Простая схема выбора наибольшего напряжения

Ezio Rizzo, Vincenzo Pronzato

В преобразователе энергии с водяным охлаждением датчики с аналоговыми выходами в трех точках измеряют температуру охлаждающей воды. Если какая-либо из трех температур превышает заданный порог, раздается аварийный сигнал и привлекает внимание оператора системы. Знание того, на каком участке измерения достигнута самая высокая температура к моменту срабатывания сигнализации, экономит время на поиск и устранение неисправностей и предотвращает повреждение системы. Схема на Рисунке 1 вырабатывает аналоговое выходное напряжение, равное наибольшему из трех входных напряжений, которое управляет устройством отображения для непрерывного мониторинга температуры. Светодиодные индикаторы позволяют определить, какой из трех датчиков имеет наибольшую температуру. Внешний компаратор с регулируемым порогом (на схеме не показан) контролирует выход аналогового напряжения и активирует звуковой сигнал.

Рисунок 1.	Выход этой схемы отслеживает и индицирует наибольшее из трех входных напряжений и может управлять ленточным самописцем или аварийным компаратором.

Уровень каждого из трех входных аналоговых сигналов может изменяться от 0 до 10 В. Операционный усилитель (ОУ) IC_1A, управляемый входом с наивысшим напряжением, которое в этом примере приложено к IN₁, работает как повторитель напряжения с диодом D₁ в цепи обратной связи. Прямое падение напряжения на диоде делится на коэффициент усиления ОУ без обратной связи, в результате чего образуется «идеальный диод» с падением напряжения, измеряемым милливольтами.

Операционные усилители IC_1B и IC_1C работают как инвертирующие компараторы с высокими входными сопротивлениями. На своем инвертирующем входе каждый из них «видит» самое высокое входное напряжение, а на неинвертирующем входе – одно из двух более низких входных напряжений – IN₂ и IN₃, и выдает на выходе напряжение, близкое к напряжению отрицательной шины питания. Таким образом, положительное напряжение присутствует только на выходе IC_1A и, соответственно, на затворе MOSFET Q₁, а уровни напряжений на выходах компараторов IC_1B и IC_1C и на затворах Q₂ и Q₃ отрицательные. Q₁ включается, зажигая светодиод D₄. Проходящий через него ток, составляющий примерно 5 мА, создает на R₃ падение напряжения около 11 В. Это дает гарантию, что Q₂ и Q₃ и управляемые ими светодиоды останутся выключенными. Напряжение, падающее на резисторе R₁, представляет наибольшее из трех входных напряжений, а резистор R₄ и конденсатор C₁ образуют фильтр нижних частот, ослабляющий высокочастотные помехи, наводимые на кабели датчиков. Повторитель напряжения на микросхеме IC_1D буферизует выходное напряжение фильтра. На Рисунке 2 показаны результаты моделирования схемы в LTSpice для трех синусоидальных входных сигналов и результирующего аналогового выходного напряжения, для наглядности слегка смещенных на постоянные уровни.

Рисунок 2.	Входные напряжения схемы представлены тремя синусоидальными сигналами разной частоты (нижние кривые), наибольший из которых создает ток, проходящий через R2 (верхние кривые, где цветные горизонтальные сегменты соответствуют входам с наибольшими напряжениями).

Собранный макет схемы показал, что она работает так, как и было задумано. Учитывая расположение устройства в электрически зашумленной среде вблизи импульсного преобразователя энергии 300 кГц/30 кВт, в нем используются низкочастотные диоды 1N4004, чтобы избежать сбоев, которые вносит выпрямление паразитных высокочастотных помех. В менее зашумленном окружении можно использовать любые малосигнальные диоды, пиковое обратное напряжение которых превышает, как минимум, 30 В. В этой схеме хорошо работают почти все разновидности операционных усилителей, но для большей устойчивости к высокочастотным сигналам используйте счетверенный ОУ с полевыми транзисторами, например TL084 компании Texas Instruments.

Хотя в прототипе схемы использовались индикаторы на красных светодиодах, их цвет может быть любым. Чтобы изменить токи светодиодов, измените сопротивления резисторов R₂ и R₃, сохранив примерно такое же соотношение их значений 3:2. Например, при R₂ = 1.8 кОм и R₃ = 1.2 кОм ток через включенный светодиод будет равен примерно 10 мА. Увеличивая токи светодиодов, не забывайте, что резисторы постоянно рассеивают мощность. Для большей надежности выбирайте резисторы с допустимой рассеиваемой мощностью, вдвое превышающей расчетные значения.

1. Datasheet Texas Instruments LM324
2. Datasheet Texas Instruments TL084
3. Datasheet Microchip 2N7000