Компаратор LM393

Прошло почти два года с тех пор, как я пытался приручить операционный усилитель УД708 для сравнения двух сигналов. Знаний тогда было мало, поэтому времени уходило много, а главное — еще и безрезультатно. Но в итоге для своей задачи я смог «договориться» с компаратором LM393N. А на днях перебирал поделку, в которой впервые использовал эту микросхему, и решил вспомнить, как работает компаратор. Заодно и другим рассказать.
Компаратор — это устройство, сравнивающее два аналоговых сигнала. В самом простом случае — операционный усилитель без обратных связей. На входы ему подаются два напряжения — эталонное, оно же опорное (известно заранее) и измеряемое. На выходе возможны два состояния:

«1» — когда напряжение на прямом входе больше, чем на инвертирующем;
«0» — когда напряжение на прямом входе меньше, чем на инвертирующем.

Некоторые компараторы самостоятельно формируют уровни логических нуля и единицы (например, «ноль» — это ноль, «единица» — плюс пять вольт), но LM393 — с открытым коллектором. Ей для создания выходного напряжения нужен внешний резистор, подключающийся либо к «плюсу» питания, либо к другому «плюсу» (в разумных пределах, конечно).

Первые две схемы — каноничное включение нагрузки под открытый коллектор. Я подключал внешний резистор к питающему «плюсу».

Включение 1

443221
В корпусе микросхемы содержатся два компаратора.
IN (-) — инвертирующий вход, IN (+) — прямой. Сейчас делитель подключен на инвертирующий вход, измеряемое напряжение — на прямой.
R1 и R2 — резистивный делитель, с которого идет опорное напряжение.
R3 — внешний резистор. Я для экспериментов взял 1 кОм.
R4 — токоограничивающий резистор для светодиода. Для другой нагрузки (например, обмотки реле) он может оказаться ненужным.

DSCN5888 DSCN5889
Питание — 9 вольт. С делителя (желтый провод) идут 6 вольт. Синий провод (измеряемое напряжение) идет к потенциометру ручной регулировки.
хемы на фотографиях могут несколько отличаться друг от друга — было две серии экспериментов).

DSCN5905
Напряжение на прямом входе (0 В) меньше, чем напряжение на инвертирующем (6 В). Компаратор выдает «ноль».

DSCN5906
Напряжение на прямом входе (6,14 В) стало больше, чем на инвертирующем. Компаратор «перещелкнулся» на «единицу», светодиод включился.

Где можно применить: индикатор закипания охлаждающей жидкости.

017856
Опорное напряжение задается равным напряжению, которое выдает датчик температуры при ста градусах.

Включение 2

44323
Измеряемое напряжение подается на инвертирующий вход, опорное — на прямой.

DSCN5907 DSCN5908
Пока напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на прямом, компаратор выдает «единицу», и светодиод горит. В противном случае — «ноль».

Где можно применить: индикатор низкого давления масла.

064010
Опорное напряжение задается равным напряжению, которое выдает датчик давления при критически низком давлении в системе.

Индикатор «топливо на исходе».

full_03483
Опорное напряжение задается равным напряжению, которое выдает датчик уровня при малом остатке топлива в баке.

Индикатор разряда батареи. Здесь опорное напряжение лучше создать стабилитроном, а измеряемое подавать через делитель. Очень хорошо об этом написано здесь. Такую железяку я собирал — работает.

И еще две схемы — неканоничное включение нагрузки: светодиод через резистор подключается непосредственно к выходу компаратора. В этом случае логика его работы обратна.

«0» — когда напряжение на прямом входе больше, чем на инвертирующем;
«1» — когда напряжение на прямом входе меньше, чем на инвертирующем.

Включение 3

11
Опорное напряжение — на инвертирующем входе, измеряемое — на прямом.

DSCN5893 DSCN5894
Напряжение на прямом входе меньше, чем на инвертирующем — светодиод горит. В противном случае — нет.

Включение 4

22
Измеряемое напряжение подается на инвертирующий вход, опорное — на прямой.

DSCN5898 DSCN5897
Пока напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на прямом, компаратор выдает «ноль», и светодиод не горит. Иначе — «единица».

Вообще, лучше, конечно, пользоваться первыми двумя общепринятыми схемами, чтобы не было путаницы.

2314567890
Еще один важный момент — подключение нагрузки (светодиода) к другому напряжению (как мог, изобразил 24 вольта). Справедливо для любого из ранее изображенных включений.

О нагрузке. В даташите о максимальном токе коллектора сказано, что больше 6-20 мА микросхема не выдаст. То есть включить один светодиод — не проблема, а вот что побольше…

DSCN5911
Кусок светодиодной ленты, подключенный прямо к выходу компаратора (по третьей или четвертой схеме, без резистора R3) светил слабо (1 мА). Пришлось поддать напряжения до 12 вольт, и тогда ток коллектора вырос до 14 мА. При подключении ленты напрямую к блоку питания — 32 мА. Таким образом, как ни крути, а максимум, что можно получить конкретно от этой LM-ки — 14 мА.

Вывод — что-то прожорливое есть смысл пускать через транзистор, загнанный в ключевой режим. При этом каскаду с общим эмиттером, инвертирующему сигнал, как нельзя лучше подойдет третья или четвертая схемы включения. Ведь если сигнал инвертировать дважды — получится опять исходный сигнал.
Например, на прямом входе компаратора «единица» (по привычной логике — на прямом входе напряжение больше, чем на инвертирующем). Третья схема сделает из нее «ноль» на выходе. А каскад с общим эмиттером, «перевернув» этот «ноль», опять даст «единицу».

2221212
Стрелка цепляется к выходу компаратора (R1 — это R3 из предыдущей схемы). R2, возможно, придется подобрать: если он будет слишком маленьким, то транзистор может сгореть, а если слишком большим — не откроется (можно попробовать 4,7 кОм). При подаче «единицы» в базе транзистора должно быть примерно 0,7 В (для кремния). К R3 тоже есть вопросы, но слишком малым и он не должен быть.

Модель 1
Моделирование. Когда на входе «ноль» (а «ноль» третьей и четвертой схемы — это в нормальном включении «единица»), то на выходе — «единица», светодиод работает. С чего начали, к тому и пришли — «единица» опять стала сама собой.

Модель 2
Теперь, когда на входе «единица», то на выходе «ноль». Вот она, знаменитая инверсия каскада с общим эмиттером!

А если включать нагрузку в коллектор транзистора, то «единицы» и «нули» по входу и выходу будут совпадать.
В общем, простор для творчества — колоссальный.

Запись опубликована в рубрике Электроника с метками . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

16 отзывов на “Компаратор LM393

  1. Константин:

    Все хорошо описано. А я пытался повторить с несколько иными напряжениями, но на выходе никак не получаются «чистый 0» и «чистая 1». И на напряжение с делителя (на IN1) никак не реагирует.

  2. Leo:

    Включение 1
    Напряжение на прямом входе (0 В) меньше, чем напряжение на инвертирующем (6 В). Компаратор выдает «ноль».
    Напряжение на прямом входе (6,14 В) стало больше, чем на инвертирующем. Компаратор «перещелкнулся» на «единицу», светодиод включился.

    Включение 2
    Пока напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на прямом, компаратор выдает «единицу», и светодиод горит. В противном случае — «ноль».

    Странно как-то написано…. Где разница 1го и 2го включения…

    • Разница в том, какой вход считается эталонным, где напряжение постоянно и относительно чего компаратору принимать решение.
      По даташитам все-таки более правильны включения 1 и 2, потому что открытый коллектор, который, совершенно верно, и нуждается в подтягивающем резисторе. Без него схема вырождается во включения 3 и 4.

  3. Leo:

    Кстати Включение 3 и 4 более правильное, так как эффективнее, в плане потребления схемой тока. Когда Включение 3 и 4, то R3 можно 10 кОм ставить.

  4. Leo:

    Блин тоже не правильно выразился…
    на схемах 3 и 4 лучше наверное оставить подтягивающий резистор к плюсу питания примерно около 10 кОм.

  5. Олег:

    1 Какая полярность входного сигнала (конт 3) относительно земли (конт 4)?
    2 Скачкообразный переход из «1» в «0» и наоборот обеспечивается внутреннй схемой?
    Спасза ответ.

  6. Adam:

    Leo прав на счет энергозатрат.Схемы 3 и 4 -это канон.

    • Позвольте упереться рогом. Схемы 1 и 2 приведены в даташите на микросхему, резистор только равен 3 кОм. Схемы 3 и 4 получились у меня от незнания принципа работы каскада с открытым коллектором.

  7. Александр:

    Всё доходчиво в принципе,но вот вопрос,если на выходе компаратора стоит транзистор обратной проводимости с открытым коллектором к нему можно подключить например управляющий вывод ne555 и управлять частотой гениратора (ну или просто мультивибратора)с любого источника,будь то фото или сравнение напряжения и всё что угодно,и то что она в одном корпусе имеет два компаратора,модно даже организовать выход управляющего напряжения с двух независимых друг от друга датчиков?

  8. как добиться переключения при минимальном изменении входного напряжения при одно полярном подключении компаратора. Сколько это в милливольтах?

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s