LM393 — компаратор напряжения¶

LM393 — интегральная микросхема, представляющая собой сдвоенный компаратор напряжения, предназначенный для сравнения двух аналоговых сигналов и формирования цифрового выходного сигнала. Микросхема относится к семейству линейных компонентов и широко применяется в аналоговой и смешанной электронике для построения пороговых устройств, датчиков, генераторов и схем управления.

¶История и происхождение

Микросхема LM393 была разработана компанией National Semiconductor (ныне подразделение Texas Instruments) в 1970-х годах. Она стала развитием более раннего одиночного компаратора LM311 и была создана как более дешёвая и удобная альтернатива для массового применения. Благодаря удачному сочетанию характеристик и низкой цене, LM393 быстро завоевала популярность и стала одним из стандартных компонентов в арсенале разработчиков электроники. Впоследствии выпуск микросхемы освоили многие производители по всему миру, включая такие компании, как STMicroelectronics, ON Semiconductor, NXP и отечественные заводы. Существует также версия LM393 с открытым коллектором, а её одноканальный вариант известен как LM311, четырёхканальный — LM339.

¶Конструкция и принцип работы

LM393 выпускается в различных корпусах, наиболее распространёнными из которых являются DIP-8 (для монтажа в отверстия) и SOIC-8 (для поверхностного монтажа). Корпус содержит два независимых компаратора с общим выводом питания.

Каждый компаратор имеет два входа — инвертирующий (обозначается «−») и неинвертирующий («+»), а также выход с открытым коллектором. Принцип работы основан на сравнении напряжений на входах: если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем, выходной транзистор закрывается, и выход через внешний подтягивающий резистор устанавливается в высокий логический уровень. Если напряжение на инвертирующем входе выше, выходной транзистор открывается и замыкает выход на общий провод (землю), формируя низкий логический уровень.

Выход с открытым коллектором является ключевой особенностью LM393. Он позволяет подключать нагрузку к напряжению, отличному от напряжения питания микросхемы, что обеспечивает согласование с логическими уровнями различных семейств (ТТЛ, КМОП) или управление реле и светодиодами. Для корректной работы выходного каскада обязателен внешний подтягивающий резистор, подключаемый между выходом и шиной положительного напряжения.

¶Основные характеристики

Микросхема LM393 отличается широким диапазоном напряжений питания: от 2 до 36 вольт при однополярном питании или от ±1 до ±18 вольт при двуполярном. Это позволяет использовать её в самых разных схемах — от низковольтных батарейных устройств до промышленной автоматики с питанием 24 В.

Важной особенностью является возможность работы с входными сигналами, включающими напряжение питания: синфазное входное напряжение может достигать уровня питания минус примерно 1,5 вольта. Входной ток компаратора очень мал (порядка 250 нА), что позволяет подключать к входам высокоомные источники сигнала, например, фоторезисторы или делители напряжения на резисторах с большим сопротивлением.

Выходной каскад способен пропускать ток до 20 мА, что достаточно для управления светодиодами, оптронами и логическими входами. Быстродействие компаратора характеризуется временем отклика около 1,3 мкс при перепаде входного напряжения на 100 мВ с превышением порога на 5 мВ, что делает его пригодным для работы с сигналами звуковой частоты и медленно меняющимися процессами.

¶Типовые схемы применения

LM393 используется в огромном количестве электронных устройств. Наиболее распространённые области применения включают:

• Пороговые устройства и детекторы уровня — компаратор сравнивает напряжение с датчика с опорным напряжением, формируя сигнал о превышении или понижении порога. Такие схемы используются в термостатах, датчиках освещённости, уровня жидкости и давления.
• Формирователи прямоугольных импульсов — преобразование аналогового сигнала (например, синусоидального) в последовательность прямоугольных импульсов для цифровых схем.
• Генераторы сигналов — на основе LM393 строятся простые релаксационные генераторы, мультивибраторы и широтно-импульсные модуляторы (ШИМ).
• Детекторы пересечения нуля — для синхронизации управляющих схем с моментом перехода сетевого напряжения через ноль, что важно в схемах управления тиристорами и симисторами.
• Схемы защиты — контроль тока и напряжения в блоках питания, отключение нагрузки при аварийных режимах.
• Преобразователи аналоговых сигналов в цифровые — в простых аналого-цифровых преобразователях последовательного приближения.
• Датчики температуры и света — совместно с термисторами и фоторезисторами для построения пороговых сигнализаторов.

Классическая схема включает делитель напряжения на двух резисторах, задающий опорный порог на одном входе, и источник измеряемого сигнала на другом. Гистерезис (положительная обратная связь) добавляется для устранения дребезга при медленном изменении входного сигнала, что предотвращает многократные переключения выхода вблизи порога.

¶Достоинства и ограничения

К основным достоинствам LM393 относятся низкая стоимость, широкий диапазон питающих напряжений, малое потребление тока (около 0,4 мА на компаратор), способность работать с входными сигналами в широком диапазоне и совместимость с различными логическими уровнями благодаря открытому коллектору. Микросхема выпускается в нескольких вариантах с различными допусками по температуре: коммерческий (0…+70 °C) и индустриальный (−40…+85 °C).

Ограничениями микросхемы являются сравнительно невысокое быстродействие, невозможность работы с входными сигналами, превышающими напряжение питания, а также необходимость внешнего подтягивающего резистора. Кроме того, LM393 не имеет встроенного гистерезиса, поэтому для многих применений его требуется добавлять внешними элементами.

¶Производители и аналоги

LM393 производится многими компаниями: Texas Instruments, STMicroelectronics, ON Semiconductor, Diodes Incorporated и другими. В России и странах бывшего СССР выпускался отечественный аналог микросхемы — КР1401СА1, полностью совместимый по выводам и характеристикам. Также существуют аналоги с улучшенными параметрами, например, LM393A с более точными характеристиками входного напряжения смещения. Четырёхканальная версия LM339 и одноканальная LM311 используются в схемах, требующих иного количества компараторов.

¶Значение в современной электронике

Несмотря на почтенный возраст, LM393 остаётся востребованным компонентом в учебных целях, при разработке простых устройств автоматики, в конструкциях радиолюбителей и в промышленной аппаратуре, где не требуется высокое быстродействие. Массовость производства и универсальность обеспечили ей статус одного из стандартных «кирпичиков» аналоговой электроники, наряду с операционными усилителями и стабилизаторами напряжения. В современной литературе и справочных материалах LM393 рассматривается как классический пример компаратора, на котором изучаются принципы построения пороговых устройств.