Двухпороговые компараторы и их применение

                       Компараторы находят широкое применение в различ­ных устройствах автоматики и телемеханики. Но при их применении есть одно "но".

Многим радиолюбителям известен так называемый "триггерный эффект" на пороге срабатывания термо, фотореле, автоматического зарядного устройства и т.п. Устройство может сработать нормально десятки раз, но иногда наступает такой неприятный момент, когда испол­нительное реле включится, сразу же выключится, опять включится и т.д. Такое явление может проявляться довольно длительное время - "подгора­ют" контакты реле, да и ресурс работы реле не безграничен. Если в схеме применены тири­сторы, то при частом включе­нии-выключении они могут греться и выходить из строя, вы­давая в питающую сеть при этом массу гармоник.

В молодости я повторил не­мало схем из журнала "Радио", построенных с использованием компараторов. В большинстве этих схем "триггерный эффект" был налицо. С 2000 года я боль­ше ничего не повторял и занял­ся самостоятельным конструи­рованием. Для исключения "триггерного эффекта" в схемах на обычных компараторах я применил двухпороговые ком­параторы (т.е. такие компарато­ры, пороги перехода которых из состояния положительного на­сыщения в состояние отрица­тельного насыщения и наобо­рот отличаются друг от друга на небольшую величину).

 

На рис. 1а, рис. 16 изобра­жены схемы терморегуляторов, в которых использованы двух­пороговые компараторы. Раз­ность температуры включения и выключения реле К1 (рис. 1а) подбирается подбором сопро­тивления резистора R2; вклю­чения и выключения тринистора VS1 (рис. 16) подбором со­противления резистора R2.

На длительное время я ус­покоился (казалось, что более простых компараторов, чем разработал я, уже ни я и никто другой не придумает). Но, небрежно листая мой любимый учебник [1], я обратил вни­мание на схему двухлорогового компаратора (в данной статье - рис. 2а).

В данной схеме компаратора применена положитель­ная обратная связь (ПОС) через цепочку R1, R2, а вход­ной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ.

На рис. 26 построена передаточная характеристика этого компаратора. Объясним ее ход. При значительном отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ uвых.=Квых.мах . Напряжение Unp. на прямом входе ОУ вызвано воздействием ивых. и Uo. Найдем его методом суперпозиции, учитывая, что для обоих напряжений це­почка R1, R2 выполняет роль делителя:

Unp.l = Uo-R1/(R 1 +R2)+UBbix.max-R2/(R1 +R2) (1) Компаратор будет в режиме положительного насыще­ния (uвых.= uвых.max.) при ubx.<Unp.1. При 1)вх.=ипр.1 произойдет переключение компаратора. Остановимся на этом процессе подробнее.

При UBX.=Unp.1 выходное напряжение ОУ начнет уменьшаться. Отрицательное приращение выходного напряжения по цепочке ПОС R1, R2 поступит на пря­мой вход ОУ, и появится отрицательное приращение напряжения на прямом входе ОУ. Операционный усили­тель усилит это приращение, и на выходе приращение напряжения, которое вновь вызовет изменение напря­жения на прямом входе ОУ. Процесс будет развиваться лавинообразно и завершится, когда ивых. достигает зна­чения -uвых.mах. Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такой ускоренный ход пе­реключения какого-либо устройства под действием ПОС носит название регенеративного процесса. При uвых. - -uвых.mах.

Uno.2 = Uo-R1/(R1+R2HJBbix.max.R2/(R1+R2) (2) Отрицательное насыщение ОУ будет сохраняться при UBX.>Unp.2. При уменьшении Квх. до значения Unp.2 произойдет новое переключение компаратора, процесс опять будет развиваться регенеративно и выходное напря­жение мгновенно достигнет значения ивых.тах. Таким об­разом, передаточная характеристика компаратора рис. 2в имеет гистерозисный характер и переключение компа­ратора при увеличении и уменьшении Uex. происходит при разных напряжениях Unp.1 и Unp.2. Ширина петли гистерезиса (Unp.1 - Unp.2) увеличивается с увеличени­ем отношения R1/R2.

Как все просто и красиво. Правда' Я тоже так сразу подумал.

Первая проблема - компаратор, построенный на ОУ, в подавляющем большинстве случаев работает совместно с логическими и цифровыми микросхемами, следователь­но, двухлолярный источник питания нам как бы и не ну­жен. Ну да ладно, эта проблема решается очень просто. Всего-навсего необходимо ножку ОУ, на которую подает­ся отрицательное напряжение источника питания, соединить с общим проводом однополярного блока питания.

При этом формулы (1) и 2) превратится в формулы (3) и (4) соответственно.

Unp.1 = Uo-R1/(R1+R2)+UBb)x.max. R2/(R1+R2) (3) Unp.2 = Uo-R1/(R1+R2)   (4)

Вторая проблема посерьезнее. Чтобы компаратор на рис. 2а был таким красивым, как это описано в [1], ис­точник образцового напряжения Uo должен быть идеаль­ным, т.е. иметь очень малое внутреннее сопротивление. Такое условие в реальных блоках питания никогда не выпол­няется, а применение гальванических источников питания в подавляющем числе случаев нецелесообразно. Я решил эту проблему. Результат - схема тер­морегулятора, изображенная на рис. 3.

Схема терморегулятора с тиристором в силовой части свободна от явления "Триггерного эффекта".

Предположим, что данный терморегулятор ис­пользуют для инкубатора, необходимая температу­ра воздуха в нем должна быть в пределах +38.. .+39 градусов (данный диапазон температур выставля­ют переменным резистором R2). На ОУ микросхе­мы DA1 выполнен двухпороговый компаратор. Если температура в инкубаторе ниже +38 градусов, со противление терморезистора сравнительно боль­шое, напряжение на инверсном входе ОУ DA1 мень­ше напряжения на прямом входе (напряжение на прямом входе приблизительно 3,2 В), компаратор на ОУ находоггся в состоянии положительного на­сыщения (около 10 В на его выходе).

На управляющий электрод тринистора VS1 подается положительный потенциал относитель­но его катода, тиристор открыт, нагревательный элемент Rh включен.

При достижении температуры воздуха в ин­кубаторе +38 градусов сопротивление термо­резистора R3 уменьшается, компаратор на DA1 переходит в состояние отрицательного насыщения (отсутствие напряжения на его выходе).

На управляющем электроде тиристора устано­вится низкий потенциал относительно его катода , тиристор закроется, и нагреватель отключится от питаю­щей сети.

За счет того, что подстроечный резистор R5 с резис­тором R4 образуют цепь положительной обратной связи, включаться и выключаться нагреватель будет при немно­го разной температуре.

Таким образом, температура в инкубаторе поддержи­вается в пределах 4-38...+39 градусов (необходимую раз­ность температур выставляют подбором сопротивления резистора R5), и явление "триггерного эффекта" в дан­ной схеме терморегулятора отсутствует. При налажива­нии и эксплуатации устройства необходимо соблюдать осторожность и не касаться деталей, так как в схеме при­сутствует потенциал сети.

Целесообразно для более точной и плавной регули­ровки температуры подобрать переменный резистор R2.

Диоды VD1 ...VD4 можно исключить. В этом случае на нагревателе Ян будет только одна полуволна сетевого напряжения, т.е. при мощности 500 Вт на нагревателе будет выделяться 250 Вт, и значительно возрастет надеж­ность и долговечность самого нагревателя.

Печатные платы терморегуляторов рис. 1а и рис. 3 изображены на рис. 4.

Рисунки печатных плат (файл 2compiip) вы можете загрузить с сайта нашего журнала: http://www.radloliga.com (раздел "Программы")

Александр Маиысовский

Литература

1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная элек­троника. Москва. Энергоатомиздат. 1988 г.                                                                            ,

гюс. Шевченко Донецкой обл.