Lors de la conception de circuits électroniques, il est souvent nécessaire de comparer le niveau de deux tensions. Pour ce faire, on utilise un dispositif tel qu'un comparateur. Le nom de l'unité vient du latin comparare, ou plutôt comparer.
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Qu'est-ce qu'un comparateur de tension ?
Un comparateur est généralement un dispositif comportant deux entrées pour les valeurs (tensions) à comparer et une sortie pour le résultat de la comparaison. Le comparateur possède deux entrées pour alimenter les valeurs comparées, une entrée directe et une entrée inverse. La sortie est mise à un logique si la tension d'entrée directe dépasse la tension inverse et à zéro si c'est l'inverse. Un comparateur est appelé comparateur inverseur si la différence entre les entrées directe et inverse est positive et nulle dans la situation inverse.
Principe de fonctionnement du comparateur
Il est pratique de construire un comparateur en utilisant amplificateur opérationnel (OP-AMP). À cette fin, il utilise directement ses propriétés :
- L'amplification de la différence de signal entre les entrées directes et inverses ;
- gain infini (en pratique, à partir de 10 000).
Le fonctionnement du DT comme comparateur peut être considéré avec le circuit suivant :
Supposons qu'il y ait un ampli-op avec un gain de 10000, la tension d'alimentation est bipolaire, + 5 V et moins 5 V. Le diviseur est réglé sur un niveau de référence d'exactement 0 volt à l'entrée inverseuse, l'entrée directe est prise à moins 5 volts par le curseur du potentiomètre. L'op-amp doit amplifier la différence par 10 000 fois, théoriquement une tension de moins 50 000 volts devrait apparaître à la sortie. Mais l'ampli-op ne peut obtenir une telle tension nulle part, il crée donc la tension d'alimentation maximale possible, moins 5 volts.
Si vous commencez à augmenter la tension à l'entrée directe, l'ampli-op tente de régler la différence de tension entre les entrées, multipliée par 10000. Il réussit lorsque la tension d'entrée s'approche de zéro et devient environ moins 0,0005V. Au fur et à mesure que la tension d'entrée augmente sur l'entrée positive, la tension de sortie augmente jusqu'à zéro ou plus, et à +0,0005 volts, elle devient +5 volts et n'augmente plus - il n'y a nulle part où aller. Ainsi, lorsque la tension d'entrée passe le niveau zéro (moins 0,0005 volt à +0,0005 volt pour être exact), il y aura un saut dans la tension de sortie de moins 5 volts à +5 volts. En d'autres termes, tant que la tension à l'entrée directe est inférieure à celle de l'entrée inverseuse, le zéro est mis à la sortie du comparateur. S'il est plus élevé, un est fixé.
La section de la différence de niveau aux entrées de moins 0,0005 volt à +0,0005 volt est intéressante. En théorie, en passant par là, on obtient une montée en douceur de la tension d'alimentation négative à positive. En pratique, cette plage est très étroite et est due aux interférences, au bruit, à l'instabilité de la tension d'alimentation, etc. Si les tensions aux entrées sont approximativement égales, il y aura un déclenchement aléatoire du comparateur dans les deux sens. Plus le gain de l'ampli-op est faible, plus cette fenêtre d'instabilité sera large. Si le comparateur commande un actionneur, il se déclenchera au rythme (cliquetis du relais, claquement de la vanne, etc.), ce qui peut entraîner une rupture mécanique ou une surchauffe.
Pour éviter cela, une rétroaction positive peu profonde est créée en incorporant la résistance indiquée par la ligne pointillée. Cela crée une légère hystérésis en déplaçant les seuils de commutation lorsque la tension monte et descend par rapport à la référence. Par exemple, vers le haut, le comparateur commute à 0,1 volt et vers le bas à exactement zéro (selon la profondeur de la rétroaction). Cela éliminera la fenêtre d'instabilité. La valeur nominale de cette résistance peut aller de quelques centaines de kilohms à quelques mégaohms. Plus la résistance est faible, plus la différence entre les seuils est importante.
Des puces comparateurs spécialisées sont également disponibles. Le LM393 par exemple. Ils possèdent un amplificateur opérationnel rapide (ou plus) et peuvent avoir un diviseur intégré qui fournit une tension de référence. Une autre différence entre ces comparateurs et les dispositifs basés sur des amplificateurs opérationnels est que beaucoup d'entre eux nécessitent une alimentation asymétrique. La plupart des op-amps ont besoin d'une tension bi-polaire. Le choix du type de puce est déterminé par la conception de l'appareil.
Caractéristiques des comparateurs numériques
Les comparateurs sont également utilisés dans la technologie numérique, bien que cela puisse sembler paradoxal à première vue. Après tout, il n'existe que deux niveaux de tension - un et zéro. Les comparer n'a aucun sens. Mais il est possible de comparer deux nombres binaires dans lesquels toute valeur analogique (y compris la tension) peut également être convertie.
Supposons qu'il existe deux mots binaires de même longueur en bits :
X=X3X2X1X0 et Y=Y3Y2Y1Y.
Ils sont considérés comme étant de valeur égale si tous les bits sont égaux au niveau du bit :
1101=1101 => X=Y.
Si au moins un bit est différent, alors les nombres sont inégaux. Le nombre le plus élevé est déterminé par une comparaison bit par bit, en commençant par le bit le plus élevé :
- 1101>101 - ici le premier bit de X est plus grand que le premier bit de Y, et X>Y ;
- 1101>101 - les premiers bits sont égaux, mais le deuxième bit de X est plus grand et X>Y ;
- 111<1110 - Y a le troisième bit de plus et la valeur du bit inférieur de X est sans importance, X
L'implémentation de cette comparaison peut être construite sur des circuits logiques à éléments de base I-NE, OR-NE, mais il est plus facile d'utiliser des produits sur étagère. Par exemple, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 domestique et autres séries de microcircuits. Ce sont des comparateurs de 2 à 8 chiffres avec un nombre correspondant d'entrées de données et d'entrées de contrôle. Les sorties des comparateurs numériques sont dans la plupart des cas 3 :
- plus ;
- moins que ;
- égal.
Contrairement aux dispositifs analogiques, avec les comparateurs binaires, l'égalité aux entrées n'est pas une situation indésirable et elle n'est pas évitée.
Un tel dispositif peut facilement être construit par programmation en utilisant les fonctions de l'algèbre booléenne. Par ailleurs, de nombreux microcontrôleurs ont des comparateurs analogiques intégrés, avec des broches externes séparées, qui fournissent au circuit interne un résultat prêt à l'emploi pour comparer deux valeurs à 0 ou 1. Cela permet d'économiser les ressources des petits systèmes informatiques.
Lorsqu'un comparateur de tension est utilisé
Le comparateur est utilisé dans une large gamme d'applications. Par exemple, on peut y construire un relais à seuil. Un capteur qui convertit toute quantité en tension serait nécessaire. Une telle valeur peut être :
- niveau de lumière ;
- le niveau de bruit ;
- le niveau de liquide dans la cuve ou le réservoir ;
- toute autre valeur.
Le potentiomètre peut être utilisé pour régler le niveau du comparateur. Le signal de sortie est donné par une touche à un indicateur ou un actionneur.
Si l'hystérésis est augmentée, le comparateur peut agir comme un trigger de Schmitt. Lorsqu'une tension variant lentement est appliquée à l'entrée, la sortie est signal binaire avec des bords abrupts.
Deux éléments peuvent être connectés pour former un comparateur à double seuil, ou comparateur à fenêtre.
Ici, la tension de seuil est réglée séparément pour chaque comparateur - le comparateur supérieur sur l'entrée directe et le comparateur inférieur sur l'entrée inverse. Les entrées libres sont combinées et la tension à mesurer leur est appliquée. Les sorties sont connectées en OU. Lorsque la tension dépasse la limite supérieure ou inférieure fixée, l'un des comparateurs émet un niveau élevé.
Un comparateur multi-niveaux est assemblé à partir de plusieurs éléments, qui peuvent être utilisés comme un indicateur de tension linéaire, ou une valeur qui est convertie en tension. Pour quatre niveaux, le circuit serait le suivant :
Dans ce circuit, une tension de référence différente est appliquée à l'entrée de chaque élément. Les entrées inversées sont connectées ensemble et le signal à mesurer leur est appliqué. Lorsque le niveau de déclenchement est atteint, la LED correspondante s'allume. Si les éléments émetteurs sont disposés en ligne, on obtient une barre lumineuse dont la longueur varie en fonction du niveau de la tension appliquée.
Le même circuit peut également être utilisé comme convertisseur analogique-numérique (ADC). Il convertit la tension d'entrée en un code binaire approprié. Plus il y a d'éléments inclus dans le CAN, plus la résolution est élevée, plus la conversion est précise. Dans la pratique, le code de ligne est peu pratique à utiliser, et il est converti en un code familier au moyen d'un encodeur. Le codeur peut être construit à l'aide d'éléments logiques, de microcircuits prêts à l'emploi ou de mémoires ROM avec le micrologiciel approprié.
Le champ d'application des comparateurs dans les circuits professionnels et amateurs est vaste. L'application compétente de ces éléments permet de résoudre un large éventail de tâches.
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