Zaujímavé obvody a ich použitie – LM 139, 239, 339

Integrovaný obvod s typovým označením LM 139, 239 a 339 je nízkopríkonový štvornásobný komparátor, ktorý vyrába viac výrobcov integrovaných obvodov. Maximálne napájacie napätie je + 2 V až + 36 V pri nesymetrickom napájaní a ± 1 V až ± 18 V pri symetrickom napájaní, vstupné napätie je − 0,3 V až + 36 V.

Komparátor je definovaný ako elektronický obvod, ktorý porovnáva vstupné napätie pripojené na jeden vstup komparátora s referenčným napätím pripojeným na druhý vstup komparátora a pri ich zhode dochádza k zmene stavu výstupu. Môže to byť zmena z nízkej úrovne na vysokú alebo naopak, čo závisí od zapojenia komparátora. Základná schéma zapojenia a priebehy vstupného a výstupného napätia neinvertujúceho komparátora je na obr. 1, kde je aj nastavenie generátora trojuholníkového signálu. K zmene stavu výstupu dochádza všeobecne pri dvoch úrovniach, ktorých veľkosť závisí od hodnôt súčiastok a veľkosti napätí.

Obr. 1 Schéma zapojenia neinvertujúceho komparátora a priebeh vstupného a výstupného napätia

Ide o komparátor s hysteréziou, ktorého úrovne preklápania môžeme vypočítať zo vzťahov (1) a (2). Hysteréziu môžeme vypočítať zo vzťahu (3).

v schéme zapojenia (obr. 1) je zdrojom U_ref zdroj V₁

Na základe vzorcov (1), (2) a (3) môžeme navrhnúť komparátor. Máme zadané R_L = 100 kΩ, U_i1 = 10 V, U_i2 = 5 V a U_cc = 15 V. Odpor rezistora R₃ = R_{pull – up} vypočítame zo vzťahu (4).

Prúd I_sink zistíme z katalógových údajov. V praxi volíme prúd o niečo menší, napríklad 4 mA až 5 mA, pretože so zmenšovaním odporu rastie prúd, a tým aj úbytok napätia na výstupnom open collector tranzistore, čo sa prejaví pomerne veľkým úbytkom napätia na výstupe. Zvolíme hodnotu odporu 3 kΩ. Tejto hodnote zodpovedá prúd 4,9 mA a napätie na výstupe 337 mV. Zo vzťahu (5) vypočítame pomer R₁ / R₂.

Zo vzťahu (6) vypočítame veľkosť referenčného napätia U_ref.

Zvolíme hodnotu rezistora R₂ = 1 MΩ a vypočítame zo vzťahu (7) hodnotu odporu rezistora R₂.

Volíme rezistor z radu E12 – 330K.

Porovnaním vypočítaných a simulovaných hodnôt zistíme, že rozdiely sú minimálne. V_in1 je 9,975 V a 9,87 V, rozdiel je 105 mV a V_in2 je 4,95 V a 5,03 V, rozdiel je 80 mV.

Obr. 2 Schéma zapojenia obvodu oneskorenia výstupných signálov a priebehy vstupného, výstupných napätí a napätia na kondenzátore

Na obr. 2 je schéma zapojenia obvodu, ktorý oneskorí na výstupoch U_o1 až U_o3 nábežnú hranu vstupného impulzu. Deličom napätia, ktorý je zložený z rezistorov R₄, R₅, R₆ a R₇, vytvoríme napätia, pri ktorých má komparátor preklápať. Napätia majú veľkosť + 2,17 V, + 4,33 V a + 6,51 V. Kondenzátor C₁ sa cez rezistor R₃ nabíja zo zdroja napätia veľkosti 15 V. Vidíme, že napätie na kondenzátore exponenciálne rastie a v okamihu, keď dosiahne hodnotu nastavenú deličom napätia, príslušný komparátor preklopí. Čas oneskorenia sa dá nastaviť veľkosťou odporu rezistora R₃ a veľkosťou kapacity kondenzátora C₁. Obvod sa dá využiť napríklad tam, kde potrebujeme postupne spínať rôzne spotrebiče alebo zariadenia.

Obr. 3 Schéma zapojenia generátora pravouhlého a trojuholníkového signálu riadeného napätím a priebeh vstupného a výstupného napätia

Ďalším zaujímavým obvodom, ktorého schéma zapojenia je na obr. 3, ktorý je realizovaný pomocou komparátorov, je generátor pravouhlého a trojuholníkového napätia, ktorý je riadený napätím. Výstup trojuholníkového signálu je O_u1 a pravouhlého O_u2. Pri vstupnom napätí U_in = 0,25 V je perióda T = 4,275 ms, frekvencia f = 233,92 Hz, pri vstupnom napätí U_in = 10 V je perióda T = 105 μs, frekvencia f = 233,92 Hz a pri vstupnom napätí U_in = 50 V je perióda T = 39,8 μs, frekvencia f = 39,8 kHz. Keď porovnáme najnižšiu a najvyššiu frekvenciu, zistíme, že preladenie je viac ako cez dve dekády. Amplitúda na výstupe U_o1 je 2,5 V a kolíše okolo hodnoty 15 V, na výstupe U_o2 je 30 V. Zapojenie môžeme využiť všade tam, kde potrebujeme rozmetať frekvenciu generovaného signálu napätím, napríklad pílovým napätím.

Obr. 4 Schéma zapojenia spúšťaného generátora jednotlivých impulzov a priebeh vstupného, výstupného napätia

Zapojenie na obr. 4 predstavuje spúšťaný generátor jednotlivých impulzov. Po privedení vstupného impulzu so šírkou 250 μs a amplitúdou 10 V sa na výstupe objaví nábežná hrana výstupného impulzu. Potom sa kondenzátor C₁ nabíja cez rezistor R₆ dovtedy, kým napätie na ňom nedosiahne hodnotu danú deličom napätia R₇ a R₈. V tom okamihu dochádza ku komparácii a stav výstupu sa zmení a výstupný impulz sa skončí. Dĺžka výstupného impulzu je 3,62 ms a závisí od časovej konštanty nabíjacieho obvodu.

V katalógových listoch a tiež v aplikačných listoch obvodov LM139, 239, 339 je množstvo ďalších zapojení, ktoré (okrem tých, ktoré sú opísané v tomto článku) iste nájdu uplatnenie v praxi elektronika.

Ide napríklad o:

• rôzne okienkové komparátory,
• generátory obdĺžníkového priebehu bez aj s kryštálom,
• hradlá realizované pomocou komparátorov,
• astabilný a bistabilný preklápací obvod,
• obvody indikácie prechodu nulou,
• použitie komparátora zapojeného ako operačný zosilňovač,
• senzor teploty a alarm,
• šírkovo-impulzný modulátor,
• detektor kladných alebo záporných špičiek.

Obvody LM139, 239, 339 umožňujú realizáciu veľkého množstva užitočných obvodov pre prax jednoduchou aplikáciou toho, čo odporúča výrobca. V niektorých zapojeniach môžeme urobiť zmeny tak, aby obvody vyhovovali našim požiadavkám. Vždy však treba dodržať maximálne hodnoty napätí a prúdov (resp. iné hodnoty), ktorých prekročením by mohlo dôjsť k zničeniu obvodov. V článku je použitý simulačný program MultiSIM 13.0.1.

Upozorňujem čitateľov časopisu, ktorí si budú chcieť skúsiť simuláciu (aj v ktorejkoľvek nižšej verzii MultiSIM-u, že priebehy získané tranzientou analýzou alebo osciloskopom sa zobrazia správne iba vtedy, keď pri simulácii zvolíme dostatočne malý časový krok. Odporúčame nastaviť Maximum time step na hodnotu 1e-007s (implicitne je nastavená hodnota kroku 1e-005s). Zmenšením kroku času sa predĺži čas potrebný na simuláciu.