Компараторы напряжений — контроль температуры путем сравнения

Программируемые оконные компараторы напряжений для сравнения двух электрических сигналов на входе и выходе

---

Компараторы напряжений — цель этой лабораторной работы, использование двух высокоскоростных устройства напряжения в качестве оконного компаратора и запрограммировать программируемый регулятор температуры TMP01 с низким энергопотреблением, используя этот подход.

Оконный компаратор — это конфигурация схемы, в которую входят парные компараторы напряжений (инвертирующих и неинвертирующих), где выходной сигнал указывает, находится ли входной сигнал в пределах диапазона напряжения, ограниченного двумя различными пороговыми значениями.

Тот, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении некоторого верхнего порога напряжения, V_REF(HIGH), и тот, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении нижнего порогового уровня напряжения, V_REF(LOW). Уровни напряжения между этими двумя верхними и нижними опорными напряжениями называются «окном».

Используемые материалы

Модуль активного обучения ADALM2000

Макет без пайки и комплект перемычек

2 — AD8561 Компараторы
1 — 2N3904 NPN транзистор
2 — 1N914 небольшие сигнальные диоды
1 — светодиод (любой цвет)
3 — резистор 10 кОм
1 — резистор 20 кОм
1 — резистор 470Ом

Оконные компараторы напряжений

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 1.

Рисунок 1 Оконный компаратор

В схеме используется сеть делителей напряжения, сформированная из трех резисторов равного значения R1 = R2 = R3. Падение напряжения на каждом резисторе будут также равны одной трети опорного напряжения (V_REF). Поэтому верхнее значение (V_{REF (HIGH)}) установлено на 2/3V_REF, а нижнее значение на 1/3V_REF.

Учитывая, что мы используем, когда V_IN находится ниже нижнего уровня напряжения (V_REF(LOW)), что соответствует 1/3V_REF, выходной сигнал будет HIGH, а D2 будет открыт в прямом направлении. Из-за положительного напряжения на базе npn-транзистора Q1 переходит в насыщение. Таким образом, выходное напряжение равно нулю, и напряжение питания на R5 и D3 упадет, включив при этом светодиод.

Когда значение V_IN превышает этот нижний уровень напряжения на 1/3V_REF, и оно ниже 2/3V_REF (V_REF(HIGH)), выходы обоих компараторов будут НИЗКИМИ, а диоды находятся в обратном смещении. В это время на базу Q1 не подается напряжение, транзистор отключен, и ток коллектора не протекает через R6, R5, D3. Выходное напряжение — это напряжение питания V+.

Когда V_IN выше верхнего уровня напряжения (V_REF(HIGH)), что соответствует 2/3V_REF, выходной сигнал будет ВЫСОКИМ, а D1 будет открыт в прямом направлении. Из-за положительного напряжения на базе npn-транзистора Q1 он переходит в насыщение. Таким образом, выходное напряжение равно нулю, и напряжение питания упадет на R5 и D3, включив светодиод.

Настройка оборудования

Постройте следующую конструкцию для схемы оконного компаратора.

Рисунок 2. Схема оконного компаратора

Компараторы напряжений — процесс построения

В первую очередь используйте первый генератор сигналов (W1) в качестве источника, чтобы обеспечить треугольный сигнал с амплитудой 5 В от пика до пика, частотой 100 Гц и смещением 2,5 В.

Используйте второй генератор сигналов (W2) в качестве источника постоянного опорного напряжения 5V.

Подайте напряжение на схему от источник питания 5 В.

Настройте область окна так, чтобы выходной сигнал отображался на канале 2, а входной сигнал отображался на канале 1.

Пример построения представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Окно формы волны компаратора

На графике «окна» можно заметить, когда входное напряжение находится между верхним и нижним опорным напряжением.

Контроль температуры

Здесь представлен пример как применяются оконные компараторы напряжений, в данном случае является простая схема контроллера температуры (рис. 2). Датчик температуры TMP01 имеет встроенную конфигурацию двойного компаратора, показанную на рис. 1. Выбирая правильные значения для R₁, R₂ и R₃, схема контролирует, удерживается ли температура в требуемом диапазоне (25± ~ 10°C).

TMP01 — это линейный датчик температуры выходного напряжения с оконным компаратором, который может быть запрограммирован пользователем для активации одного из двух выходов с открытым коллектором, когда превышено заданное значение температуры. Значение низкого дрейфа напряжения для установки программирования. Соединяя два выхода с открытым коллектором вместе, в виде однопроводного выхода, мы можем получить сигнал, который находится на логически высоком уровне, когда температура окружающей среды находится внутри окна.

Рисунок 4 Датчик температуры окна компаратора

Программирование TMP01

В базовом приложении с фиксированной установкой, используется простой резисторный делитель напряжения лестничного типа, желаемые установки температуры программируются в следующей последовательности:

1. Выберите желаемую температуру гистерезиса.
2. Вычислите ток гистерезиса I_VREF.
3. Выберите желаемое заданное значение температуры.
4. Рассчитайте значения отдельных цепей резисторных делителей, необходимые для получения заданных напряжений компаратора при ВЫСОКИХ и НИЗКИХ значениях.

Ток гистерезиса легко рассчитывается. Например, для 2-х степеней гистерезиса I_VREF = 17 мкА. Далее, заданные значения напряжения V_SETHIGH и V_SETLOW определяются с использованием масштабного коэффициента VPTAT, равного 5 мВ/К = 5 мВ/(°C + 273,15), что составляет 1,49v для 25°C. Затем рассчитайте резисторы делителя на основе этих заданных значений. Уравнения, используемые для расчета резисторов:

V_SETHIGH = (T_SETHIGH+ 273,15)(5 мВ/°C)

V_SETLOW = (T_SETLOW+ 273.15)(5 мВ/°C)

R₁(в кОм) = (V _VREF -V_SETHIGH)/I_VREF = (2,5 В -V_SETHIGH)/I_VREF

R₂(в кОм) = (V_SETHIGH -V_SETLOW)/I_VREF

R₃ (в кОм) = V_SETLOW/I_VREF

Суммарное значение R₁ + R₂ + R₃ равно сопротивлению нагрузки, необходимой для получения требуемого тока гистерезиса из задания или I_VREF.

I_VREF = 2,5 В/(R₁ + R₂ + R₃)

Поскольку V_REF = 2,5 В, с эталонным сопротивлением нагрузки 357 кОм или выше (выходной ток 7 мкА или менее), гистерезис заданного значения температуры равен нулю градусов. Большие значения сопротивления нагрузки только уменьшают выходной ток ниже 7 мкА и не влияют на работу устройства. Величина гистерезиса определяется путем выбора значения сопротивления нагрузки для VREF.

Задачи для решений

1. Постройте следующую схему:

Рисунок 5 Измерение температуры

Измерьте выходное значение VPTAT и вычислите фактическую измеренную температуру в градусах Кельвина и градусах Цельсия.

2. Постройте следующую схему:

Рисунок 6 Контроль температуры

2.а Определите компоненты и попытайтесь нарисовать принципиальную схему.

2.b. Используя информацию, предоставленную макетом, вычислите следующие параметры:

• I_VREF
• V_SETHIGH
• V_SETLOW
• T_SETHIGH
• T_SETLOW

2.c. На сколько градусов устанавливается гистерезис заданного значения температуры? Как вы можете изменить это значение?

2.d. Как работает схема? Когда включатся LED1 (красный) и LED2 (синий)? Обоснуйте свой ответ.