LM311 40V 50mA Comparador de tensions IC Principi de Funcionament

El LM311 és un comparador de tensions diferencial de alta velocitat que compara dues tensions d’entrada i canvia el seu estat de sortida segons quina tensió és més alta. A diferència d’un amplificador operacional, està dissenyat principalment per a commutació ràpida en comptes d’amplificació de senyal lineal. Les seves connexions de sortida de col·lector i emissor separades li permeten treballar amb diferents nivells lògics, LEDs, relés i altres càrregues. També admet ajustaments de desplaçament i control de disparador. Aquestes característiques fan que el LM311 sigui útil en la supervisió de tensions, detecció de creuaments per zero, modelatge d'ona, oscil·ladors i circuits de protecció.

Catàleg

Detalls de connexió del LM311

Pin Número	Nom del Pin	Funció
1	Sortida de l'emissor	Terminal de l'emissor del transistor de sortida. Normalment està connectat a terra o a la font negativa, depenent del circuit.
2	IN+	Entrada no inversora. El transistor de sortida normalment s'apaga quan aquesta tensió és més alta que la tensió a IN−.
3	IN−	Entrada inversora. El transistor de sortida normalment s'engega quan aquesta tensió és més alta que la tensió a IN+.
4	VCC−	Terminal de subministrament negatiu. Connecteu-lo a terra en un circuit de subministrament únic o al rail negatiu en un circuit de doble subministrament.
5	Balanceig	S'utilitza amb el Pin 6 per ajustar la tensió d'offset d'entrada. Normalment es deixa desconnectat quan no es requereix ajustament d'offset.
6	Balanceig/Disparador	Admet ajustament d'offset d'entrada i la funció de disparador. La funció de disparador pot controlar o desactivar la sortida del comparador.
7	Sortida de col·lector	Terminal de col·lector del transistor de sortida. Normalment requereix un resistor de pull-up extern.
8	VCC+	Terminal de subministrament positiu.

Com funciona internament el LM311

El LM311 compara la tensió a l'entrada no inversora, IN+, amb la tensió a l'entrada inversora, IN−. El seu estadi de transistor d'entrada detecta fins i tot una petita diferència de tensió entre aquests dos pins i envia el resultat a través de diversos estats de guany interns. Aquests estats amplifiquen la diferència fins que el circuit pot decidir clarament quin voltatge d'entrada és més alt.

Quan la tensió a IN+ és més alta que a IN−, el transistor de sortida normalment s'apaga. Com que el LM311 utilitza una sortida de col·lector obert, una resistència de pull-up externa eleva llavors la tensió de sortida del col·lector. Quan IN− és més alt que IN+, el transistor de sortida s'encén i arrossega la tensió de sortida del col·lector cap a la tensió d'emissor, que normalment és terra o la font d'alimentació negativa.

El circuit intern també inclou funcions d'equilibri i estroboscòpiques. Els pins d'equilibri poden reduir l'error de desplaçament d'entrada, mentre que el pin d'estrobo pot controlar l'estadi de sortida. Els pins de sortida de col·lector i emissor separats fan que el LM311 sigui flexible per a diferents tensió lògiques, controladors de relé, canvi de nivell i altres circuits de commutació.

Característiques i especificacions del LM311

Principals característiques del LM311

Característica	Especificació
Tipus de dispositiu	Comparator de tensió diferencial simple
Temps de resposta típics	165 ns
Funció d'estrobo	Suportat
Corrent de polarització màxim d'entrada	300 nA
Corrent de desplaçament màxim d'entrada	70 nA
Funcionament amb subministrament únic	Pot funcionar amb un subministrament únic de 5 V
Funcionament amb subministrament dual	Suportat
Tipus de sortida	Transistors de sortida separats de col·lector obert i emissor obert
Ajustament de desplaçament	Suportat a través dels pins d'equilibri
Versió automotiva	Disponible en graus automotivos de temperatura Q
Suport automotiu	Control de configuració, suport de impressió i qualificació a estàndards automotives
Versions de grau militar	Versions seleccionades que compleixen amb els requisits MIL-PRF-38535

Valoracions màximes absolutes del LM311

Paràmetre	Valoracions	Unitats
Tensió d'alimentació positiva, VCC+	+18	V
Tensió d'alimentació negativa, VCC−	−18	V
Tensió total d'alimentació, VCC+ − VCC−	36	V
Tensió d'entrada diferencial, VID	±30	V
Tensió en qualsevol entrada	±15	V
Tensió de sortida d'emissor a VCC−	30	V
Tensió de sortida del col·lector per sobre de VCC−, LM311	40	V
Durada de curt-circuit de sortida a terra	10	s
Temperatura màxima de unió virtual, TJ	150	°C
Temperatura d'emmagatzematge, Tstg	−65 a 150	°C
Temperatura del feu durant 60 segons, paquet FK	260	°C
Temperatura del feu durant 10 segons, paquet JG	300	°C
Temperatura del feu durant 60 segons, paquet D, P, PS, o PW	260	°C

Requisits de disseny de circuits LM311

El LM311 requereix alguns components externs i una selecció acurada de tensió per a un funcionament fiable. Un bon desacoblament d'alimentació, tensions d'entrada vàlides i una resistència de pull-up adequada ajuden a prevenir commutacions falses, estats de sortida incorrectes i corrent de sortida excessiu.

Desacoblament d'alimentació

Col·loqueu un condensador ceràmic de 0.1 µF proper als pins d'alimentació del LM311. Per a un circuit d'alimentació única, connecteu-lo entre VCC+ i terra. Per a un circuit d'alimentació dual, col·loqueu un condensador de VCC+ a terra i un altre de VCC− a terra. Mantenir les connexions curtes per reduir la inductància no desitjada.

Aquests condensadors redueixen el soroll d'alimentació i proporcionen corrent durant commutacions ràpides. Un mal desacoblament pot introduir fallades d'alimentació que afecten el rang de mode comú d'entrada i provocar comparacions inexactes o transicions de sortida falses. Un condensador de volum addicional de 1 µF a 10 µF pot ser útil quan la font d'alimentació és sorollosa o està connectada a través de cables llargs, però no substitueix el condensador ceràmic de 0.1 µF proper. TI recomana desacoblar cada via d'alimentació utilitzada pel dispositiu.

Límits de tensió d'entrant

Diversos límits de tensió s'han de comprovar per separat quan es dissenya un circuit LM311:

• Els límits de tensió d'alimentació defineixen la tensió permesa entre els pins d'alimentació positiva i negativa. El LM311 pot funcionar amb un alimentació única o subministres dividits, però la tensió d'alimentació ha de romandre dins del rang d'operació especificat pel fabricant seleccionat.

• Els límits de mode comú d'entrada defineixen el rang de tensió d'entrada en què es especifica que el comparator faci una comparació vàlida. Amb font d'alimentació de ±15 V, TI especifica un rang de mode comú d'aproximadament −14.5 V a +13 V en tot el rang de temperatura. Aquests valors s'apliquen a les condicions de prova indicades i poden canviar amb la tensió d'alimentació, la temperatura i el fabricant del dispositiu.

• La tensió d'entrada diferencial màxima és la màxima diferència de tensió permesa entre les entrades no invertida i invertida. Principalment és un límit de protecció del dispositiu i no defineix el rang operatiu normal d'entrada.

• Les valoracions màximes absolutes són límits d'estrès destinats a evitar danys immediats. No són condicions d’operació recomanades, i l'operació normal del circuit no està garantida prop d'aquests límits.

Un circuit pot romandre per sota de les seves valoracions màximes absolutes i encara operar incorrectament. Per exemple, quan ambdues entrades superen el rang de mode comú vàlid, la sortida pot esdevenir indefinida tot i que el circuit integrat no estigui danyat immediatament. Per a un funcionament fiable, mantingueu ambdues entrades dins del rang de mode comú especificat a la fitxa tècnica corresponent.

Selecció de resistències de pull-up

Quan el pin 7 s'utilitza com a sortida normal d'o-coll, l'LM311 requereix una resistència de pull-up externa. La resistència mínima necessària per limitar el corrent de drenatge de sortida es pot estimar amb:

On:

• R_PUés la resistència de pull-up

• V_PU és la tensió d'alimentació de pull-up

• V_OL és la tensió de sortida baixa del comparador

• I_SINK és el corrent de drenatge de sortida seleccionat

Per exemple, amb una alimentació de pull-up de 5 V, una tensió de sortida baixa estimada de 0.4 V i un corrent de drenatge desitjat de 5 mA:

Una resistència estàndard de 1 kΩ limitaria el corrent a aproximadament 4.6 mA sota aquestes condicions suposades:

El valor final de la resistència també ha de complir els llindars lògics del circuit connex. Una resistència menor produeix un front d'ascens més ràpid i fa que la sortida sigui menys sensible al soroll acoblat, però augmenta el corrent de drenatge i el consum d'energia. Una resistència més alta redueix el consum de corrent però crea un front d'ascens més lent perquè es necessita més temps per carregar la sortida, el cablejat i la capacitància d'entrada. També s'ha de considerar la fuga de sortida i el corrent de càrrega per assegurar-se que la sortida arribi a una tensió alta vàlida.

Pins d'equilibri i estroboscòpic no utilitzats

Els pins 5 i 6 proporcionen funcions d'equilibri d'offset i estroboscòpiques. Quan aquestes funcions no són requereixes, seguiu les instruccions de la fitxa tècnica per a la versió exacta de l'LM311 i el fabricant.

Per a l'LM311 de TI, el pin d'EQUILIBRI i el pin BAL/STRB poden quedar sense connexió. TI també afirma que connectar aquests dos pins entre si és acceptable. No connecteu el pin BAL/STRB directament a terra. Extreure corrent d'aquest pin activa la funció d'estroboscopi i força el transistor de sortida a l'estat apagat o en alta impedància, independentment de les entrades del comparador. Aquestes recomanacions es confirmen a la fitxa tècnica de l'LM311 de TI.

Circuits d'Aplicació de l'LM311

Detector de Zero-Crossing

Aquest circuit utilitza l'LM311 per detectar quan un senyal d'entrada creua 0 V. Una entrada rep el senyal, mentre que l'altra entrada està connectada a terra com a nivell de referència. Quan l'entrada supera 0 V, el transistor de sortida de l'LM311 s'apaga, i la resistència de pull-up de 20 kΩ eleva la sortida cap a V_(CC+). Quan l'entrada cau per sota de 0 V, el transistor de sortida s'activa i tira la sortida cap a V(CC-). Per tant, el circuit converteix un senyal que creua zero, com ara una ona sinusoidal, en un senyal de sortida alt o baix.

Multivibrator lliure d'operació de 100 kHz

Aquest circuit configura l'LM311 com un oscil·lador lliure d'operació que produeix una ona quadrada d'aproximadament 100 kHz. El condensador de 1200 pF es carrega i descarrega repetidament a través de la xarxa de resistències. Quan la tensió del condensador arriba a un llindar d'commutació, l'LM311 canvia el seu estat de sortida. La retroalimentació, llavors, canvia el llindar i fa que la tensió del condensador es mogui en la direcció oposada. Aquest cicle es repeteix automàticament sense un senyal d'entrada extern. La resistència de 1 kΩ eleva la sortida d'o-coll, mentre que les altres resistències estableixen els llindars de commutació i el temps d'oscil·lació. La sortida pot alimentar fins a dues entrades de portes lògiques estàndard de la sèrie 54 o una càrrega equivalent.

Circuit indicador de nivell de tensió LM311

Aquest circuit utilitza l'LM311 per comparar una tensió d'entrada ajustable amb una referència fixa de 6 V. El diode Zener i la resistència de 1 kΩ produeixen la tensió de referència per al pin 2, mentre que el potenciòmetre de 10 kΩ subministra la tensió d'entrada ajustable al pin 3.

Quan la tensió d'entrada supera la referència de 6 V, el transistor de sortida de l'LM311 s'activa i tira el pin 7 a sota. Aleshores, el corrent flueix a través de la resistència de 560 Ω i el LED, fent que el LED s'encengui. Quan l'entrada cau per sota de 6 V, el transistor de sortida s'apaga i la resistència de pull-up de 4.7 kΩ eleva la tensió de sortida, apagant el LED. Aquest circuit pot servir com a indicador de sobre tensió ajustable o alarma de nivell de tensió.

Corbes d'Aplicació de l'LM311

Les corbes mostren com de ràpidament respon l'output de LM311 a diferents voltatges d'overdrive d'entrada. L'overdrive és la quantitat amb què l'entrada diferencial supera el llindar d'conmutació. Les proves utilitzen subministraments de ±15 V, una càrrega de sortida de 2 kΩ, un pas d'entrada de 100 mV, i una temperatura de 25 °C.

El gràfic de l'esquerra mostra l'output canviant d'aproximadament −15 V a +15 V, mentre que el gràfic de la dreta mostra la transició oposada. Un major overdrive, com 20 mV, fa que l'output canvia més ràpidament. Un petit overdrive de 2 mV causa un retard més llarg i una transició més lenta perquè l'entrada està només lleugerament més enllà del llindar. Aquestes corbes mostren que una diferència clara de voltatge d'entrada millora la velocitat d'conmutació del LM311 i produeix una transició d'output més fiable.

LM311 vs ICs Comparadors Similars

LM311 vs LM393

El LM311 és un comparador simple més ràpid amb una capacitat de corrent d'output més forta, connexions separades de col·lector i emissor, i funcions de balanceig i estroboscòpiques. El LM393 conté dos comparadors, consumeix menys energia, i accepta voltatges d'entrada propers a terra. Escull el LM311 per a conmutacions ràpides i control de sortida flexible. Escull el LM393 per a circuits de baixa potència que necessiten dos canals de comparació.

LM311 vs LM339

El LM339 conté quatre comparadors de baixa potència, mentre que el LM311 conté un comparador més ràpid i flexible. El LM339 és adequat per a monitorar diversos senyals de voltatge, temperatura o sensors en un sol circuit. El LM311 és millor quan un canal necessita conmutacions més ràpides, un afonament de corrent més fort, o control estroboscòpic.

LM311 vs LM319

El LM311 és un comparador simple, mentre que el LM319 conté dos comparadors més ràpids. El LM319 és adequat per a la detecció de polsos d'alta velocitat, temporització, i circuits de modelatge de forma d'ona, però generalment consumeix més energia i té un pinout diferent. El LM311 és millor quan es requereix un comparador amb control estroboscòpic, balanceig, i connexions d'output flexibles.

LM311 vs LM358

El LM311 és un comparador dissenyat per a la detecció de llindars i conmutacions ràpides. El LM358 conté dos amplificadors operacionals destinats principalment per a amplificació, filtratge i almacenamiento. Encara que el LM358 pot funcionar com un comparador lent en alguns circuits, pot recuperar-se lentament de la saturació i pot no conmutar tan predeciblement com el LM311.

LM311 vs Comparadors Moderns Rail-to-Rail

Els comparadors moderns solen funcionar a voltatges de subministrament més baixos, consumeixen menys corrent, i accepten voltatges d'entrada propers a ambdues fonts d'energia. Molts també proporcionen sortides push-pull, histèresi integrada, referències internes, i paquets més petits. El LM311 continua sent útil per a circuits de voltatge més alt, afonament de corrent fort, connexions d'output flotant, i dissenys que necessiten control estroboscòpic o de balanceig.

Substituts i ICs Equivalents del LM311

IC	Comparadors	Sortida Tipus	Pin Compatible	Principal Diferència	Substitució Ús
LM111	1	Col·lector obert	Generalment sí	Rango de temperatura militar més ampli i especificacions més ajustades	Substitut directe de alta fiabilitat
LM211	1	Col·lector obert	Generalment sí	Rango de temperatura més ampli que el LM311	Substitut industrial directe
LM311-N	1	Col·lector obert flotant	Normalment sí	Versió anterior del LM311 amb funcionament similar	Substitució directa després de revisar el paquet
LM393	2	Col·lector obert	No	Comparador dual, més lent, de baixa potència	Circuits de baixa potència que necessiten dos canals
LM339	4	Col·lector obert	No	Quatre comparadors més lentos i de baixa potència	Circuits de monitoratge multicanal
LM319	2	Col·lector obert	No	Comparador dual amb conmutacions més ràpides	Circuits duals d'alta velocitat
TL331	1	Col·lector obert	No	Comparador simple de baixa potència amb connexions més senzilles	Monitoratge de voltatge general
TLV1701	1	Drenatge obert	No	Comparador modern de baixa potència i ample subministrament	Circuits industrials de baixa potència
TLV3201	1	Push-pull	No	Entrada rail-to-rail, baixa tensió, i resposta més ràpida	Cables moderns de baixa tensió

Aplicacions i casos d’ús del LM311

• Monitorització de tensió de bateria – Compara la tensió de la bateria amb una referència i activa una advertència quan la tensió es torna massa alta o massa baixa.

• Detecció de cruïlla zero – Detecta quan un senyal d'AC creua 0 V per a circuits de temporització, commutació i mesura de freqüència.

• Protecció contra sobre tensió – Detecta quan una tensió d'alimentació supera un límit segur i activa un circuit de parada o protecció.

• Bloqueig per baixa tensió – Impedeix que l'equip funcioni quan la tensió d'alimentació és massa baixa per a un funcionament fiable.

• Monitorització de temperatura – Compara un senyal d'un sensor de temperatura amb un límit preestablert per controlar un ventilador, calefactor o alarma.

•Detecció de nivell de llum – Funciona amb un fotodíode o fotoresistor per encendre llums o alarmes segons la brillantor.

• Monitorització de velocitat del motor – Compara un senyal d'un sensor de velocitat amb una referència per detectar condicions de sobrevelocitat o baixa velocitat.

• Modelatge de forma d'ona – Converteix senyals analògics lents, sorollosos o irregulars en senyals de forma d'ona quadrada més netes.

•Circuits oscil·ladors – Funciona amb resistors i condensadors per generar senyals de forma d'ona quadrada repetitives per a aplicacions de temporització o rellotge.

• Detecció de polsos – Detecta polsos de tensió curts de sensors, codificadors i circuits de comunicació.

• Control de relé i LED – Utilitza la seva sortida d'absorció de corrent per controlar LEDs indicadors, controladors de relé o estades de transistors.

• Interfície de nivell lògic – Utilitza la sortida de col·lector obert per connectar senyals analògics a sistemes de voltatge lògic TTL, CMOS o altres.

• Detecció de finestra – Utilitza dos comparadors per comprovar si una tensió es manté entre un límit superior i un inferior.

•Monitorització de corrent – Compara una tensió de detecció de corrent amb una referència per detectar condicions de sobrecàrrega o curtcircuit.

•Sistemes d'alarma industrials – Monitora sensors de pressió, nivell, temperatura o tensió i activa una alarma quan es supera un límit establert.

Dimensions mecàniques

Fabricant

Texas Instruments dissenya i fabrica circuits integrats analògics com el LM311 a través de la seva xarxa global de producció de semiconductors. El procés de fabricació inclou la fabricació de la làmina, la formació de circuits, la prova de làmines, l'assemblatge, l'embalatge i les proves elèctriques finals. Aquests passos ajuden a assegurar que el LM311 compleix els seus requisits especificats d'entrada, sortida, velocitat de commutació i temperatura. TI també controla la qualitat del producte a través de la qualificació dels dispositius, proves de materials, monitorització del procés i comprovacions de fiabilitat continuades. Proporciona informació sobre la fabricació i la qualitat com ara la ubicació de fabricació, la ubicació d'assemblatge, el contingut de materials, la classificació de sensibilitat a la humitat i les estimacions de fiabilitat.

Preguntes freqüents [FAQ]

1. Per què l'output del LM311 commuta repetidament prop del llindar?

Soroll o un input que canvia lentament poden fer que les dues tensions d'entrada es creuin diverses vegades. Afegir histerès crea llindars d'encesa i apagada separats, cosa que impedeix el xerric de l'output.

2. Pot el LM311 connectar-se directament a un microcontrolador?

Sí, però el pin 7 necessita una resistència de pull-up connectada a l'alimentació lògica del microcontrolador, com ara 3.3 V o 5 V. La tensió i el corrent d'output han de romandre dins dels valors nominals de tots dos dispositius.

3. Com afecta la tensió de desfasament d'entrada al punt de commutació?

La tensió de desfasament d'entrada crea una petita diferència entre els llindars de commutació real i esperat. Esdevenen importants quan es comparen senyals molt petites o quan el circuit requereix una alta precisió del llindar.

4. Per què podria l'output del LM311 romandre alt tot el temps?

Les causes possibles inclouen una connexió de sortida perduda, polaritat d'entrada incorrecta, funcionament fora del rang de mode comú, una resistència de pull-up massa gran, o activació accidental de la funció de destell.

5. Com pot el LM311 detectar un senyal de sensor amb soroll?

Utilitzeu desacoblament de subministrament, traçadors d'entrada curts, una posada a terra adequada i histerès. Un filtre d'entrada també pot eliminar soroll de alta freqüència no desitjat, però massa filtratge pot retardar la resposta.

6. Què limita la freqüència de commutació del LM311?

El retard de propagació, la sobrecàrrega d'entrada, la resistència de pull-up, la capacitància de càrrega i el cablejat de sortida afecten la freqüència màxima pràctica. Una sobrecàrrega més gran i una capacitància de sortida més baixa generalment milloren la velocitat de commutació.

7. El LM311 produeix una sortida definida durant l'encesa?

No sempre. El temps d'augment de l'oferta, les condicions d'entrada i l'oferta de pull-up poden causar un estat desconegut temporalment. Afegiu un reinici, un retard o un control d'habilitació quan es requereixi un comportament segur en l'inici.

8. Com puc provar un LM311 en un circuit?

Appliqueu una tensió de referència coneguda a una entrada i varieu lentament l'altra entrada al seu voltant. La sortida hauria de canviar d'estat a prop del nivell de referència. També comproveu els pins d'oferta, la resistència de pull-up i el rang de mode comú d'entrada.