Komparator napona

Uvod

Komparator napona je bistabilni skop (flip-flop) koji uspoređuje dva analogna signala na ulazu i u zavisnosti od ishoda usporedbe daje HIGH ili LOW na izlazu. Možemo ga zamisliti kao mali "multimetar" s prekidačem. Kada je izmjereni napon veći na prvom ulazom pinu prekidač je uključen, dok u slučaju većeg napona na drugom ulaznom pinu prekidač se isključuje. Iako postoje različiti modeli komparatora napona, mi ćemo ga proučavati na primjeru LM393. Koji je vjerojatno i najčešće korišteni.

LM393 - Osnovne karakteristike

DSC_4831
LM393 komparator napona na MQ breakout pločici

Ovaj komparator nalazi se na mnoštvu breakout modula koje koristimo s Arduinom, stoga je dobar primjer za pokazati njegovu svrhu. LM393 je "Low Power, Low offset Voltage, Single supply, Dual, Differencial comparator".

  • Low power - komparator koristi vrlo malo struje za svoj rad
  • Low offset voltage - može uspoređivati vrlo slične napone
  • Single supply - koristi isti izvor napajanja kao točke koje uspoređujemo
  • Dual - ovaj model ima dva komparatora na chipu
  • Differential - znači da uspoređuje dva ulazna napona u ovisnosti jedan o drugom, a ne o nekom konstantom naponu

Treba imati na umu da ne postoji idealni komparator, odnosno onakav kakvim smo ga definirali gore u tekstu. U stvarnosti se pojavljuju šumovi, odgođeno vrijeme odaziva, naponski offset i slični. Ove i druge karakteristike uvijek možete pronaći u datasheet-u (LM393 datasheet).

LM393 - Pinout

LM393-pinout
LM393 je 8-pinski integrirani krug, kako pokazuje i slika. Dva pina su ulazi za napajanje Vcc i GND. Vcc je pozitivni terminal izvora napajanja, prema datasheet-u do +36V, dok je GND negativni terminal. Ova dva terminala omogućuju da komparator radi.
Jednom kada spojimo izvor napajanja na chip, potrebno mu je dati i dva napona na usporedbu. Kao što je već spomenuto, LM393 ima dva međusobno nezavisna operacijska pojačala (op-amp). ln1(-) i ln1(+) su ulazi za prvo opreacijsko pojačalo (Output1), dok su ln2(-) i ln2(+) ulazi za drugo (Output2). ln1(+) i ln2(+) nazivamo neinvertiranim, a ln1(-) u ln2(-) invertiranim ulazima.
Kada je napon u neinvertiranom ulazu veći od onog na invertiranom output pin ide prema maksimalnoj pozitivnoj vrijednosti - HIGH (Vcc). U slučaju da napon neinvertnog padne ispod napona invertnog ulaza, output ide prema maksimalnoj negativnoj vrijednosti - LOW (GND). Izaz je, naravno, ograničen na vrijednosti napajanja koje smo doveli na Vcc/GND pinove.

Primjer

Sada kada znamo kako komparator napona radi, možemo složiti naš strujni krug. Napraviti ćemo to na primjeru noćnog svjetla. Pomoću fotootpornika očitavati ćemo količinu svjetla, a LM393 biti će switch koji pali odnosno gasi LED diodu. Ovo je ustvari optički senzor svjetlosti.
Fotootpornik: Prije nego nastavimo, kratko ćemo objasniti kako fotootpornik radi. Količina otpora fotootpornika ovisi o količini svjetla koja pada na njega. Kada je u tami količina otpora je velika, dok pri izloženosti svjetlu daje mali otpor. U nekakvim realnim uvjetima otpor u mraku bi bio otprilike 200kΩ, a pri jakom svjetlu 1-2kΩ. Za više pogledaj datasheet.
Za potrebe ovog projekta koristiti ćemo samo ln1(-) i ln(+) ulaze i Output1 izlaz. Krenimo redom. Prvo ćemo spojiti izvor napajanja na Vcc i GND pin komparatora. Kao izvor možemo koristiti bateriju od 9V.

lm393a

 

Sljedeći korak je složiti voltage divider s otpornikom fiksne vrijednosti i fotootpornikom. Fiksi otpornik neka bude 10kΩ, što će nam na izlazu davati vrijednosti od 0.429V kada je fotootpornik u mraku (daje 200kΩ otpora) i 7.5V kada je fotootpornik izložen svjetlu (daje 2kΩ otpora). Hoćemo li taj izlazni napon spojiti na ln(-) ili ln(+) nam je potpuno svejedno u ovom slučaju, nešto poslije više o tome. Pa hajmo ga spojiti na invertni ulaz, ln1(-) - žuta žica.

lm393b

Nakon toga spojiti ćemo ulazni napon za usporedbu i to preko 10kΩ potenciometra kako bismo mogli podesiti osjetljivost strujnog kruga. Potenciometar spojamo tako da na rubne pinove spojimo referentne napone. Na lijevi pin spojiti ćemo GND, a na desni +9V. Centralni pin je naš izlani napon te ga spajamo na neinvertni ulaz komparatora ln1(+). Napon koji centralni pin daje ovisi o položaju potenciometra. Ako ga okrenemo potpuno lijevo, odnosno prema GND, izlazni napon će će težiti prema 0V. Kako ga okrećemo u smjeru kazaljke na satu, izlazni napon se proporcionalno povećava prema +9V. Za početak možemo ga staviti otprilike na središnji položaj.

lm393c

Ono što će se događati je sljedeće:

    • u tami: napon na invertnom pin ln1(-) je manji od onog na neinvertnomln1(+), stoga na izlazu dobivamo GND
    • pri svjetlu: napon na invertnom pinu ln1(-) će biti veći od onog na neinvertnom ln1(+), stoga na izlazu dobivamo Vcc (+9V)

S obzirom da želimo da LED dioda svjetli u tami, Output pin spojiti ćemo s katodom(-) LED diode. Dok ćemo anodu(+) preko 330Ω spojiti na +9V.

lm393d

U slučaju da smo zamjenili invertni i neinvertni ulaz na komparatoru napona, pri tami na izlazu bi dobivali +9V. Tada bismo samo taj izlaz spojili na anodu LED diode, dok bi katodu spojili na GND. Naravno, preko nekog otpornika.

Leave a Reply