Vstupní moduly s komparátorem LM393

Mikrofonní modul s LM393-N
Mikrofonní modul s LM393-N

Mezi vstupními moduly, používanými s vývojovými deskami platformy Arduino, se velmi často setkáte s moduly, na kterých je ke zpracování vstupního signálu použit komparátor LM393. Následující článek vysvětluje princip funkce, způsob nastavení a důvody tohoto způsobu zapojení.

Velká skupina vstupních senzorů, používaných spolu s vývojovými deskami Arduino, převádí hodnotu měřené fyzikální veličiny na změnu odporu, vodivosti či napětí. Může se jednat o nejrůznější provedení optických senzorů s fototranzistorem nebo s fotoodporem, jejichž odpor se snižuje se zvyšující se intenzitou dopadajícího světla, o čidla půdní vlhkosti nebo atmosférických srážek, jejichž vodivost se zvýší se stoupající vlhkostí, o mikrofonní senzory, u nichž se zvýší napětí na výstupu se zvyšující se intenzitou zvuku, o moduly s termistorem, jehož odpor se podle typu termočlánku se změnou teploty zvyšuje či snižuje, o senzory intenzity magnetického pole s Hallovou sondou, u kterých se zvyšuje výstupní napětí se zvyšující se intenzitou pole, ale i o řadu dalších čidel.

Může se ale jednat i o nejrůznější provedení spínacích kontaktů – otřesová čidla s pružinovým kontaktem, nárazová a polohová čidla se rtuťovým kontaktem nebo o náklonová čidla s kontaktní kuličkou, pohybující se v uzavřené kontaktní komoře – i u nich se sepnutím spínače skokově sníží odpor kontaktů.

Fotorezistor pull-up
Fotorezistor pull-up

Pokud výstupní signál kteréholi z uvedených čidel přivedeme na analogový vstupní pin vývojové desky Arduino, lze jeho stav vyhodnotit buď přímo změřením výstupního napětí senzoru (pokud se jedná o čidlo, které měřenou veličinu převádí na výstupní napětí o odpovídající velikosti – Hallova sonda, dynamický mikrofon, a pod.) nebo změřením úrovně napětí na odporovém děliči, který tvoří vlastní odpor čidla a třeba pull-up rezistor vstupního pinu mikrokontroléru (v případě čidla, které měřenou veličinu převádí na změnu odporu – viz obrázek).

Tento přístup má ale tři základní nedostatky:

  • výstupní signál odporového čidla či senzoru má často vysoký odpor (je tzv. „měkký“), takže jej i malá zátěž, například napětí indukované do připojovacích vodičů, dokáže z úrovně „1“ stáhnout k „0“ či naopak. Takový signál je velmi náchylný na rušení, zejména je-li čidlo připojeno delším kabelem;
  • v případě častých změn úrovně signálu nemusí program krátkou aktivaci čidla zachytit. S tímto stavem se často setkáte zejména u mechanických spínačů – vibračních pružinových senzorů nebo rtuťových kontaktních čidel, kdy může sepnutí trvat třeba jen zlomky milisekund;
  • a konečně v případě čidel s analogovým výstupem – termistorů, fotorezistorů, Hallovy sondy a pod. – je třeba pro změnu nastavení rozhodovací úrovně změnit kód programu.

Všechny uvedené nedostatky řeší použití vstupních modulů s komparátorem.

Komparátor LM393-N

Komparátor LM393-N
Komparátor LM393-N

Komparátor je elektronický obvod se dvěma analogovými vstupy a jedním číslicovým výstupem, jehož logická hodnota odpovídá výsledku porovnání napěťových úrovní na jeho vstupech. Je-li tedy hodnota napětí na vstupu „+“ větší než je hodnota napětí na referenčním vstupu „-“, je na výstupu komparátoru logická hodnota „1“. Pokud je naopak na vstupu „+“ napětí menší než je napětí na referenčním vstupu „-“, bude na výstupu komparátoru logická hodnota „0“.

V integrované podobě se s komparátorem setkáte dnes nejčastěji pod označením LM 393-N. Pod tímto názvem se skrývá dvojitý komparátor s širokým rozsahem napájení, poprvé uvedený na trh firmou National Semiconductor již v 80-tých letech minulého století.

Moduly s odporovým / napěťovým senzorem

Modul senzoru s LM393
Modul senzoru s LM393

V případě modulu, na kterém je použit odporový nebo napěťový snímač, je jeden ze vstupů komparátoru (pracovní vstup, obvykle označený jako “+”) propojen s neuzemněným kontaktem snímače a zároveň přes rezistor R1 spojen s napájecím napětím. Hodnota napětí na tomto vstupu komparátoru pak odpovídá poměru odporu snímače R2 (například fotorezistoru) k celkovému odporu rezistorů R1 a R2 dohromady .

Na druhý vstup komparátoru („referenční“ vstup, obvykle označen jako „-“) je pak přivedeno referenční napětí, například 2,0 V – z odporového děliče, který je tvořen potenciometrem R3. Je-li hodnota napětí na pracovním vstupu nižší než referenční napětí, je výstup komparátoru v úrovni „0“; jakmile se napětí na pracovním vstupu zvýší nad nastavenou hodnotu 2,0 V, výstup komparátoru se skokově změní na logickou hodnotu „1“.

Hodnotu napětí na referenčním vstupu můžeme nastavením potenciometru R3 libovolně měnit. Tím zároveň nastavujeme hodnotu měřené veličiny, při které se komparátor překlopí. V případě potřeby můžeme také prohodit oba vstupy komparátoru – tím se zároveň invertuje logická hodnota na výstupu komparátoru.

Odpor R4 udržuje na výstupu komparátoru DO (digital output) požadované napětí, pokud je výstup v hodnotě „1“. Výstup komparátoru je totiž navržen s tzv. otevřeným kolektorem, to znamená, že v úrovni „0“ je výstupní pin uzemněn (v praxi je na něm méně než 1,0 V), v úrovni „1“ je ale výstupní pin odpojen a napětí, které odpovídá logické úrovni „1“, tak udržuje právě rezistor R4.

Toto zapojení přináší několik výhod:

  • výstupní signál komparátoru DO má malý výstupní odpor a je tedy minimálně náchylný na rušení;
  • vstupní odpor komparátoru je velmi vysoký a neovlivňuje chování připojeného čidla;
  • a konečně, úroveň citlivosti můžeme velmi snadno a v širokém rozsahu nastavovat potenciometrem nebo trimrem (v uvedeném zapojení R3).

V uvedeném schématu jsou zakresleny i kondenzátory C1 pro filtraci rušení, které by se mohlo indukovat na výstupní vodič, a C2 pro blokování napájecího napětí.

Na připojovací piny modulu je pro případné experimenty kromě digitálního výstupu komparátoru DO někdy vyveden i neupravený signál snímacího čidla AO. Ve schématu naopak není pro přehlednost zakreslena LED dioda, která signalizuje přítomnost napájení, ani druhá LED dioda, která indikuje aktivní stav výstupu. Druhý komparátor, který je součástí integrovaného obvodu, obvykle není využit.

Komparátor se spínacím kontaktem

Modul senzoru s LM393
Modul senzoru s LM393

Podobné zapojení s komparátorem LM393-N můžeme využít i v případě ošetření signálu z mžikově spínaných kontaktů, například již zmíněných vibračních senzorů s pružinovým kontaktem, čidel se rtuťovým kontaktem nebo čidel náklonu s kontaktní kuličkou.

V tomto případě ovšem komparátor nevyhodnocuje napětí na senzoru nebo na odporovém děliči, ale napětí na kondenzátoru (zde v zapojení C3), který je vybíjen při opakovaném mžikovém sepnutí spínače. Pokud je kontakt senzoru spínán často, nestačí se kondenzátor C3 přes rezistor R1 nabít na napětí, při kterém dojde k překlopení komparátoru, na výstupu DO je trvale úroveň „0“, a to i tehdy, pokud na je kontakt spínače na krátkou dobu rozpojen. Jakmile je ale kontakt rozpojen delší dobu, kondenzátor C3 se nabije na hodnotu, při které již dojde k překlopení komparátoru a výstup se přepne do úrovně „1“.

Regulací napětí na referenčním vstupu komparátoru lze v jistých mezích nastavit dobu, po jakou může být kontakt spínače rozepnut, než dojde k překlopení komparátoru, vzhledem k hodnotám součástek se však jedná o velmi krátký časový úsek – maximálně 0,5 ms. Pokud je však na modulu osazen i analogový výstup AO, lze na tento pin připojit další kondenzátor paralelně k C3 a tím časovou konstantu výrazně prodloužit (až na jednotky vteřin při použití elektrolytického kondenzátoru 100µF).

Na rozdíl od předchozího zapojení je v tomto obvodu zapojen i kondenzátor C4, který na některých modulech slouží ke zlepšení stability napětí na referenčním vstupu.

 

 

Leave a Reply