錯(cuò)誤的窗口電壓比較器

窗口電壓比較器是一種比較好玩兒有趣兒的電路。窗口電壓比較器還有一個(gè)名字叫做雙限比較器。電路結(jié)構(gòu)中會(huì)有兩個(gè)電壓門(mén)檻值?？梢?a target="_blank">檢測(cè)某個(gè)電壓是不是在這兩個(gè)門(mén)檻值內(nèi)。比如，上限門(mén)檻值是10V，下限門(mén)檻值為3V,則當(dāng)被檢測(cè)電壓為大于3V小于10V的任意一個(gè)電壓時(shí)，電路會(huì)有反應(yīng)。其他的電壓值則不會(huì)有反應(yīng)。這種電路可以用來(lái)分辨一些特定信號(hào)，也可以判定電源類(lèi)的電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)。應(yīng)用范圍還是可以的。

有很多自學(xué)電路的朋友少不了會(huì)到網(wǎng)上尋找一些小的電路來(lái)學(xué)習(xí)或者是自制。但是網(wǎng)上真的是良莠不齊。就像我前幾天看到的這么一個(gè)電路，也就是文章開(kāi)頭這個(gè)電路了。稍微分析了一下，發(fā)現(xiàn)電路上有比較大的缺陷，或者是直接就是錯(cuò)誤的，是對(duì)新手們的不負(fù)責(zé)。所以以后我也會(huì)選擇一些錯(cuò)誤的電路來(lái)進(jìn)行分析，(公眾號(hào)：電路一點(diǎn)通)希望可以對(duì)大家有一定的幫助。

現(xiàn)在我們來(lái)單純的分析下這個(gè)電路所能實(shí)現(xiàn)的功能，首先呢，交代一下電路中各個(gè)元器件的作用。LM324是集成四運(yùn)放電路。在這個(gè)電路中有些浪費(fèi)，不知道怎么回事，很多電路設(shè)計(jì)人員都喜歡用324的一半，另外一半閑著。R1、R2、R3組成一個(gè)兩分壓電路，為L(zhǎng)M324提供了兩個(gè)基準(zhǔn)門(mén)檻值，圖中提供的參數(shù)是上限3V，下限2V。R4是Q1三極管的基極限流電阻。Q1可以用9013的NPN三極管。D1是發(fā)光二極管，可代換元件是很多的。R5是發(fā)光管的限流電阻。

好了，元器件作用交代完畢，接下來(lái)就是根據(jù)電路結(jié)構(gòu)來(lái)分析電路作用了。在這個(gè)電路中，我們假設(shè)當(dāng)前被檢測(cè)電壓為0V，則A1運(yùn)放正相輸入端大于反相輸入端，此時(shí)，A1運(yùn)放會(huì)輸出高電平。而A2運(yùn)放也是正端大于負(fù)端，運(yùn)放同樣會(huì)輸出高電平。兩個(gè)運(yùn)放輸出的高電平都通過(guò)R4限流電阻送至Q1，這時(shí)，D1會(huì)亮起。也就是被測(cè)電壓同時(shí)小于上下限時(shí)，LED是會(huì)亮起的。

當(dāng)被測(cè)電壓居于2V于3V之間，我們假設(shè)目前電壓為2.5V。則A1運(yùn)放的正端還是大于負(fù)端，則A1運(yùn)放不改變輸出狀態(tài)，還是輸出高電平狀態(tài)。而A2運(yùn)放，由于負(fù)端大于正端，則運(yùn)放開(kāi)始輸出低電平。按照作者的原有意圖，A2運(yùn)放的低電平會(huì)與A1運(yùn)放的高電平相抵消，使得LED熄滅。也就是說(shuō)，當(dāng)被測(cè)電壓大于2V小于3V時(shí)，LED會(huì)熄滅。

當(dāng)被測(cè)電壓繼續(xù)增高，超過(guò)上限3V的門(mén)檻值后，A1運(yùn)放會(huì)輸出低電平，A2運(yùn)放也會(huì)輸出低電平，反應(yīng)到LED的狀態(tài)上就是不亮。也就是說(shuō)，電壓大于上限3V后，LED是熄滅的。

根據(jù)以上的分析可以看到，整個(gè)電路根本無(wú)法做到窗口電壓比較器的作用。而且，圖中所用的元器件是通用雙運(yùn)放。這種通用雙運(yùn)放是雙極性輸出的。也就是器件本身是可以輸出高電平的。下面附上一個(gè)LM324內(nèi)部框圖來(lái)稍微分析下。

LM324等效內(nèi)部框圖

可以看到，這種電路其輸出端是一種半橋結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)驅(qū)動(dòng)Q6導(dǎo)通來(lái)輸出一個(gè)高電平，或者是驅(qū)動(dòng)Q13導(dǎo)通來(lái)輸出一個(gè)低電平。那么，此時(shí)再結(jié)合第一個(gè)電路圖來(lái)分析下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果A1運(yùn)放輸出高電平，A2運(yùn)放輸出低電平，則電源電壓會(huì)直接通過(guò)Q6---Rcs---Q13到達(dá)GND。那么這樣就會(huì)造成LM324出現(xiàn)短路的情況。所以，這個(gè)電路不僅結(jié)構(gòu)是錯(cuò)誤的，器件選用也是錯(cuò)誤的。如果新手照著這個(gè)電路來(lái)學(xué)習(xí)和自制會(huì)對(duì)新手造成很大的傷害。新手會(huì)對(duì)自己的所學(xué)產(chǎn)生懷疑，也會(huì)打擊新手自學(xué)的動(dòng)力，這是非常不好的。

下面呢，我給出這種電路的正確的電路圖并稍加分析。

第一個(gè)是采用LM339集成電壓比較器設(shè)計(jì)的窗口電壓比較器。

LM339窗口電壓比較器

大家看到有什么不同嗎？不同的地方在于兩個(gè)運(yùn)放的信號(hào)輸入引腳是不同的。在第一個(gè)圖中，兩個(gè)運(yùn)放的正端都是接的基準(zhǔn)，負(fù)端都是接的被測(cè)信號(hào)，造成輸出邏輯都是相同的。在這個(gè)圖中，首先說(shuō)明的一點(diǎn)是上限運(yùn)放是下面這個(gè)，而下限運(yùn)放則是上面那個(gè)。下限運(yùn)放的正端接的被測(cè)信號(hào)，負(fù)端則是基準(zhǔn)。而上限運(yùn)放正端接基準(zhǔn)，負(fù)端接被測(cè)信號(hào)。則電路會(huì)有這樣的一個(gè)工作狀態(tài)：當(dāng)被測(cè)電壓小于上下限門(mén)檻值，則下限運(yùn)放也就是上面那個(gè)運(yùn)放會(huì)輸出低電平，而下面這個(gè)運(yùn)放暫時(shí)是不工作的，雖然正端是大于負(fù)端的，至于為什么不工作接下來(lái)的LM339內(nèi)部框圖構(gòu)造會(huì)告訴你。那么此時(shí)，因?yàn)橛辛松厦孢\(yùn)放的下拉，導(dǎo)致輸出端是一個(gè)低電平。也就是說(shuō)如果被測(cè)信號(hào)小于上下限則輸出為低電平。

當(dāng)被測(cè)電壓大于下限小于上限，則下限運(yùn)放會(huì)輸出高電平，而上限運(yùn)放還是處于一個(gè)不工作的狀態(tài)。所以，此時(shí)的電路狀態(tài)是被測(cè)信號(hào)居中會(huì)輸出高電平。

當(dāng)被測(cè)電壓進(jìn)一步增大，超過(guò)上限，則下面這個(gè)運(yùn)放會(huì)輸出低電平，那么此時(shí)電路會(huì)再次輸出低電平。

綜合來(lái)看，當(dāng)被測(cè)電壓低于上下限門(mén)檻值的時(shí)候，輸出是低電平。當(dāng)被測(cè)電壓符合要求的時(shí)候，電路輸出高電平。當(dāng)被測(cè)電壓高于上限門(mén)檻值得時(shí)候，輸出再次變?yōu)榈碗娖?。完美有效的完成了雙電壓門(mén)限的檢測(cè)。

那么為什么電路結(jié)構(gòu)只是改變了一下信號(hào)輸入端就會(huì)變成正確的呢？?jī)H僅是這樣嗎？不是的。另外一個(gè)原因就是LM339的輸出結(jié)構(gòu)與通用運(yùn)放是不同的。下面上框圖：

LM339集成四電壓比較器

可以看到，LM339是單極性輸出，也就是只能輸出一種電平信號(hào)。在這里是只能輸出低電平信號(hào)。那么結(jié)合上面的LM339的窗口電路可以看到，電路是無(wú)法輸出高電平的，所以即使正端大于負(fù)端，器件也是無(wú)法輸出高電平，自然不會(huì)出現(xiàn)器件內(nèi)部短路的情況了，所以這個(gè)電路是正確的，唯一的一點(diǎn)可惜就是畫(huà) 的時(shí)候畫(huà)反了，上下限運(yùn)放正好調(diào)了個(gè)位置，導(dǎo)致新手分分析起來(lái)稍微困難些。

上面這個(gè)是利用LM339四電壓比較器做的，也是有些浪費(fèi)。下面上一個(gè)用通用運(yùn)放做的窗口電壓比較器，器件采用LM358、LM4558均可。還是動(dòng)圖哦，這個(gè)厲害了。

通用運(yùn)放電路設(shè)計(jì)的窗口電壓比較器

可以看到，電路中增加了兩只隔離二極管，就是為了防止器件內(nèi)部短路情況的發(fā)生。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)分析，A1是上限運(yùn)放，A2是下限運(yùn)放。方便我們的分析和學(xué)習(xí)。

當(dāng)被測(cè)信號(hào)小于上下限的時(shí)候，A1應(yīng)該輸出低電平，但是因?yàn)槎O管的隔離，使得A1相當(dāng)于不存在。而A2則會(huì)輸出高電平，也就是說(shuō)被測(cè)信號(hào)低于上下限時(shí)電路輸出高電平。

當(dāng)被測(cè)信號(hào)居中時(shí)，A1還是處于不存在的狀態(tài)。A2因?yàn)樨?fù)端大于正端，導(dǎo)致A2也處于不存在的狀態(tài)，那么電路的輸出由電路中的R2決定，此時(shí)，電路會(huì)因?yàn)镽2的下拉作用輸出一個(gè)低電平。

當(dāng)被測(cè)信號(hào)電壓繼續(xù)提高，則A1會(huì)輸出高電平。A2會(huì)繼續(xù)不存在。所以電路會(huì)輸出一個(gè)高電平。

可以看到，這種結(jié)構(gòu)的電路與上面那個(gè)結(jié)構(gòu)的電路其輸出信號(hào)的方式整好是相反的。一種是電壓符合要求時(shí)輸出高電平，一種是電壓符合要求時(shí)輸出低電平。這就是由內(nèi)部的輸出方式?jīng)Q定的。

可以看到，網(wǎng)上太多良莠不齊的東西會(huì)導(dǎo)致自學(xué)電子還是有一定難度的。所以，對(duì)于有些電路先根據(jù)工作流程走一遍，基本可以判定電路的正確與否。不要迷信所謂的電路設(shè)計(jì)，工作流程說(shuō)的通，電路做出來(lái)可以用才是王道。