Двопорогові компаратори та їх застосування
Компаратори знаходять широке застосування у різних пристроях автоматики та телемеханіки. Але при їх застосуванні є одне "але".
Багатьом радіоаматорам відомий так званий тригерний ефект на порозі спрацьовування термо, фотореле, автоматичного зарядного пристрою і т.п. Пристрій може спрацювати нормально десятки разів, але іноді настає такий неприємний момент, коли виконавче реле увімкнеться, відразу ж вимкнеться, знову ввімкнеться і т.д. Таке явище може виявлятися досить тривалий час – "підгоряють" контакти реле, та й ресурс роботи реле не безмежний. Якщо в схемі застосовані тиристори, то при частому включенні-вимкненні вони можуть грітися і виходити з ладу, видаючи в мережу живлення при цьому масу гармонік.
У молодості я повторив чимало схем із журналу "Радіо", побудованих з використанням компараторів. У більшості цих схем "тригерний ефект" був у наявності. З 2000 року більше нічого не повторював і зайнявся самостійним конструюванням. Для виключення "тригерного ефекту" у схемах на звичайних компараторах я застосував двопорогові компаратори (тобто такі компаратори, пороги переходу яких зі стану позитивного насичення в стан негативного насичення і навпаки відрізняються один від одного на невелику величину).
На рис. 1а, рис. 16 зображені схеми терморегуляторів, у яких використані двопорогові компаратори. Різниця температури включення та вимкнення реле К1 (рис. 1а) підбирається підбором опору резистора r 2; включення та вимкнення триністора vs 1 (рис. 16) підбором опору резистора r 2.
На тривалий час я заспокоївся (здавалося, що більш простих компараторів, ніж я розробив, вже нея і ніхто інший не вигадає). Але, недбало гортаючи мій улюблений підручник [1], я звернув увагу на схему дволорогового компаратора (в цій статті – рис. 2а).
У цій схемі компаратора застосовано позитивний зворотний зв'язок (ПОС) через ланцюжок r 1, r 2, а вхідний сигнал подається на вхід, що інвертує ОУ.
На рис. 26 побудована передавальна характеристика компаратора. Пояснимо її перебіг. При значній негативній напрузі на вході, що інвертує ОУ uвых.=Квых.мах . Напруга unp. на прямому вході ОУ викликано впливом івих. та uo . Знайдемо його методом суперпозиції, враховуючи, що для обох напруг ланцюжок r 1 r 2 виконує роль дільника:
unp. l = uo - r 1/(r 1 + r 2) + ubbix. max - r 2/( r 1 + r 2) (1) Компаратор буде в режимі позитивного насичення (uвих. = uвих. max.) при ubx . unp.1. При 1)вх.=ипр.1 відбудеться перемикання компаратора. Зупинимося на цьому докладніше.
При ubx .= unp .1 вихідна напруга ОУ почне зменшуватись. Негативне збільшення вихідної напруги по ланцюжку ПОС r 1, r 2 надійде на прямий вхід ОУ, і з'явиться негативне збільшення напруги на прямому вході ОУ. Операційний підсилювач посилить це збільшення, і на виході збільшення напруги, яке знову викличе зміну напруги на прямому вході ОУ. Процес розвиватиметься лавиноподібно і завершиться, коли вивих. досягає значення -uвых.mах. Таким чином, ПІС прискорює процес перемикання компаратора. Такий прискорений хід перемикання якогось пристрою під дією ПОС носить назву регенеративного процесу. За uвих. - -uвых.mах.
uno .2 = uo - r 1/( r 1+ r 2 hjbbix . max . r 2/( r 1+ r 2) (2) Негативне насичення ОУ зберігатиметься при ubx .>unp .2. При зменшенні Квх. дозначення unp .2 відбудеться нове перемикання компаратора, процес знову розвиватиметься регенеративно і вихідна напруга миттєво досягне значення івих.тах. Отже, передавальна характеристика компаратора рис. 2в має гістерозисний характер і перемикання компаратора при збільшенні та зменшенні uex. відбувається при різних напругах unp .1 та unp .2. Ширина петлі гістерези (unp .1 - unp .2) збільшується із збільшенням відношення r 1/ r 2.
Як все просто та красиво. Правда, Я теж так відразу подумав.
Перша проблема - компаратор, побудований на ОУ, у переважній більшості випадків працює спільно з логічними та цифровими мікросхемами, отже, двололярне джерело живлення нам як би і не потрібне. Ну та гаразд, ця проблема вирішується дуже просто. Всього необхідно ніжку ОУ, на яку подається негативна напруга джерела живлення, з'єднати із загальним проводом однополярного блоку живлення.
При цьому формули (1) та 2) перетвориться на формули (3) та (4) відповідно.
unp .1 = uo - r 1 / (r 1 + r 2) + ubb) x. max. r 2/( r 1+ r 2) (3) unp .2 = uo - r 1/( r 1+ r 2) (4)
Друга проблема серйозніша. Щоб компаратор на мал. 2а був таким красивим, як це описано в [1], джерело зразкової напруги uo має бути ідеальним, тобто е. мати дуже малий внутрішній опір. Така умова в реальних блоках живлення ніколи не виконується, а застосування гальванічних джерел живлення в переважній кількості випадків є недоцільним. Я вирішив цю проблему. Результат – схема терморегулятора, зображена на рис. 3.
Схема терморегулятора з тиристором у силовій частині вільна від явища "Тригерного ефекту".
Припустимо, що цей терморегулятор використовують для інкубатора,необхідна температура повітря в ньому повинна бути в межах +38...39 градусів (даний діапазон температур виставляють змінним резистором r2). На ОУ мікросхеми da1 виконано двопороговий компаратор. Якщо температура в інкубаторі нижче +38 градусів, опір терморезистора порівняно великий, напруга на інверсному вході ОУ da1 менше напруги на прямому вході (напруга на прямому вході приблизно 3,2 В), компаратор на ОУ перебуває в стані позитивного насичення (близько 10 В на його виході).
На керуючий електрод тріністора vs1 подається позитивний потенціал щодо його катода, тиристор відкритий, нагрівальний елемент включений rh.
При досягненні температури повітря в інкубаторі +38 градусів опір терморезистора r3 зменшується, компаратор на da1 перетворюється на стан негативного насичення (відсутність напруги з його виході).
На керуючому електроді тиристора встановиться низький потенціал щодо його катода, тиристор закриється, і нагрівач відключиться від мережі живлення.
За рахунок того, що підстроювальний резистор r 5 з резистором r 4 утворюють ланцюг позитивного зворотного зв'язку, включатися і вимикатися нагрівач при трохи різній температурі.
Таким чином, температура в інкубаторі підтримується у межах 4-38. +39 градусів (необхідну різницю температур виставляють підбором опору резистора r 5), і явище "тригерного ефекту" в даній схемі терморегулятора відсутня. При налагодженні та експлуатації пристрою необхідно бути обережними і не торкатися деталей, оскільки в схемі присутній потенціал мережі.
Доцільно для більш точного та плавного регулювання температури підібрати змінний резистор r 2.
Діоди vd 1 . vd 4 можнавиключити. У цьому випадку на нагрівачі Ян буде лише одна напівхвиля напруги мережі, тобто. при потужності 500 Вт на нагрівачі виділятиметься 250 Вт, і значно зросте надійність та довговічність самого нагрівача.
Друкарські плати терморегуляторів рис. 1а та рис. 3 зображено на рис. 4.
Малюнки друкованих плат (файл 2 compiip) можна завантажити з сайту нашого журналу: http://www. radloliga. com (розділ "Програми")
1. Горбачов Г.М., Чаплігін Є.Є. Промислові електроніки. Москва. Енергоатоміздат. 1988 р.,