Двупрагови компаратори и техните приложения
Компараторите се използват широко в различни устройства за автоматизация и телемеханика. Но когато ги използвате, има едно "но".
Много радиолюбители познават така наречения "ефект на задействане" при прага на работа на термично реле, фото реле, автоматично зарядно устройство и др. Устройството може да работи нормално десетки пъти, но понякога идва такъв неприятен момент, когато изпълнителното реле се включва, веднага се изключва, включва отново и т.н. Такова явление може да се прояви доста дълго време - контактите на релето "изгарят", а ресурсът на релето не е неограничен. Ако във веригата се използват тиристори, тогава при често включване и изключване те могат да се нагреят и да се повредят, давайки много хармоници към захранващата мрежа.
В младостта си повторих много вериги от списанието Radio, построени с помощта на компаратори. В повечето от тези схеми "ефектът на задействане" беше очевиден. От 2000 г. не повторих нищо друго и се заех с независим дизайн. За да елиминирам "ефекта на задействане" в схеми, базирани на конвенционални компаратори, използвах двупрагови компаратори (т.е. такива компаратори, чиито прагове на преход от състояние на положително насищане към състояние на отрицателно насищане и обратно се различават един от друг с малко количество).
На фиг. 1а, фиг. 16 показва схеми на температурни регулатори, в които се използват двупрагови компаратори. Температурната разлика между включване и изключване на релето K1 (фиг. 1а) се избира чрез избиране на съпротивлението на резистора r 2; включване и изключване на тринистора срещу 1 (фиг. 16), като изберете съпротивлението на резистора r 2.
За дълго време се успокоих (изглежда, че няма по-прости компаратори, отколкото разработихАз и никой друг няма.) Но, небрежно прелиствайки любимия си учебник [1], обърнах внимание на схемата на двурогов компаратор (в тази статия - фиг. 2а).
В тази сравнителна схема се прилага положителна обратна връзка (POS) през веригата r 1, r 2 и входният сигнал се подава към инвертиращия вход на операционния усилвател.
На фиг. 26 показва предавателната характеристика на този компаратор. Нека обясним неговия ход. При значително отрицателно напрежение на инвертиращия вход на ОС uизх.=Kout.max. unp напрежение. на директния вход на оп-усилвателя се причинява от действието на изхода. и uo. Нека го намерим чрез метода на суперпозиция, като се има предвид, че и за двете напрежения веригата r 1, r 2 действа като разделител:
unp . l = uo - r 1/( r 1 + r 2) + ubbix. max - r 2/( r 1 + r 2) (1) Компараторът ще бъде в режим на положително насищане (uout.= uout. max.) при ubx. unp .1. Когато 1)in.=sp.1, компараторът ще превключи. Нека разгледаме по-подробно този процес.
Когато ubx .= unp .1, изходното напрежение на операционния усилвател ще започне да намалява. Отрицателното нарастване на изходното напрежение по веригата PIC r 1, r 2 ще отиде на директния вход на операционния усилвател, а отрицателно увеличение на напрежението ще се появи на директния вход на операционния усилвател. Оперативният усилвател ще усили това нарастване и на изхода увеличение на напрежението, което отново ще предизвика промяна на напрежението на директния вход на операционния усилвател. Процесът ще се развива лавинообразно и ще приключи, когато достига стойността -uout.max. По този начин PIC ускорява процеса на превключване на компаратора. Такъв ускорен ход на превключване на всяко устройство под действието на POS се нарича регенеративен процес. На изход. - -uизх.макс.
uno .2 = uo - r 1/( r 1+ r 2 hjbbix . макс. r 2/( r 1+ r 2) (2)стойност unp .2, компараторът ще превключи отново, процесът отново ще се развие регенеративно и изходното напрежение моментално ще достигне стойността на wout.max. Така предавателната характеристика на компаратора фиг. 2в има хистеротичен характер и компараторът превключва с увеличаване и намаляване на uex. възниква при различни напрежения unp .1 и unp .2. Ширината на хистерезисната верига ( unp .1 - unp .2) нараства със съотношението r 1/r 2.
Колко просто и красиво е всичко. Вярно, и аз така си мислех.
Първият проблем е, че компараторът, изграден върху операционен усилвател, в преобладаващата част от случаите работи заедно с логически и цифрови микросхеми, следователно, изглежда, че не се нуждаем от двуволтово захранване. Е, добре, този проблем се решава много просто. Всичко, което трябва да направите, е да свържете крака на OU, който се захранва с отрицателно напрежение на източника на захранване, към общия проводник на еднополярно захранване.
В този случай формули (1) и 2 ще се превърнат съответно във формули (3) и (4).
unp .1 = uo - r 1/( r 1+ r 2)+ ubb ) x . макс. r 2/( r 1+ r 2) (3) unp .2 = uo - r 1/( r 1+ r 2) (4)
Вторият проблем е по-сериозен. За да направите компаратора на фиг. 2а беше толкова красива, колкото е описана в [1], източникът на референтно напрежение uo трябва да е идеален, т.е. имат много малко вътрешно съпротивление. Такова условие никога не е изпълнено в реалните захранвания и използването на галванични захранвания в по-голямата част от случаите е непрактично. Реших този проблем. Резултатът е схема на термостат, показана на фиг. 3.
Веригата на термостата с тиристор в силовата част е свободна от явлението "Trigger effect".
Да предположим, че този термостат се използва за инкубатор,необходимата температура на въздуха в него трябва да бъде в рамките на +38 ... +39 градуса (този температурен диапазон се задава с променлив резистор r2). На операционния усилвател на чипа da1 е направен двупрагов компаратор. Ако температурата в инкубатора е под +38 градуса, съпротивлението на термистора е сравнително голямо, напрежението на обратния вход на op-amp da1 е по-малко от напрежението на директния вход (напрежението на директния вход е приблизително 3,2 V), компараторът на op-amp е в състояние на положително насищане (около 10 V на изхода му).
Към управляващия електрод на тринистора vs1 се прилага положителен потенциал спрямо неговия катод, тиристорът е отворен, нагревателният елемент rh е включен.
Когато температурата на въздуха в инкубатора достигне +38 градуса, съпротивлението на термистора r3 намалява, компараторът на da1 преминава в състояние на отрицателно насищане (липса на напрежение на изхода).
На управляващия електрод на тиристора ще се установи нисък потенциал спрямо неговия катод, тиристорът ще се затвори и нагревателят ще бъде изключен от мрежата.
Поради факта, че тримерният резистор r 5 с резистор r 4 образуват верига за положителна обратна връзка, нагревателят ще се включва и изключва при малко по-различни температури.
Така температурата в инкубатора се поддържа в рамките на 4-38. +39 градуса (необходимата температурна разлика се задава чрез избиране на съпротивлението на резистора r 5), а явлението "ефект на задействане" отсъства в тази верига на термостата. Когато настройвате и работите с устройството, трябва да внимавате да не докосвате детайлите, тъй като мрежовият потенциал присъства във веригата.
Препоръчително е да изберете променлив резистор r 2 за по-точен и плавен контрол на температурата.
Диоди vd 1. vd 4 е възможноизключвам. В този случай нагревателят Yang ще има само една половин вълна на мрежовото напрежение, т.е. при мощност от 500 W, 250 W ще бъдат освободени на нагревателя, а надеждността и издръжливостта на самия нагревател ще се повишат значително.
Печатни платки на термостати фиг. 1а и фиг. 3 са показани на фиг. 4.
Чертежи на печатни платки (файл 2 compiip) можете да изтеглите от сайта на нашето списание: http :// www . радлолига. com (раздел "Програми")
1. Горбачов G.N., Chaplygin E.E. Индустриална електроника. Москва. Енергоатомиздат. 1988 г.,