Circuits de comparaison utilisant IC 741, IC 311, IC 339

La fonction de base d'un circuit comparateur est de comparer deux niveaux de tension à ses broches d'entrée et de produire une sortie pour montrer quelle tension d'entrée a un potentiel plus élevé que l'autre.

Dans cet article, nous allons apprendre en détail comment concevoir correctement des circuits de comparaison à l'aide de circuits intégrés populaires tels que IC 741, IC 311 et IC LM339

Différence entre un comparateur et un ampli opérationnel

L'IC 741 est un exemple idéal d'ampli op unique, et l'IC LM311 peut être considéré comme un bon exemple de comparateur unique dédié.

Vous trouverez ces deux unités ayant un symbole d'appareil en forme de «triangle» identique en interne, que nous reconnaissons et utilisons normalement pour dessiner des circuits de comparaison. Cependant, la réponse de sortie de ces deux formes de comparateurs peut présenter quelques différences majeures.

Bien qu'un ampli opérationnel et un comparateur puissent tous deux être configurés pour comparer des signaux différentiels sur leurs broches d'entrée, les principales différences entre les deux homologues sont:

• En état alimenté, la sortie d'un ampli opérationnel sera positive ou négative, en fonction des niveaux de tension des broches d'entrée, mais ne pourra jamais être ouverte. En revanche, une sortie de comparateur peut être ouverte ou mise à la terre (négative), ou flottante.
• Une sortie d'ampli opérationnel peut fonctionner sans aucune résistance pull up ou pull down, mais un comparateur nécessitera toujours une résistance pull-up ou pull down externe pour permettre à l'étage de sortie de fonctionner normalement.
• Un ampli opérationnel peut être utilisé pour construire des circuits d'amplification à gain élevé, un comparateur ne peut pas être utilisé pour de telles applications.
• La réponse de commutation de sortie d'un ampli opérationnel est généralement plus lente que celle d'un IC comparateur.

Une conception de circuit comparateur classique peut être vue dans la figure suivante:

Ici, la sortie répond avec un signal numérique «haut», chaque fois que la tension à l'entrée non inverseuse (+) est supérieure à l'entrée inverseuse (-). À l'opposé, la sortie devient un signal numérique bas, chaque fois que la tension d'entrée non inverseuse est inférieure à la tension d'entrée inverseuse.

En se référant à la figure ci-dessus, nous pouvons voir une connexion standard d'un circuit comparateur ayant une entrée (l'entrée inverseuse dans cet exemple) configurée avec une tension de référence, et l'autre broche d'entrée qui est l'entrée non inverseuse connectée à une tension de signal d'entrée .

Pendant le temps où Vin est maintenu à une tension inférieure à la tension de référence de +2 V, la sortie reste faible à environ -10 V.Si Vin est augmenté juste au-dessus de +2 V, la sortie change instantanément d'état et devient élevée à environ + 10 V. Ce changement d'état à la sortie de -10 V à +10 V indique que le Vin est devenu supérieur à la référence +2 V.

Le composant principal à l'intérieur de tout comparateur est un circuit d'ampli op, qui se règle à un gain de tension très élevé. Pour étudier le fonctionnement d'un comparateur avec précision, nous pouvons prendre l'exemple de l'IC 741, comme illustré ci-dessous:

Ici, nous pouvons voir que l'entrée inverseuse pin2 (-) est référencée à la terre, ou à un niveau 0 V. Un signal sinusoïdal est appliqué sur la broche 3 qui est l'entrée non inverseuse de l'ampli opérationnel. Ce signal sinusoïdal variant en alternance amène la sortie à commuter entre les états de sortie haut et bas, comme indiqué sur le côté droit de l'image.

Lorsque l'entrée Vin se déplace même d'un millivolt au-dessus de la référence 0 V, la différence est amplifiée par l'amplificateur opérationnel interne à gain élevé du circuit intégré, ce qui fait monter la sortie au niveau de saturation positif de sortie. Cette condition est maintenue tant que le signal Vin reste au-dessus de la référence 0 V.

Désormais, dès que le niveau du signal chute d'une ombre en dessous de la référence 0 V, la sortie est entraînée à son niveau de saturation inférieur. Là encore, cette condition est maintenue tant que le signal d'entrée Vin reste en dessous du niveau de référence 0 V.

L'explication ci-dessus et la forme d'onde présentée dans l'image indiquent clairement la réponse numérique de la sortie pour un signal d'entrée variant linéairement.

Pour les applications normales, le niveau de référence ne doit pas nécessairement être à 0 V, mais peut être n'importe quel niveau positif selon l'exigence. Et, si nécessaire, la référence peut également être connectée aux lignes d'alimentation positives ou négatives, tandis que le signal d'entrée est appliqué à l'autre broche d'entrée.

Utilisation de l'IC 741 comme comparateur

Dans l'exemple suivant, nous allons apprendre comment utiliser un ampli op comme comparateur

Sur la figure, nous pouvons voir un circuit d'ampli opérationnel fonctionnant avec une référence positive définie sur sa broche d'entrée inverseuse (-). La sortie est reliée à une LED.

En utilisant la formule du réseau diviseur de tension, nous pouvons calculer la valeur de tension de référence sur la broche d'entrée (-) du circuit intégré.

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

Puisque cette référence est associée à la broche (-) du circuit intégré, si la tension Vin à l'entrée (+) dépasse cette référence ou devient plus positive que la référence, forcera la sortie Vo à passer à son niveau de saturation positif.

Cela provoquera l'allumage de la LED, indiquant que Vin est devenu plus positif que le niveau de référence de +6 V.

Inversement, si l'entrée non inverseuse (+) est configurée comme broche de référence et que Vin est appliqué à la broche d'entrée inverseuse (-), la sortie passera au niveau bas dès que l'entrée Vin passera en dessous de la valeur de référence, et vice versa.

Cela provoquera instantanément l'extinction de la LED.

Par conséquent, la LED peut être activée ou désactivée pour un signal d'entrée donné, en câblant de manière appropriée la broche d'entrée avec le niveau de référence et le signal d'entrée.

Utilisation d'unités IC de comparaison spécialisées

Normalement, les amplis opérationnels fonctionnent très bien comme circuits de comparaison, mais l'utilisation d'un IC comparateur dédié fonctionne encore mieux qu'un ampli opérationnel pour une application de comparaison.

Les circuits intégrés de comparaison sont spécifiquement conçus pour la fonction de comparateur et présentent une réponse améliorée telle qu'une commutation plus rapide à la sortie entre les niveaux positifs et négatifs.

Ces circuits intégrés possèdent une meilleure immunité au bruit et, à de nombreuses occasions, les sorties peuvent être directement utilisées pour piloter une charge.

Découvrons en détail quelques CI de comparaison populaires à partir de la discussion suivante.

Circuit de comparaison utilisant IC 311

La figure ci-dessus montre la disposition interne et les détails de brochage du comparateur IC 311. Le CI est conçu pour fonctionner à partir d'une double alimentation également, dans la plage de +15 V et -15 V, qui est un niveau standard compatible pour tous CI numériques modernes.

L'étage de sortie à l'intérieur du CI a un transistor bipolaire, ayant des bornes flottantes de collecteur et d'émetteur. Cela signifie que la sortie de ce transistor peut être configurée peut être configurée de deux manières différentes:

1. En ajoutant une résistance pull-up avec la broche de collecteur 7 et en mettant à la terre la broche d'émetteur 1, puis en utilisant le collecteur comme sortie.
2. En joignant le collecteur avec la ligne positive et en utilisant l'émetteur comme sortie.

La sortie transistor peut également être utilisée pour piloter un relais ou une petite charge telle qu'une lampe directement sans aucun étage tampon externe.

L'IC dispose également d'une balance et d'une entrée stroboscopique qui peuvent être déclenchées avec la sortie.

Nous discuterons de quelques applications utiles de ce CI dans les sections suivantes:

La figure ci-dessus montre comment l'IC 311 peut être configuré comme un détecteur de passage par zéro comparateur pour détecter la tension d'entrée, chaque fois qu'elle franchit la ligne zéro.

L'entrée inverseuse (-) du 311 peut être vue jointe à la terre. Pendant la période pendant laquelle le signal d'entrée est au niveau positif, le transistor de sortie reste allumé, ce qui crée un bas (-10 dans cet exemple) à la sortie (collecteur de transistor).

Dès que le signal d'entrée devient négatif ou inférieur à 0 V, le transistor est désactivé. Cela crée un + 10V positif à la sortie du collecteur du circuit intégré. Cela nous permet de savoir quand le signal d'entrée est au-dessus du niveau zéro et quand il est tombé en dessous du niveau zéro.

La figure suivante ci-dessous montre comment le comparateur IC 311 peut être utilisé pour créer un circuit stroboscopique.

Dans cet exemple de circuit comparateur, la broche de sortie 7 devient élevée lorsque le niveau de tension de la broche3 augmente au-dessus de la référence de la broche2. Mais cela ne peut se produire que lorsque la broche d'entrée stroboscopique de la pin6 est basse ou à 0 V.

Lorsqu'un stroboscope TTL élevé est appliqué à la base du transistor, la broche 6 devient basse, provoquant la désactivation du transistor de sortie IC, et permettant ainsi à la broche 7 de passer à l'état haut.

La sortie continue à être élevée tant que l'entrée TTL est maintenue haute, quelle que soit la condition du signal d'entrée sur la broche 3.

Cependant, si le signal TTL est appliqué sous forme stroboscopique, la sortie répond au signal d'entrée à la broche 3. En termes simples, la sortie reste verrouillée à l'état haut, sauf si la broche6 est stroboscopique.

Comment connecter un relais à un comparateur

La figure suivante ci-dessous montre comment le comparateur 311 peut être utilisé directement pour faire fonctionner un relais .

Ici, lorsque le niveau de tension à la broche d'entrée 2 tombe en dessous de 0 V, la broche3 devient plus positive que la broche2. Cela provoque la désactivation du collecteur du transistor interne, ce qui active le relais. Le contacts du relais pourrait être câblé avec une charge plus lourde pour exécuter une action de commutation souhaitée.

Tant que l'entrée (+) sur la broche 2 reste inférieure à 0 V, le relais reste allumé. A l'inverse, lorsqu'un signal positif est disponible sur la broche 2, le relais restera éteint.

Circuit comparateur utilisant IC 339

L'IC 339, également populairement écrit comme LM339, est un circuit intégré à quatre comparateurs. Cela signifie qu'il comprend 4 comparateurs de tension séparés dont les entrées et les sorties sont terminées de manière appropriée via les broches externes respectives du boîtier IC, comme indiqué ci-dessous.

Tout comme tout autre comparateur, chaque bloc comparateur a deux entrées et une sortie. Lorsque le circuit intégré est alimenté en appliquant une tension aux bornes Vcc et aux broches d'alimentation à la terre, il alimente tous les comparateurs ensemble. Ainsi, même si un seul comparateur est utilisé, les 3 autres consomment de l'énergie.

Tous les comparateurs ont des caractéristiques exactement identiques, nous pouvons donc analyser n'importe lequel d'entre eux pour apprendre la fonction de base du comparateur.

Lorsqu'une entrée différentielle positive est appliquée aux bornes d'entrée, c'est-à-dire lorsque la différence entre les signaux appliqués est positive, elle désactive le transistor de sortie. Cela provoque la sortie pour afficher un circuit ouvert ou une ouverture flottante.

Lorsque l'entrée différentielle est négative, c'est-à-dire lorsque la différence entre les signaux appliqués aux broches d'entrée est négative, elle active le transistor de sortie du comparateur, ce qui fait que la broche de sortie du comparateur devient négative ou au potentiel V.

En se référant à la figure ci-dessus, nous pouvons comprendre que lorsque l'entrée non inverseuse (+) du CI est utilisée comme broche de référence, une tension inférieure à cette référence au niveau de la broche d'entrée inverseuse (-) entraînera la sortie du comparateur pour devenir ouvert. D'un autre côté, si le (-) est utilisé comme broche de référence, un niveau de tension à l'entrée (+) supérieur à la référence entraînera la sortie négative ou à V-

Afin d'apprendre comment l'IC 339 fonctionne comme un comparateur, l'exemple suivant montre l'IC comme un détecteur de passage à zéro.

Au moment où le signal d'entrée dépasse 0 V, la sortie devient élevée au niveau V +. La sortie est désactivée à V- uniquement lorsque l'entrée est maintenue en dessous de 0 V.

Comme expliqué précédemment, le niveau de référence n'a pas besoin d'être 0 V, il peut être changé à n'importe quel autre niveau souhaité. De plus, vous pouvez également utiliser l'autre broche d'entrée (+) comme broche de référence et la broche d'entrée (-) comme broche d'entrée de signal pour accepter le signal d'entrée variable.

Avantage d'avoir une sortie flottante dans les circuits intégrés de comparaison

Comme discuté dans les explications précédentes, la sortie des comparateurs est commutée via BJT qui ont un collecteur ouvert comme sortie. Cela donne l'avantage de connecter les sorties de deux comparateurs de l'IC 339 directement comme un OU porte .

Un bel exemple de circuit de comparateur de fenêtre peut être vu ci-dessous. Ici, deux blocs de comparateurs IC 339 sont configurés avec un seul signal d'entrée commun, et les sorties sont jointes comme une porte OU.

La sortie des comparateurs respectifs devient basse chaque fois que le signal d'entrée franchit soit le seuil réglé inférieur soit le seuil établi supérieur, permettant ainsi à l'utilisateur de savoir quand le signal est en dehors du niveau de fenêtre réglé.

Un comparateur de fenêtre peut être utilisé pour des applications utiles telles que protecteur haute basse tension circuit, et traqueur solaire circuit etc.

Conclusion

À partir des explications ci-dessus, nous avons appris que:

Les comparateurs sont essentiellement des unités ayant deux entrées complémentaires et une sortie réactive. La sortie devient haute ou basse lorsque le niveau de tension sur l'une des entrées devient supérieur ou inférieur à l'autre entrée, selon l'entrée utilisée comme référence ou à un niveau de tension fixe.

Bien qu'un ampli opérationnel puisse également être utilisé comme un comparateur, les circuits intégrés de comparaison spécialisés sont mieux conçus pour fonctionner comme des comparateurs.

Les circuits intégrés de comparaison dédiés tels que LM311, LM339 sont spécialement conçus pour les applications de comparateur, avec une réponse plus rapide et une capacité de sortie à courant élevé flexible.

Si vous avez des questions connexes, n'hésitez pas à les poser via la zone de commentaires ci-dessous.