วงจรเปรียบเทียบโดยใช้ IC 741, IC 311, IC 339

ฟังก์ชันพื้นฐานของวงจรเปรียบเทียบเพื่อเปรียบเทียบระดับแรงดันไฟฟ้าสองระดับที่ขาอินพุตและสร้างเอาต์พุตเพื่อแสดงว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุตใดมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าอีก

ในบทความนี้เราจะเรียนรู้วิธีการออกแบบวงจรเปรียบเทียบอย่างถูกต้องโดยใช้ IC ยอดนิยมเช่น IC 741, IC 311 และ IC LM339

ความแตกต่างระหว่าง Comparator และ Op Amp

IC 741 เป็นตัวอย่างในอุดมคติของ op amp ตัวเดียวและ IC LM311 ถือได้ว่าเป็นตัวอย่างที่ดีของเครื่องเปรียบเทียบเดี่ยวโดยเฉพาะ

คุณจะพบว่าทั้งสองหน่วยนี้มีสัญลักษณ์อุปกรณ์ที่มีรูปทรง 'สามเหลี่ยม' เหมือนกันอยู่ภายในซึ่งโดยปกติเราจะรู้จักและใช้ในการวาดวงจรเปรียบเทียบ อย่างไรก็ตามการตอบสนองเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบทั้งสองรูปแบบนี้อาจมีความแตกต่างที่สำคัญบางประการ

แม้ว่าออปแอมป์และตัวเปรียบเทียบทั้งสองสามารถกำหนดค่าเพื่อเปรียบเทียบสัญญาณที่แตกต่างกันที่พินอินพุตของพวกเขาความแตกต่างหลักระหว่างทั้งสองคู่คือ:

• ในสภาพที่ใช้พลังงานเอาต์พุตของออปแอมป์จะเป็นบวกหรือลบขึ้นอยู่กับระดับแรงดันไฟฟ้าขาอินพุต แต่ไม่สามารถเปิดได้ ในทางตรงกันข้ามเอาต์พุตเปรียบเทียบอาจเป็นแบบเปิดหรือต่อสายดิน (ลบ) หรือลอยได้
• เอาต์พุต op amp สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องมีตัวต้านทานแบบดึงขึ้นหรือดึงลง แต่ตัวเปรียบเทียบจะต้องใช้ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นหรือดึงลงภายนอกเสมอเพื่อให้สเตจเอาต์พุตทำงานได้ตามปกติ
• ออปแอมป์สามารถใช้เพื่อสร้างวงจรแอมพลิฟายเออร์ที่มีอัตราขยายสูงไม่สามารถใช้ตัวเปรียบเทียบสำหรับแอปพลิเคชันดังกล่าว
• การตอบสนองการสลับเอาต์พุตของ op amp มักจะช้ากว่าเมื่อเทียบกับ IC เปรียบเทียบ

การออกแบบวงจรเปรียบเทียบแบบคลาสสิกสามารถดูได้ในรูปต่อไปนี้:

ที่นี่เอาต์พุตตอบสนองด้วยสัญญาณดิจิทัล 'สูง' เมื่อใดก็ตามที่แรงดันไฟฟ้าที่อินพุตที่ไม่กลับด้าน (+) สูงกว่าอินพุตกลับด้าน (-) ตรงกันข้ามเอาท์พุทเป็นสัญญาณดิจิตอลที่เปลี่ยนเป็นสัญญาณต่ำเมื่อใดก็ตามที่แรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ไม่เปลี่ยนกลับต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุตกลับด้าน

จากรูปด้านบนเราจะเห็นการเชื่อมต่อมาตรฐานของวงจรเปรียบเทียบที่มีหนึ่งอินพุต (อินพุทกลับด้านในตัวอย่างนี้) กำหนดค่าด้วยแรงดันอ้างอิงและขาอินพุตอื่นซึ่งเป็นอินพุตที่ไม่เปลี่ยนกลับที่เชื่อมต่อกับแรงดันสัญญาณอินพุต .

ในช่วงเวลาที่ Vin มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงที่ +2 V เอาต์พุตจะอยู่ในระดับต่ำที่ประมาณ -10 V หาก Vin เพิ่มขึ้นเหนือ +2 V เอาต์พุตจะเปลี่ยนสถานะทันทีและเปลี่ยนสูงเป็นรอบ + 10 V. การเปลี่ยนสถานะที่เอาต์พุตจาก -10 V ถึง +10 V แสดงว่า Vin สูงกว่าค่าอ้างอิง +2 V

ส่วนประกอบหลักภายในเครื่องเปรียบเทียบใด ๆ คือวงจรแอมป์ออปซึ่งตั้งค่าให้ได้รับแรงดันไฟฟ้าสูงมาก เพื่อศึกษาการทำงานของเครื่องเปรียบเทียบอย่างถูกต้องเราสามารถใช้ตัวอย่างของ IC 741 ดังที่แสดงด้านล่าง:

ที่นี่เราสามารถเห็นขาอินพุตอินพุตที่กลับด้าน (-) อ้างอิงกับกราวด์หรือระดับ 0 V สัญญาณไซน์ถูกนำไปใช้กับพิน 3 ซึ่งเป็นอินพุตที่ไม่เปลี่ยนกลับของออปแอมป์ สัญญาณรูปไซน์ที่เปลี่ยนแปลงสลับกันนี้ทำให้เอาต์พุตสลับระหว่างสถานะเอาต์พุตสูงและต่ำดังที่ระบุไว้ทางด้านขวาของภาพ

เมื่ออินพุท Vin เคลื่อนที่แม้กระทั่งมิลลิโวลต์ในการอ้างอิง 0 V ความแตกต่างจะถูกขยายโดยแอมป์ op กำไรสูงภายในของ IC ทำให้เอาต์พุตสูงขึ้นที่ระดับความอิ่มตัวเชิงบวกของเอาต์พุต เงื่อนไขนี้คงอยู่ตราบเท่าที่สัญญาณ Vin ยังคงอยู่เหนือการอ้างอิง 0 V

ตอนนี้ทันทีที่ระดับสัญญาณลดลงต่ำกว่าค่าอ้างอิง 0 V เอาต์พุตจะถูกขับเคลื่อนไปยังระดับความอิ่มตัวที่ต่ำกว่า อีกครั้งเงื่อนไขนี้จะยังคงอยู่ตราบเท่าที่สัญญาณอินพุต Vin ยังคงอยู่ต่ำกว่าระดับอ้างอิง 0 V

คำอธิบายข้างต้นและรูปคลื่นที่แสดงในภาพระบุการตอบสนองแบบดิจิทัลของเอาต์พุตสำหรับสัญญาณอินพุตที่แตกต่างกันเชิงเส้นอย่างชัดเจน

สำหรับแอปพลิเคชันปกติระดับอ้างอิงไม่จำเป็นต้องอยู่ที่ 0 V แต่อาจเป็นระดับบวกก็ได้ตามข้อกำหนด และในกรณีที่ต้องการการอ้างอิงสามารถเชื่อมต่อกับสายจ่ายบวกหรือลบในขณะที่สัญญาณอินพุตถูกนำไปใช้ที่ขาอินพุตอื่น

ใช้ IC 741 เป็นตัวเปรียบเทียบ

ในตัวอย่างต่อไปนี้เราจะเรียนรู้วิธีการอย่างมีประสิทธิภาพ ใช้ op amp เป็นตัวเปรียบเทียบ

ในรูปเราจะเห็นวงจรแอมป์ทำงานร่วมกับชุดอ้างอิงบวกที่ขาอินพุตกลับด้าน (-) เอาท์พุทติดด้วย LED

การใช้สูตรเครือข่ายตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าเราสามารถคำนวณค่าแรงดันอ้างอิงบนขาอินพุต (-) ของ IC ได้

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

เนื่องจากการอ้างอิงนี้เชื่อมโยงกับพิน (-) ของ IC หากแรงดัน Vin ที่อินพุต (+) สูงกว่าการอ้างอิงนี้หรือกลายเป็นบวกมากกว่าการอ้างอิงจะบังคับให้เอาต์พุต Vo เปลี่ยนไปเป็นระดับความอิ่มตัวเชิงบวก

สิ่งนี้จะทำให้ไฟ LED สว่างขึ้นแสดงว่า Vin กลายเป็นบวกมากกว่าระดับอ้างอิงที่ +6 V

ตรงกันข้ามถ้าอินพุตที่ไม่เปลี่ยนค่า (+) ถูกกำหนดค่าเป็นพินอ้างอิงและ Vin นำไปใช้กับขาอินพุตกลับด้าน (-) เอาต์พุตจะลดลงทันทีที่อินพุต Vin อยู่ต่ำกว่าค่าอ้างอิงและในทางกลับกัน

สิ่งนี้จะทำให้ LED ดับทันที

ดังนั้นจึงสามารถทำให้ LED เปิดหรือปิดสำหรับสัญญาณอินพุตที่กำหนดโดยการเดินสายพินอินพุตที่มีระดับอ้างอิงและสัญญาณอินพุตอย่างเหมาะสม

การใช้หน่วย IC เปรียบเทียบเฉพาะ

โดยปกติออปแอมป์จะทำงานได้ดีในฐานะวงจรเปรียบเทียบ แต่การใช้ IC เปรียบเทียบเฉพาะจะทำงานได้ดีกว่าแอมป์ออปสำหรับแอปพลิเคชันเปรียบเทียบ

IC เปรียบเทียบได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับฟังก์ชันเปรียบเทียบและแสดงการตอบสนองที่ดีขึ้นเช่นการสลับที่เร็วขึ้นที่เอาต์พุตระหว่างระดับบวกและลบ

IC เหล่านี้มีภูมิคุ้มกันต่อเสียงรบกวนที่สูงขึ้นและในหลาย ๆ ครั้งเอาต์พุตสามารถใช้โดยตรงสำหรับการขับเคลื่อนโหลด

เรามาเรียนรู้รายละเอียดเกี่ยวกับ IC เปรียบเทียบยอดนิยมสองตัวจากการสนทนาต่อไปนี้

วงจรเปรียบเทียบโดยใช้ IC 311

รูปด้านบนแสดงโครงร่างภายในและรายละเอียดพินเอาต์ของตัวเปรียบเทียบ IC 311 IC ได้รับการออกแบบให้ทำงานจากแหล่งจ่ายไฟคู่ในช่วง +15 V และ -15 V ซึ่งเป็นระดับที่เข้ากันได้มาตรฐานสำหรับทุกคน IC ดิจิตอลที่ทันสมัย

ขั้นตอนเอาต์พุตภายใน IC มีทรานซิสเตอร์สองขั้วโดยมีตัวสะสมแบบลอยตัวและขั้วอิมิตเตอร์ ซึ่งหมายความว่าสามารถกำหนดค่าเอาต์พุตจากทรานซิสเตอร์นี้ได้สองวิธี:

1. โดยการเพิ่มตัวต้านทานแบบดึงขึ้นด้วยพินตัวเก็บรวบรวมและต่อกราวด์พินอิมิตเตอร์ 1 จากนั้นใช้ตัวเก็บรวบรวมเป็นเอาต์พุต
2. โดยการเชื่อมต่อตัวเก็บรวบรวมกับสายบวกและใช้ตัวปล่อยเป็นเอาต์พุต

นอกจากนี้ยังสามารถใช้เอาท์พุททรานซิสเตอร์สำหรับขับรีเลย์หรือโหลดขนาดเล็กเช่นหลอดไฟได้โดยตรงโดยไม่ต้องมีขั้นตอนบัฟเฟอร์ภายนอก

IC ยังมีบาลานซ์และอินพุทแฟลชซึ่งสามารถ gated กับเอาต์พุตได้

เราจะพูดถึงแอปพลิเคชันที่มีประโยชน์ของ IC นี้ในส่วนต่อไปนี้:

รูปด้านบนแสดงให้เห็นว่า IC 311 สามารถกำหนดค่าได้อย่างไร เครื่องตรวจจับการข้ามศูนย์ ตัวเปรียบเทียบเพื่อตรวจจับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเมื่อใดก็ตามที่มันข้ามเส้นศูนย์

อินพุตกลับด้าน (-) ของ 311 สามารถมองเห็นได้รวมกับกราวด์ ในช่วงที่สัญญาณอินพุตอยู่ที่ระดับบวกทรานซิสเตอร์เอาต์พุตจะยังคงเปิดอยู่ซึ่งจะสร้างค่าต่ำ (-10 ในตัวอย่างนี้) ที่เอาต์พุต (ตัวสะสมทรานซิสเตอร์)

ทันทีที่สัญญาณอินพุตเป็นลบหรือต่ำกว่า 0 V ทรานซิสเตอร์จะปิด สิ่งนี้จะสร้างบวก + 10V ที่เอาต์พุตตัวสะสมของ IC สิ่งนี้ช่วยให้เราทราบเมื่อสัญญาณอินพุตอยู่เหนือระดับศูนย์และเมื่อใดที่สัญญาณนั้นลดลงต่ำกว่าระดับศูนย์

รูปถัดไปด้านล่างแสดงให้เห็นว่าตัวเปรียบเทียบ IC 311 สามารถใช้ในการสร้างวงจรสโตรบได้อย่างไร

ในตัวอย่างวงจรเปรียบเทียบนี้ขาเอาต์พุต 7 จะเปิดสูงเมื่อระดับแรงดันไฟฟ้าของพิน 3 สูงกว่าการอ้างอิงพิน 2 แต่สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อพินอินพุตไฟแฟลชของพิน 6 อยู่ต่ำหรือที่ 0 โวลต์

เมื่อใช้แฟลช TTL สูงที่ฐานของทรานซิสเตอร์พิน 6 จะต่ำทำให้ทรานซิสเตอร์เอาต์พุต IC ปิดและด้วยเหตุนี้จึงทำให้พิน 7 สูงขึ้น

เอาต์พุตยังคงสูงต่อไปตราบเท่าที่อินพุต TTL อยู่สูงโดยไม่คำนึงถึงเงื่อนไขสัญญาณอินพุตที่พิน 3

อย่างไรก็ตามหากใช้สัญญาณ TTL ในรูปแบบสโตรปเอาต์พุตจะตอบสนองต่อสัญญาณอินพุตที่พิน 3 พูดง่ายๆเอาท์พุทยังคงถูกล็อคไว้ที่ระดับสูงเว้นแต่จะลาก pin6

วิธีเชื่อมต่อรีเลย์กับตัวเปรียบเทียบ

รูปถัดไปด้านล่างแสดงวิธีใช้ตัวเปรียบเทียบ 311 โดยตรง ใช้งานรีเลย์ .

ที่นี่เมื่อระดับแรงดันไฟฟ้าที่ขาอินพุต 2 ลดลงต่ำกว่า 0 V พิน 3 จะได้รับผลบวกมากกว่าพิน 2 สิ่งนี้ทำให้ตัวสะสมของทรานซิสเตอร์ภายในปิดสวิตช์ซึ่งจะเปิดรีเลย์ หน้าสัมผัสของรีเลย์ สามารถเดินสายด้วยภาระที่หนักกว่าเพื่อดำเนินการสลับที่ต้องการ

ตราบใดที่อินพุต (+) ที่พิน 2 ยังคงต่ำกว่า 0 V รีเลย์จะยังคงเปิดอยู่ ในทางกลับกันเมื่อสัญญาณบวกพร้อมใช้งานบนพิน 2 รีเลย์จะยังคงปิดอยู่

วงจรเปรียบเทียบโดยใช้ IC 339

IC 339 หรือที่นิยมเขียนว่า LM339 เป็น IC เปรียบเทียบรูปสี่เหลี่ยม ความหมายรวมถึงเครื่องเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าแยกต่างหาก 4 ตัวซึ่งอินพุตและเอาต์พุตถูกยกเลิกอย่างเหมาะสมผ่านพินภายนอกของแพ็คเกจ IC ดังที่แสดงด้านล่าง

เช่นเดียวกับตัวเปรียบเทียบอื่น ๆ แต่ละบล็อกตัวเปรียบเทียบมีอินพุตสองสามตัวและหนึ่งเอาต์พุต เมื่อ IC ถูกขับเคลื่อนโดยใช้แรงดันไฟฟ้ากับ Vcc และพินกราวด์ซัพพลายจะจ่ายไฟให้กับตัวเปรียบเทียบทั้งหมดเข้าด้วยกัน ดังนั้นแม้ว่าจะใช้ตัวเปรียบเทียบตัวเดียว แต่อีก 3 ตัวก็จะใช้พลังงานไปพอสมควร

ตัวเปรียบเทียบทั้งหมดมีลักษณะที่เหมือนกันทุกประการดังนั้นเราจึงสามารถวิเคราะห์สิ่งเหล่านี้เพื่อเรียนรู้ฟังก์ชันตัวเปรียบเทียบพื้นฐาน

เมื่อใช้อินพุตดิฟเฟอเรนเชียลบวกข้ามขั้วอินพุตหมายความว่าเมื่อความแตกต่างระหว่างสัญญาณที่ใช้เป็นบวกจะปิดทรานซิสเตอร์เอาต์พุต สิ่งนี้ทำให้เอาต์พุตแสดงวงจรเปิดหรือเปิดแบบลอย

เมื่ออินพุตดิฟเฟอเรนเชียลเป็นลบหมายถึงเมื่อความแตกต่างระหว่างสัญญาณที่ใช้ที่พินอินพุตเป็นลบมันจะเปิดทรานซิสเตอร์เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบซึ่งทำให้ขาเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบเปลี่ยนเป็นลบหรือที่ศักย์ V

จากรูปด้านบนเราสามารถเข้าใจได้ว่าเมื่อใช้อินพุตที่ไม่กลับด้าน (+) ของ IC เป็นพินอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าการอ้างอิงนี้ที่ขาอินพุตกลับด้าน (-) จะส่งผลให้เอาต์พุตของ ตัวเปรียบเทียบจะเปิดกว้าง ในทางกลับกันหากใช้ (-) เป็นพินอ้างอิงระดับแรงดันไฟฟ้าที่อินพุต (+) สูงกว่าค่าอ้างอิงจะทำให้เอาต์พุตเปลี่ยนเป็นลบหรือที่ V-

เพื่อเรียนรู้วิธีการทำงานของ IC 339 เหมือนกับตัวเปรียบเทียบตัวอย่างต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่า IC เป็นเครื่องตรวจจับการข้ามศูนย์

ขณะที่สัญญาณอินพุตสูงกว่า 0 V เอาต์พุตจะเปิดสูงที่ระดับ V + เอาต์พุตจะปิดที่ V- เท่านั้นในขณะที่อินพุตอยู่ต่ำกว่า 0 V

ตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ระดับอ้างอิงไม่จำเป็นต้องเป็น 0 V ก็สามารถเปลี่ยนเป็นระดับอื่น ๆ ที่ต้องการได้ นอกจากนี้คุณยังสามารถใช้พินอินพุตอื่น (+) เป็นพินอ้างอิงและพินอินพุต (-) เป็นพินอินพุตสัญญาณสำหรับรับสัญญาณอินพุตที่แตกต่างกัน

ข้อได้เปรียบของการมีเอาต์พุตแบบลอยตัวใน IC เปรียบเทียบ

ตามที่กล่าวไว้ในคำอธิบายก่อนหน้าเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบจะถูกสลับผ่าน BJT ซึ่งมีตัวสะสมแบบเปิดเป็นเอาต์พุต สิ่งนี้ทำให้ได้เปรียบในการเชื่อมต่อเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบสองตัวจาก IC 339 โดยตรงเช่นเดียวกับ หรือประตู .

ตัวอย่างที่ดีของวงจรเปรียบเทียบหน้าต่างสามารถดูได้ด้านล่าง ที่นี่บล็อกตัวเปรียบเทียบ IC 339 สองบล็อกได้รับการกำหนดค่าด้วยสัญญาณอินพุตทั่วไปเพียงชุดเดียวและเอาต์พุตจะเชื่อมต่อกันเช่น OR gate

เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบตามลำดับจะต่ำเมื่อใดก็ตามที่สัญญาณอินพุตข้ามขีด จำกัด ชุดล่างหรือเกณฑ์ชุดบนซึ่งจะช่วยให้ผู้ใช้ทราบเมื่อสัญญาณอยู่นอกระดับหน้าต่างที่ตั้งไว้

ตัวเปรียบเทียบหน้าต่างสามารถใช้สำหรับแอปพลิเคชันที่มีประโยชน์เช่น ตัวป้องกันไฟฟ้าแรงต่ำ วงจรและ ติดตามแสงอาทิตย์ วงจร ฯลฯ

สรุป

จากคำอธิบายข้างต้นเราได้เรียนรู้ว่า:

โดยทั่วไปแล้วตัวเปรียบเทียบเป็นหน่วยที่มีอินพุตเสริมสองตัวและหนึ่งเอาต์พุตที่ตอบสนอง เอาต์พุตจะสูงหรือต่ำเมื่อระดับแรงดันไฟฟ้าของอินพุตใดอินพุตหนึ่งสูงหรือต่ำกว่าอินพุตอื่นขึ้นอยู่กับอินพุตที่ใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงหรือที่ระดับแรงดันไฟฟ้าคงที่

แม้ว่าแอมป์ออปแอมป์สามารถใช้เป็นตัวเปรียบเทียบได้ แต่ IC เปรียบเทียบเฉพาะได้รับการออกแบบมาให้ทำงานเหมือนกับตัวเปรียบเทียบได้ดีกว่า

IC เปรียบเทียบเฉพาะเช่น LM311, LM339 ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับแอปพลิเคชันเปรียบเทียบโดยมีการตอบสนองที่เร็วขึ้นและความสามารถในการส่งออกกระแสสูงที่ยืดหยุ่น

หากคุณมีคำถามที่เกี่ยวข้องโปรดอย่าลังเลที่จะถามพวกเขาผ่านช่องแสดงความคิดเห็นด้านล่าง