компаратора, что нежелательно в системе (обгорание и износ контактов пускателя, хаотические срабатывания различных устройств и проч.).

Рисунок 2. Работа компаратора без гистерезиса

Однако, если выбрать зону гистерезиса (H-h) чуть больше, чем размах случайных изменений измеренного сигнала, то компаратор будет срабатывать только один раз, повторных возвратов в исходное состояние не будет. Таким образом, исключаются случайные срабатывания компаратора, его состояния фиксируются более четко.

Рисунок 3. Работа компаратора с оптимальной зоной гистерезиса

На практике с этим чаще всего сталкиваются в системах сигнализации и регулирования.

В задаче сигнализации отсутствие гистерезиса приводит к многократному срабатыванию сигнализации вблизи порога (см. рисунок 2). Если сигнализация управляет смежными устройствами и системами, то ложные и частые срабатывания будут крайне нежелательны. Кроме того, они вводят в заблуждение оператора. Наличие гистерезиса с оптимальной зоной обеспечивает однозначное срабатывание сигнализации (cм. рисунок 3).

В задачах позиционного регулирования гистерезис предотвращает частое и хаотическое переключение силового коммутационного элемента при переходе через уставку за счет шумоподобного изменения измеренного сигнала (рисунок 2). В случае больших мощностей это негативно сказывается как на электросети, так и на работе электромагнитных пускателей (обгорание контактов, износ, залипание контактов, неуправляемый нагрев, сокращение ресурса и т.п.) Наличие гистерезиса также делает переключение более четким (cм. рисунок 3).

Причина № 2

Существует и другая причина, по которой следует применять гистерезис в системах двухпозиционного регулирования.

Свойства системы могут быть таковы, что период срабатывания позиционного регулятора будет слишком малым. Это (так же как и влияние помех) приводит к частому срабатыванию коммутационных элементов с названными ранее последствиями.

В этих случаях специально увеличивают зону гистерезиса, чтобы увеличить период переключения. Однако, надо учитывать, что увеличение зоны гистерезиса ( > 0 + зона гистерезиса) неизбежно приводит к увеличению размаха колебаний, ухудшает точность регулирования. В таких ситуациях вопрос выбора величины зоны гистерезиса — это вопрос компромисса между точностью регулирования и повышением надежности и ресурса системы.

Рисунок 4. Пример увеличения периода переключения компаратора гистерезисом

Причина № 3

Существует ряд производственных задач, в которых введение гистерезиса в работу компаратора позволяет реализовать логику работы системы управления.

Например, в системах водоснабжениями (типа “Башня Рожновского”) точность вообще не играет ключевой роли, важно, что исполнительный механизм — насос — “не любит” частого включения/выключения.

При этом накопитель позволяет реализовать необходимое редкое включение/выключение насоса с помощью гистерезиса.

Рис 5. Пример использования гистерезиса в системах с накопителем

Выводы:

Таким образом, введение гистерезиса в компараторах необходимо в следующих случаях:

1. Для устранения многократного срабатывания компаратора под действием быстрых случайных помех, как следствие устранения хаотических срабатываний различных устройств в системе, увеличение ресурса коммутационных и исполнительных устройств.
2. Преднамеренное увеличение периода переключения компаратора в задачах позиционного регулирования. Обеспечивает увеличение ресурса и надежности системы, но ухудшается точность регулирования.
3. Для реализация различных алгоритмов работы систем автоматики.

В следующих публикациях мы подробнее разберем прочие особенности работы компараторов. Следите за обновлениями материалов!

Основные схемы компаратора

Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю

, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор
сравнивает два напряжения с учётом знака
. Расссмотрим обе схемы подробнее.
Схема одновходового компаратора.
На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению

Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2

Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.

Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже

Схема двухвходового компаратора.

В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.

Компараторы применяются в широком спектре схем:

1. Триггеры Шмитта и в схемах формирования сигнала, преобразующих сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал.
2. Детекторы уровня – схемы, в которых происходит индицирование момента достижения входным сигналом заданного уровня опорного напряжения.
3. Генераторы импульсных сигналов, например, треугольной или прямоугольной формы.

При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.

Компараторы National Semiconductor

Очень часто нужно сравнить два сигнала по величине. В некоторых случаях необходимо зафиксировать момент, когда сигнал достигнет определенного значения. Для этих задач многие фирмы выпускают аналоговые компараторы. Без них не обходится ни один АЦП и ЦАП, ни один генератор пилообразных колебаний. В каждом цифровом вольтметре или другом измерительном приборе обязательно присутствует компаратор напряжения. Термин «компаратор» произошел от английского слова «compare» — сравнивать. Проще говоря, компаратор — это прибор для сравнения двух или нескольких напряжений с определенной точностью и выдачи результата с минимальной задержкой.

В качестве компаратора можно использовать дифференциальный (операционный) усилитель с очень большим коэффициентом усиления разностного сигнала. В зависимости от знака разности напряжений на входе дифференциального усилителя его выход оказывается в положительном или отрицательном насыщении. Раньше обычные ОУ использовали в качестве компараторов, но сейчас такой способ практически не используют, поскольку многие производители выпускают специализированные микросхемы для этой цели. Эти кристаллы имеют очень высокое быстродействие, но при повышении быстродействия компаратора приходится принимать меры для предотвращения глубокого насыщения транзисторов, работающих в ключевом режиме. Этого добиваются минимизацией паразитных емкостей и сопротивлений, ограничивающих скорость нарастания сигналов. К сожалению, уменьшение времени задержки связано с увеличением потребляемой мощности. Как правило, быстродействующие компараторы уступают прецизионным по точности сравнения.

Прецизионные компараторы отличаются от других классов компараторов повышенной точностью сравнения и стабильностью характеристик. Это достигается путем уменьшения входных токов смещения и существенного увеличения коэффициента усиления. Улучшение параметров точности обычно достигается ценой снижения быстродействия компараторов.

Выходные каскады компараторов в большинстве случаев оптимизированы для сопряжения с определенными логическими сериями (особенно это важно для микросхем с очень высоким быстродействием) или имеют открытый коллектор (открытый сток) для расширения возможностей разработчика. Компаратор также можно рассматривать в качестве аналогового коммутатора, который переключает уровни выходного напряжения, когда непрерывный входной сигнал становится выше или ниже заданного уровня.

Компания National Semiconductor выпускает широкую номенклатуру компараторов: скоростных (High-Speed) и c низким потреблением (Low-Power Comparators). Современные скоростные компараторы уже перешли наносекундный диапазон. Например, новые LMH7322 имеют задержку распространения* всего 700 пикосекунд. Необходимо отметить, что задержка распространения сильно зависит от величины перепада напряжения на входах компаратора, поэтому нужно всегда тщательно изучать графики, приводимые производителем в своей документации (datasheets). Это проиллюстрировано на рисунке 1 на примере широко распространенного компаратора LM319.

Рис. 1. Зависимость задержки распространения от Uвх в компараторе LM319

Из рисунка 1 хорошо видно, что задержка распространения сигнала зависит от величины перепада и от направления перехода входного напряжения. Время задержки значительно меньше при перепаде на входе от высокого уровня к низкому.

Основные параметры компараторов National Semiconductor приведены в таблице 1.

Таблица 1. Компараторы National Semiconductor

Наимено- вание	Кол- во кана- лов	Свойства	Iпотр. на ка- нал, мкА	Uпит., В	Uсмещ.(макс), мВ	Конфиг. выхода	CMVR*, B	Задерж ка сигна- ла, мкс	Корпус (а)
Скоростные компараторы (High-Speed Comparators)
LMH7322 (New)	2	700 пс задержка сигнала распрост- ранения	30 мА	2,7…12	8	RSPECL **	—	0,0007	LLP-24
LMH7220 (New)	1	2,5 нс, питание 2,7…12 В, LVDS выход	8,2 мА	2,7…12	9	LVDS	-0,2…10	0,0025	SC70-6, SOT23-6
LMV7219	1	7 нс, питание 2,7…5В, rail-to-rail выход	1,1 мА	2,7…5	6	Push- Pull	-0,2…3,8	0,007	SC70-5, SOT23-5
LMV7235(New)	1	45 нс, ultra-low power, rail-to-rail выход	65	2,7…5	6	Откры- тый сток	-0,2…5,2	0,045	SC70-5, SOT23-5
LMV7239 (New)	1	45 нс, ultra-low power, rail-to-rail выход	65	2,7…5	6	Push- Pull	-0,2…5,2	0,045	SC70-5, SOT23-5
LM161	1	скорост- ной диф ференци- альный компар.	13 мА	11…32	1	Диф- ференц.	20…23	0,014	TO5-10
LM361	1	скорост- ной диф ференци- альный компар.	13 мА	11…32	1	Диф- ференц.	20…23	0,014	MDIP-14, SOIC-14, TO5-10
LM119	2	скорост- ной сдвоен- ный компара- тор	4 мА	5…36	4	Откры- тый колл.	8…33	0,08	CERDIP-14, CERPAK-10, LCC-20, TO5-10
LM219	2	скорост- ной сдвоен- ный компара- тор	4 мА	5…36	4	Откры- тый колл.	8…33	0,08	CERDIP-14, CERPAK-10, LCC-20, TO5-10
LM319	2	скорост- ной сдвоен- ный компара- тор	4 мА	5…36	1,8	Откры- тый колл.	7…34	0,08	MDIP-14, SOIC-14, TO5-10
Компараторы с низким потреблением (Low-power Comparators)
LPV7215 (New)	1	микро- мощный, rai-to-rail вход/ выход	0,61	1,8…5	3	Push- Pull	0…5,0	6,6	SOT-23, SC70-5
LMC7215	1	потребле- ние < 1 мкА, rail-to-rail вход	0,7	2…8	6	Push- Pull	-0,2…5,2	12	SOIC-8, SOT23-5
LMC7225	1	потребле- ние < 1 мкА, rail-to-rail вход	0,7	2…8	6	Откры- тый сток	-0,3…5,3	12	SOT23-5
LMC6762	2	микро- мощный, rai-to-rail вход	6	2,7…15	5; 15	Push- Pull	-0,3…5,3	4	SOIC-8
LMC6772	2	микро- мощный, rai-to-rail вход	6	2,7…15	5; 15	Откры- тый сток	-0,3…5,3	4	SOIC-8, MSOP-8, MDIP-8
LMC7211	1	микро- мощный, rai-to-rail вход	7	2,7…15	5; 15	Push- Pull	-0,3…5,3	4	SOIC-8, SOT23-5
LMC7221	1	микро- мощный, rai-to-rail вход	7	2,7…15	5; 15	Откры- тый сток	-0,1…2,8	4	SOIC-8, SOT23-5
LMV7271/ 72	1/2	питание от 1,8 В, rail-to-rail вход	10	1,8…5	4	Push- Pull	-0,1…2,8	0,88	micro SMD-5, SOT23-5, SC70-5
LMV7275	1	питание от 1,8 В, rail-to-rail вход	10	1,8…5	4	Откры- тый сток	-0,1…2,8	0,88	SC70-5, SOT23-5
LMV7291	1	питание от 1,8 В, rail-to-rail вход	10	1,8…5	4	Push- Pull	0…3,5	0,88	SC70-5
LP339	4	микро- мощный, 4 в одном корпусе	15	2…36	5	Откры- тый колл.	-0,1…4,2	8	SOIC-14, MDIP-14
LMV393	2	микро- мощный, общего примене- ния	43	2,7…5	7	Откры- тый колл.	-0,1…4,2	0,6	SOIC-8, MSOP-8
LMV339	4	низко- вольтный, общего примене- ния	50	2,7…5	7	Откры- тый колл.	-0,1…4,2	0,6	SOIC-14, TSSOP-14
LMV331	1	низко- вольтный, общего примене- ния	60	2,7…5	7	Откры- тый колл.	2…34,5	0,6	SC70-5, SOT23-5
LM2903	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	7	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8
LM293	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	TO5-8
LM393	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	5	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8, TO5-8
LM193	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	CERDIP-8, TO5-8
LM139	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34	0,5	CERDIP-14, CERPAK, CERPAK-14, LCC-20
LM239	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34	0,5	CERDIP-14
LM2901	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	7	Откры- тый колл.	2…34	0,5	MDIP-14, SOIC-14
LM3302	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…28	20	Откры- тый колл.	2…26	0,5	MDIP-14
LM339	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34	0,5	CERDIP-14, MDIP-14, SOIC-14
LMV761	1	прецизи- онный, низко- вольтный	225	2,7…5	1	Push- Pull	-0,3…3,8	0,12	SOIC-8, SOT23-6
LMV762	2	прецизи- онный, низко- вольтный	275	2,7…5	1	Push- Pull	-0,3…3,8	0,12	SOIC-8, MSOP-8
LM397	1	компара- тор общего примене- ния	250	5…30	7	Откры- тый колл.	5…28,5	0,25	SOT23-5
LM392	1	низкое потреб- ление	500	3…32	5	Push- Pull	3…30	1,5	MDIP-8, SOIC-8
LM6511	1	время установ- ления 180 нс	2,7 мА	2,7…36	5	Откры- тый колл.	3,2…34,75	0,18	SOIC-8
LM111	1	компара- тор общего примене- ния	5,1 мА	5…36	3	Откры- тый колл.	0,5…34	0,2	CERDIP-8/14, CERPAK, CERPAK-10, LCC-20
LM211	1	компара- тор общего примене- ния	5,1 мА	5…36	3	Откры- тый колл.	0,5…34	0,2	TO5-8
LM311	1	компара- тор общего примене- ния	5,1 мА	5…36	7,5	Откры- тый колл.	0,5…35	0,2	MDIP-8

*CMVR — Common-Mode Voltage Range (диапазон допустимого синфазного напряжения на входах) **RSPECL — положительная эмиттерно-связанная логика с малым размахом сигнала

Скоростные компараторы National Semiconductor

Среди последних новинок особого внимания достоин скоростной сдвоенный компаратор LMH7322. Он имеет самое низкое потребление энергии (типовое значение 21 мА). Задержка распространения сигнала составляет менее одной наносекунды (700 пс) при работе на логические микросхемы RSPECL (положительная эмиттерно-связанная логика с малой амплитудой сигнала). Этот компаратор является усовершенствованием компаратора LMH7220 с низковольтным дифференциальным выходом LVDS. В конце 2007 года компания National Semiconductor планирует начать поставку образцов счетверенного компаратора с параметрами, близкими к LMH7322. Раздельное питание входных и выходных цепей LMH7322 позволяет легко согласовать входные и выходные сигналы разных частей устройства, не используя специализированные микросхемы для сдвига уровней. Кроме того, LMH7322 допускает отрицательное напряжение на входе до -6 В при однополярном напряжении питания до 12 В.

Время нарастания и спада сигнала LMH7322 составляет 160 пс.

Рис. 2. Допустимые диапазоны входных напряжений LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей

На рисунке 2 показаны допустимые входные диапазоны напряжений для LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей.

Рис. 3. LMH7322. Схема преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этого компаратора

На рисунке 3 приведены рекомендуемые производителем схемы включения скоростного компаратора LMH7322 для преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этой микросхемы.

К длительности задержки распространения компаратора LMH7322 необходимо относиться очень внимательно, так как этот параметр зависит от окружающей температуры и напряжения питания, и в худших случаях может доходить до 1050 пс. Эти факторы разработчик должен обязательно учитывать, если проектируемая аппаратура предназначена для работы в широком диапазоне температур и напряжений питания. Упомянутые зависимости приведены на рисунке 4. Интересно отметить, что при низкой рабочей температуре задержка распространения минимальна и приближается к значению 650 пс.

Рис. 4. Зависимости длительности задержки компаратора LMH7322 от напряжения питания и температуры

Типовое применение и основные параметры компаратора LMH7220 (предшественника LMH7322) приведены на рисунке 5. Выход LVDS этого компаратора обеспечивает уровень сигнала 325 мВ для передачи по симметричной линии с волновым сопротивлением 100 Ом. Этим обеспечивается малая чувствительность к шумам и электромагнитным помехам. Выходной сигнал с уровнями LVDS минимизирует потребление энергии по сравнению с выходом эмиттерно-связанной логики (ECL). Благодаря характеристикам выходного каскада потребление энергии остается очень малым даже при увеличении скорости передачи данных.

Рис. 5. Типовое применение скоростного компаратора LMH7320 с выходом LVDS и низким потреблением

В этой статье уже отмечалось, что с ростом быстродействия увеличивается и потребляемая мощность. Однако, в линейке скоростных компараторов National Semiconductor есть LMV7235 и LMV7239 с током потребления всего 65 мкА (ultra-low power, по определению производителя) при задержке распространения сигнала 45 нс (см. таблицу 1). Эти компараторы отличаются только типом выходного каскада. LMV7235 имеет выход с открытым стоком, а у LMV7239 выход построен по схеме Push-Pull. Чтобы не быть голословным, проиллюстрируем зависимость тока потребления LMV7235 и LMV7239 рисунком 6, взятым из документации производителя. В худшем случае при напряжении 1,5 В ток потребления не превышает 30 мкА.

Рис. 6. Зависимость тока потребления от напряжения питания и температуры для быстродействующих компараторов LMV7235 и LMV7239 с низким потреблением и задержкой распространения 45 нс

National Semiconductor рекомендует использовать компараторы LMV7239 для схем кварцевых генераторов и приемников импульсов инфракрасного излучения, основываясь на их высоком быстродействии и низком потреблении. Примеры реализации этих схем приведены на рисунке 7.

Рис. 7. Кварцевый генератор и приемник импульсов инфракрасного излучения, выполненные на основе LMV7239

В документации производителя есть еще несколько интересных решений на описанных выше микросхемах. Заинтересованный читатель без труда найдет их на сайте National Semiconductor: www.national.com.

Компараторы National Semiconductor с низким потреблением

Широкое распространение техники с автономным питанием стимулирует производителей к выпуску электронных компонентов с низким потреблением энергии. В перечне выпускаемых микросхем компании National Semiconductor есть компараторы с минимальным напряжением питания (всего 1,8 В). Они имеют Rail-to-Rail вход и выход, а потребляемый ток находится в пределах 600 — 800 нА во всем диапазоне напряжений питания. Речь, конечно, идет о новых компараторах LPV7215. Производитель указывает задержку распространения для этой микросхемы 6,6 мкс. Но ранее в статье уже было отмечено, что, измеряя этот параметр, необходимо учитывать величину перепада напряжения на входах, температурный режим и напряжение питания. Для полной точности нужно еще учитывать и направление перепада напряжения на входе компаратора (с высокого уровня на низкий и наоборот). В своей документации National Semiconductor приводит все эти зависимости. Некоторые из них для компараторов LPV7215 показаны на рисунке 8.

Рис. 8. Зависимости тока потребления от напряжения питания и температуры, задержки переключения от перепада напряжения на входе для микромощного компаратора LPV7215

Популярные компараторы LM311 (LM211, LM111), которые выпускаются уже в течение многих лет, производитель относит к компараторам с низким потреблением, хотя при изучении таблицы 1 это представляется спорным. Но, учитывая огромную популярность этих микросхем, National Semiconductor до сих пор продолжает их выпускать. Больший интерес для разработчика могут представлять сдвоенные компараторы LM393 (LM293, LM193). Они имеют расширенный диапазон напряжений питания от 2 до 36 В, низкое напряжение смещения, низкий ток потребления при более высокой точности по сравнению с LM311. Но задержка распространения у LM393 больше и составляет около 0,4 мкс.

Отдельного внимания заслуживает прецизионные низковольтные компараторы LMV761 (одиночный) и LMV762 (сдвоенный) с диапазоном напряжений питания от 2,7 до 5 В. Они характеризуются высокой точностью при относительно высоком быстродействии. Основные параметры этих микросхем приведены на рисунке 9.

Рис. 9. Основные параметры и зависимости напряжения смещения LMV761 и LMV762 от напряжения смещения и температуры

Вся информация для статьи взята с сайта производителя: https://www.national.com/.

По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ. e-mail: [email protected]

Универсальный контроллер питания для мобильных приложений

LP3910 от National Semiconductor — это гибкое решение для создания универсального модуля питания (PMU — Power Management Unit), которое содержит в себе интегрированный повышающе- понижающий преобразователь и несколько различных регуляторов напряжения. Помимо этого, LP3910 имеет два отдельных входа для питания устройства и зарядки батарей от шины USB или сетевого адаптера.

Интегрированный контроллер заряда поддерживает автоматическое переключение источников энергии. Наличие интерфейса I2C позволяет разработчикам изменять электрические характеристики и режимы системы питания, такие как значения выходных напряжений и варианты переключения источников питания под конкретное приложение.

В портативных устройствах, где используется питание 3,3 В, повышающе- понижающий преобразователь позволит продлить время работы от батарей. Li-Ion аккумулятор, как самый популярный выбор для питания мобильных приложений, как правило, имеет диапазон рабочих напряжений от 2,9 до 4,2 В. Когда аккумулятор заряжен, конвертер понижает напряжение до необходимого значения. Когда аккумулятор разряжен до значения менее 3,3 В, преобразователь повышает напряжение. Технически это позволяет увеличить время работы устройства от батареи на 10%, по сравнению с обычным понижающим преобразователем.

Программируемый контроллер питания LP3910, доступный в 48-выводном корпусе LLP размером 6х6 мм, содержит 4-канальный 8-битный АЦП для контроля аккумулятора и двух внешних источников питания. Для приложений, не использующих Flash-память или жесткий диск, National Semiconductor выпустила модификацию LP3913 с такими же функциями, что и у LP3910, но без повышающе- понижающего преобразователя, который заменен только на понижающий, с максимальным рабочим током до 500 мА.

Наши информационные каналы

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.