15.1. Двухпороговые компараторы. Word.

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.1,а,б изображены схемы терморегуляторов, в которых использованы
двухпороговые компараторы. Разность температуры включения и выключения реле К1
(РИС.1,а) подбирается подбором сопротивления резистора R2, - включения и выключения
тринистора VS1 (РИС.1,б) 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 двухпорогового компаратора (в данной статье –
РИС.2,а).
В данной схеме компаратора применена положительная обратная связь (ПОС) через
цепочку R1,R2, a входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ.
На РИС.2,б построена передаточная характеристика этого компаратора. Объясним ее
ход. При значительном отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ
Uвых.=Uвых.max. Напряжение Uпр. на прямом входе ОУ вызвано воздействием Uвых. и
Uо. Найдем его методом суперпозиции, учитывая, что для обоих напряжений цепочка
R1,R2 выполняет роль делителя:
Uпр.1=Uo R1/(R1+R2) + Uвых.max R2/(R1+R2) (1)
Компаратор будет в режиме положительного насыщения (Uвых.=Uвых.max.) при
Uвх.<Uпр.1. При Uвх.=Uпр.1 произойдет переключение компаратора. Остановимся на
этом процессе подробнее.
При Uвх.=Uпр.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 Uвых. достигает значения - Uвых.max. Таким
образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такой ускоренный ход
переключения какого – либо устройства под действием ПОС носит название
регенеративного процесса.
При Uвых.= - Uвых.max.
Uпр.2=Uo R1/(R1+R2) – Uвых.max. R2/(R1+R2) (2)
Отрицательное насыщение ОУ будет сохраняться при Uвх.>Uпр.2. При уменьшении
Uвх до значения Uпр.2 произойдет новое переключение компаратора, процесс опять
будет развиваться регенеративно и выходное напряжение мгновенно достигнет значения
Uвых.max. Таким образом, передаточная характеристика компаратора РИС.2,а имеет
гистерезисный характер и переключение компаратора при увеличении и уменьшении Uвх.
Происходит при разных напряжениях Uпр.1 и Uпр.2. Ширина петли гистерезиса (Uпр.1 –
Uпр.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,
двухполярный 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) превратятся в формулы (3) и (4) соответственно.
Uпр.1=Uo R1/(R1+R2) +Uвых.max. R2/(R1+R2) (3)
Uпр.2=Uo R1/(R1+R2) (4)
Вторая проблема посерьезнее. Чтобы компаратор на РИС.2,а 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,
сопротивление терморезистора сравнительно большое, напряжение на инверсном входе
ОУ DA1 меньше напряжения на прямом входе (напряжение на прямом входе
приблизительно 3,2В), компаратор на ОУ находится в состоянии положительного
насыщения (около 10В на его выходе).
На управляющий электрод тринистора VS1 подается положительный потенциал
относительно его катода, тиристор открыт, нагревательный элемент Rн 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 +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 Rн 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.1,а и РИС.3 изображены на РИС.4.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. Москва.
Энергоатомиздат. 1988г.