歐陽(yáng)宏志

(南華大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖南衡陽(yáng) 421001)

電壓比較器是集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的典型應(yīng)用,是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒幅與比較的電路,是組成非正弦波發(fā)生器的基本單元?？捎糜趫?bào)警器電路、自動(dòng)控制電路和測(cè)量電路,也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測(cè)電路、振蕩器及壓控振蕩器電路和過(guò)零檢測(cè)電路等。本文重點(diǎn)介紹電壓比較器典型電路的“三階段”分析方法,為電子設(shè)計(jì)與故障診斷提供理論依據(jù)。

1 概述

電壓比較器中的運(yùn)放一般處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)或接入正反饋,運(yùn)放工作在非線性狀態(tài),U--U+≠0,不具備“虛短”特點(diǎn)。且U--U+的大小將決定輸出[1]:

某時(shí)刻兩輸入端誰(shuí)的電位高,輸出就反映誰(shuí)的特征。當(dāng)U+>U-,輸出Uo趨于正向飽和;當(dāng)U+

(1)輸出電壓高、低電平的數(shù)值(一般由運(yùn)放輸出限幅電路求出);

(2)閾值電壓的大小(寫(xiě)出U-和U+的表達(dá)式令其相等,求出的輸入電壓即UT);

(3)輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓躍變的方向(輸入作用于反相端還是同相端,另外看Ui>UT還是Ui

2 三種主要的電壓比較器

2.1 單限比較器

如圖1所示的單限比較器只有一個(gè)閥值電壓。輸入電壓逐漸增大或者減小過(guò)程中,當(dāng)通過(guò)閥值電壓時(shí),輸出電壓產(chǎn)生躍變,從高電平躍變?yōu)榈碗娖?或者從低電平躍變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖1 單限比較器及其電壓傳輸特性

2.2 滯回比較器

為了提高電路的抗干擾的能力,在單限比較器的基礎(chǔ)上引入正反饋網(wǎng)絡(luò),則成了如圖2所示的具有兩個(gè)閥值電壓的滯回比較器[3]。輸入電壓的變化方向不同,閾值電壓也不同。它與單限比較器的相同之處在于:當(dāng)輸入電壓向單方向變化時(shí),輸出電壓只躍變一次。

圖2 滯回比較器及其電壓傳輸特性

2.3 窗口比較器

如圖3所示的窗口比較器又叫雙限比較器,常用兩個(gè)比較器組成。窗口比較器同樣具有兩個(gè)閥值電壓,與前兩種的區(qū)別在于輸入電壓在單一方向變化過(guò)程中,輸出電壓躍變兩次。

圖3 窗口比較器及其電壓傳輸特性

3 實(shí)例剖析

3.1 散熱風(fēng)扇自動(dòng)控制電路

這里介紹一種極簡(jiǎn)單的溫度控制電路,如圖4所示[4]。負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻RT粘貼在散熱片上檢測(cè)功率器件的溫度。當(dāng)5V電壓加在RT及R1電阻上時(shí),在A點(diǎn)有一個(gè)電壓VA。當(dāng)散熱片上的溫度上升時(shí),則熱敏電阻RT的阻值下降,使VA上升。RT的溫度特性如圖5所示。如果我們?cè)O(shè)定在80℃時(shí)應(yīng)接通散熱風(fēng)扇,這80℃即設(shè)定的閾值溫度TTH,在特性曲線上可找到在80℃時(shí)對(duì)應(yīng)的RT的阻值。R1的阻值是不變的,則可以計(jì)算出在80℃時(shí)的VA值。

圖4 溫度控制電路

R2與RP組成一個(gè)分壓器。當(dāng)5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時(shí),調(diào)節(jié)RP可以改變VB的電壓。VB值為比較器設(shè)定的閾值電壓,稱為VTH。設(shè)計(jì)時(shí)希望散熱片上的溫度T一旦超過(guò)80℃時(shí)接通散熱風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)散熱,則VTH的值應(yīng)等于80℃時(shí)的VA值。一旦出現(xiàn)VA>VTH,則比較器輸出低電平,繼電器K吸合,散熱風(fēng)扇得電工作,使大功率器件降溫。VA和VTH電壓變化及比較器輸出電壓VOUT的特性曲線如圖6所示。這里要說(shuō)清楚的是在VA開(kāi)始大于VTH時(shí),風(fēng)扇工作,但散熱體有較大的熱量,要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能把溫度T降到80℃以下。

從圖4所示的溫度控制電路可以看出,要改變閾值溫度 TTH十分方便,只要相應(yīng)地改變VTH值即可。VTH值增大,TTH增大;反之亦然。只要RT值及其溫度特性確定,便可求出R1、R2和 RP。

3.2 電磁爐過(guò)壓保護(hù)電路

圖5 RT的溫度特性曲線

圖6 Vout隨VA變化曲線

圖7為某電磁爐的電網(wǎng)過(guò)電壓檢測(cè)電路。電網(wǎng)正常時(shí),LM339的U4<2.8V,U5=2.8V,輸出開(kāi)路,過(guò)電壓保護(hù)電路不工作,作為正反饋的射極跟隨器BG1是導(dǎo)通的。當(dāng)電網(wǎng)電壓大于242V時(shí),U4>2.8V,比較器翻轉(zhuǎn),輸出為0V,BG1截止。U5的電壓就完全決定于R1與R2的分壓值,為2.7V,促使U4更大于U5,這可避免過(guò)壓點(diǎn)附近由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)導(dǎo)致的不穩(wěn)定。在過(guò)電壓保護(hù)后,電網(wǎng)電壓下降到242-5=237V時(shí),U4

圖7 電磁爐過(guò)壓保護(hù)電路

4 結(jié)語(yǔ)

電壓比較器的設(shè)計(jì)是針對(duì)電壓門限比較而用的,要求的比較門限精確,比較后的輸出邊沿上升或下降時(shí)間要短,輸出符合T TL/CMOS電平或OC門等,不要求中間環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確度。一般情況用運(yùn)放做電壓比較器,通常達(dá)不到滿幅輸出,或比較后的邊沿時(shí)間過(guò)長(zhǎng),因此設(shè)計(jì)中少用運(yùn)放做電壓比較器為佳。電壓比較器電路分析較復(fù)雜,而且容易與運(yùn)放構(gòu)成的放大電路混淆,我們只要掌握“三階段”學(xué)習(xí)方法,抓住要點(diǎn),再加上在實(shí)踐中適時(shí)比較、歸納和總結(jié),不管是對(duì)于電子工程設(shè)計(jì)還是電子設(shè)備維修,都是大有裨益的。

[1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006:454-461

[2] 童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006:423-433

[3] 乜國(guó)荃.集成運(yùn)放和電壓比較器[J].甘肅:青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006(2):48-49

[4] 王俊峰.實(shí)用電路手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:324-328