Spis treści:
W układach elektronicznych, bardzo często zdarza się, że niezbędne jest wykonywanie pomiarów na bieżąco, aby można było porównać ze sobą wielkość rzeczywistą i wielkość zadaną. Najczęściej sprowadza się to do pomiaru napięć w sposób bezpośredni lub pośredni, gdzie napięcie jest wielkością wtórną, której wartość odpowiada wartości innej wielkości wtórnej, np. temperaturze. W tych jak i podobnych aplikacjach, do realizacji takich pomiarów korzysta się z komparatorów napięć. Komparatory występują w postaci układów scalonych – w tym artykule weźmiemy pod uwagę układ scalony LM324, który zawiera w sobie cztery niezależne komparatory napięcia współdzielące zasilanie.
Jak działa komparator LM324?
Komparator LM324 to popularny układ scalony stosowany w elektronice do porównywania dwóch napięć. Jest to układ oparty na tranzystorach bipolarnych, który można zasilać pojedynczym źródłem napięcia. Układ LM324 ma cztery niezależne komparatory, które mogą porównywać napięcia między swoimi dwoma wejściami. Na każdy z komparatorów można podać dwa napięcia: napięcie odniesienia (zwykle na wejściu odwracającym) i napięcie wejściowe (na drugim wejściu nieodwracającym). Komparator porównuje te napięcia i generuje odpowiednią odpowiedź w zależności od tego, które napięcie jest większe. Wynikiem porównania jest stan niski (0) lub stan wysoki (1) na wyjściu komparatora, w zależności od relacji między napięciami na jego wejściach.
Komparator a wzmacniacz operacyjny
Choć komparator na schemacie jest rysowany takim samym symbolem jak scalony wzmacniacz operacyjny (ten słynny “magiczny trójkąt”), to oba układy różnią się między sobą i nie można ich stosować zamiennie. Komparatory mają wejścia różnicowe i wyjście typu „rail-to-rail”. Podobnie wzmacniacze operacyjne. Charakteryzują się niskim przesunięciem, wysokim wzmocnieniem i wysokim współczynnikiem tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR). Jednak komparatory są zaprojektowane do pracy w pętli otwartej, sterowania obwodami logicznymi, pracy z dużą prędkością nawet w przypadku przesterowania i akceptowania dużych różnicowych napięć wejściowych.
Wzmacniacze operacyjne natomiast są przeznaczone do pracy w pętli zamkniętej i napędzania prostych obciążeń rezystancyjnych lub reaktywnych – i nie są przeznaczone do szybkiego przywracania sprawności po przesterowaniu. Ale wzmacniacze operacyjne są tańsze, często są dostępne jako poczwórne, jak np. TL074 i w porównaniu do większości komparatorów mają lepsze parametry prądu offsetu i polaryzacji.
Używanie wzmacniacza operacyjnego jako komparatora może prowadzić do trudności z trzech głównych powodów: szybkości, możliwości sterowania logicznego i różnych efektów ubocznych struktur wejściowych. Komparatory są przeznaczone do pracy z wejściami o dużej różnicy napięć, natomiast wzmacniacze operacyjne są przeznaczone do pracy w pętli zamkniętej, gdzie oba wejścia mają bardzo podobne potencjały. Jeśli wzmacniacz operacyjny wykryje różnicowe napięcie wejściowe o wartości nawet kilku miliwoltów, jego wewnętrzne obwody mogą się nasycić. Odzyskiwanie stanu sprzed nasycenia może być bardzo powolne, a czas powrotu do poprzedniego stanu może się znacznie różnić w zależności od poziomu nadmiernego wysterowania i w zależności od specyfiki sprzętowej układu. Taka zmienność i utrata prędkości mogą być niepożądane w komparatorze. Jeśli wzmacniacz operacyjny ma wyjście typu „rail-to-rail” i jest zasilany tymi samymi źródłami zasilania, co sterowana przez niego logika nasycania (CMOS lub TTL), wówczas połączenie nie jest trudne. Jeśli jednak zasilanie wzmacniacza operacyjnego i logiki różni się, do uzyskania prawidłowych poziomów niezbędny jest dodatkowy obwód interfejsu, który może być dość skomplikowany. Wreszcie, wejścia wzmacniacza operacyjnego mają zwykle wysoką impedancję i niski prąd polaryzacji. Jeśli jednak przyłoży się do nich różnicowe napięcie wejściowe o wartości większej niż kilkaset miliwoltów, może to już nie mieć miejsca i mogą wystąpić różnego rodzaju zachowania odbiegające od ideału, np. oscylacje. Wyższe poziomy przesterowania mogą również spowodować niewielkie uszkodzenia stopni wejściowych wzmacniacza operacyjnego, powodując powolne narastanie długoterminowych zmian w wydajności, które mogą zostać przeoczone podczas opracowywania projektu.
Prostownik do ładowania baterii z układem LM324
W prostowniku do ładowania akumulatorów, układ scalony komparatora LM324 może być wykorzystywany do monitorowania napięcia na akumulatorze i decydowania o etapach ładowania. W takiej aplikacji, komparator może być używany do porównywania napięcia na akumulatorze z ustalonymi wartościami napięcia referencyjnego, które określają etapy ładowania, takie jak ładowanie, podtrzymywanie, pełne naładowanie. Na podstawie wyniku porównania napięcia akumulatora z napięciem referencyjnym, komparator może kontrolować pracę prostownika. Na przykład, jeśli napięcie na akumulatorze jest poniżej pewnego poziomu, co wskazuje na potrzebę ładowania, komparator może włączyć prostownik do ładowania. Gdy napięcie na akumulatorze osiągnie ustaloną wartość, komparator może wyłączyć ładowanie. Komparator może również służyć do monitorowania napięcia na akumulatorze podczas ładowania. Jeśli napięcie przekroczy ustaloną wartość maksymalną, komparator może przerwać proces ładowania, aby zapobiec nadmiernemu naładowaniu akumulatora, co mogłoby prowadzić do jego uszkodzenia. Komparator może być również wykorzystywany do sterowania wskaźnikami LED lub sygnalizacją dźwiękową, informującą użytkownika o stanie ładowania akumulatora, np. dioda LED, która zapala się, gdy akumulator jest naładowany, lub dźwiękowy sygnał ostrzegawczy, gdy napięcie przekroczy pewien dopuszczalny poziom. Działanie komparatora w prostowniku do ładowania akumulatorów jest kluczowe dla zapewnienia bezpiecznego i skutecznego procesu ładowania oraz przedłużenia życia akumulatora poprzez kontrolowanie napięcia i prądu ładowania.
