LM393: precyzyjny komparator napięcia z histerezą

Układ zasilany jest z pojedynczej szyny +5.0 V DC podłączonej do pinu 8 (VCC) i pinu 4 (GND). Ceramiczny kondensator odsprzęgający C1 (100 nF X7R) tworzy lokalny zasobnik ładunku o niskiej impedancji bezpośrednio przy pinach zasilania układu scalonego, pochłaniając szybkie impulsy prądu generowane podczas przełączania stopnia wyjściowego typu otwarty kolektor pomiędzy stanem odcięcia a głębokim nasyceniem. Wewnętrzna architektura wejściowa LM393 wykorzystuje różnicowe pary Darlingtona na tranzystorach PNP z wbudowanym przesunięciem poziomu, co umożliwia wykrywanie napięć wejściowych aż do potencjału masy układu (0 V) bez konieczności stosowania ujemnego napięcia zasilania.

Stabilne napięcie odniesienia V_REF jest uzyskiwane z szyny +5.0 V za pomocą dopasowanego dzielnika rezystancyjnego złożonego z R1 (10 kΩ) i R2 (10 kΩ). Dzięki zastosowaniu rezystorów metalizowanych o tolerancji 1%, napięcie w punkcie środkowym doprowadzone do pinu 2 (wejście odwracające, 1IN-) wynosi:

Próg 2.50 V znajduje się w środku liniowego zakresu napięć współbieżnych układu (od 0 V do VCC - 1.5V = 3.5V), co gwarantuje optymalny zapas dynamiki dla sygnałów o polaryzacji dodatniej i ujemnej.

Analogowy sygnał wejściowy VIN jest podawany przez szeregowy rezystor wejściowy R3 (10 kΩ) do węzła sumującego j_in_pos przed wejściem na pin 3 (wejście nieodwracające, 1IN+). Rezystor dodatniego sprzężenia zwrotnego R4 (1 MΩ) przenosi aktualny stan wyjścia komparatora z powrotem do tego węzła. Zgodnie z zasadą superpozycji chwilowe napięcie V+ na pinie 3 zależy zarówno od VIN, jak i od napięcia wyjściowego VOUT:

Ponieważ rezystor R4 jest sto razy większy od R3 (R4 / R3 = 100), pętla sprzężenia wstrzykuje niewielką, ściśle kontrolowaną 1-procentową część skoku napięcia wyjściowego do węzła nieodwracającego, dynamicznie przesuwając rzeczywisty próg przełączania w zależności od stanu wyjścia.

Gdy sygnał VIN ma niską wartość, wyjście komparatora pozostaje w stanie wysokim (VOH ≈ 5.0 V za pośrednictwem rezystora podciągającego R5). Prąd płynący przez R4 podnosi potencjał na pinie 3, ustalając górny próg przełączania (VTH ≈ 2.524 V). Kiedy VIN przekroczy wartość VTH, wewnętrzny wzmacniacz różnicowy zmienia stan, załączając tranzystor wyjściowy NPN z otwartym kolektorem i sprowadzając napięcie VOUT do poziomu nasycenia (VOL ≈ 0.1 V). W tym momencie R4 obniża próg na pinie 3 do wartości dolnego progu przełączania (VTL ≈ 2.475 V). Różnica między tymi progami wyznacza szerokość okna histerezy:

Ten margines zakłóceń o wartości 48.5 mV skutecznie eliminuje fałszywe wyzwalania, pasożytnicze oscylacje i dzwonienie na wyjściu przy przetwarzaniu wolnozmiennych lub zaszumionych sygnałów z czujników.

Stopień wyjściowy układu LM393 stanowi niezależny tranzystor bipolarny NPN z otwartym kolektorem wyprowadzonym bezpośrednio na pin 1. Rezystor podciągający R5 (4.7 kΩ) podłączony do szyny +5.0 V wymusza stan wysoki (VOH = 5.0 V), gdy tranzystor wyjściowy jest wyłączony. W momencie wyzwolenia stanu niskiego wewnętrzny klucz przewodzi prąd o wartości ISINK = (5.0V - 0.15V) / 4.7kΩ ≈ 1.03 mA, precyzyjnie zwierając wyjście do poziomu VOL ≤ 150 mV. Ponieważ linia podciągająca jest odizolowana od struktury komparatora, rezystor R5 może być alternatywnie podłączony do zewnętrznej szyny mikrokontrolera +3.3 V, realizując bezpośrednie dopasowanie poziomów logicznych bez zewnętrznych konwerterów.