Содержание
Микросхема LM324 – операционный усилитель общего применения. LM324 выпускается в двух типах корпусов: DIP и SOIC. В состав LM324 входят четыре независимых операционных усилителя. Диапазон напряжений от 3в до 30в (+15, -15). Микросхема LM324 может работать как при однополярном, так и при двухполярном питании. Диапазон рабочих температур от 0 до +70 градусов по Цельсию.
Представляет собой микросхема LM324 четыре одинаковых по характеристикам операционных усилителя (ОУ), собранных в едином корпусе, работающих от одного источника питания в большом диапазоне напряжений. Каждый операционник имеет в своем составе входной дифференциальный каскад, защиту от КЗ и внутреннюю частотную коррекцию при единичном усилении.
Характеристики и дешевизна этого прибора обеспечивают ее широкое применённые в радиолюбительских схемах и в промышленной электронике. Она отлично подходит для работы в компактных переносных электронных устройствах.
Конфигурация выводов
Она производится в корпусах DIP-типа: пластиковом CDIP, керамическом PDIP или SO-типа для поверхностного монтажа: SOIC, TSSOP. Конструктивно устройство имеет 14 выводов. Поэтому, в некоторых технических описаниях, встречается обозначение DIP-14 или SO-14.
Назначение выводов для разных корпусов идентичное: 2,3, 5,6, 9,10, 13,12 — входы, 1,7,8,14 – выход, 4 – плюс источника питания, 11 – минус источника питания.
Технические характеристики
- Диапазон питающих напряжений Uпит. (Vcc): однополярный источник: +3…30 В, двухполярный источник: ±1.5…±15 В (V);
- Дифференциальное входное напряжение Uдиф.(VIDR): 32 В (V);
- Входное нап. Uвх. (VICR) от -0.3…32 В (V);
- Входной ток IICR (при отрицательном VICR) 5 мА (mA);
- Входной ток IICR (при положительном VICR) 0.4 мА (mA);
Электрические параметры (при Uпит. +5 В и TA +25 °C):
- Напряжение смещения на входе Uсм (VIO) от 2…7 мВ (mV);
- Входной ток смещения Iвх.(IIB) от 45…100 нА (nA);
- Выходное нап. Uвых.(Vout): от 0… Uпит. – 1,5 В (V);
- Коэффициент усиление (K): 100 дБ (dB);
- Ширина полосы пропускания (f) 1 МГц;
- Ток потребления без нагрузки Iпот. (ICC): не более 700 мкА (µA);
- Разность входных токов (ток сдвига) Iсдв. (IIO) от 5…30 нА (nA);
- Рассеиваемая мощность PР макс (P tod) зависит от типа корпуса: PDIP 1130 мВ(mW); CDIP 1260 мВ(mW); SOIC 800 мВ(mW).
- Диапазон рабочих температур окружающей среды TA: 0…+70°C;
- Температура хранения Tхран. (Tstr):-65… +150 °C.
Параметры lm324 разных компаний немного отличаются друг от друга, поэтому при разработке своих схем рекомендуется ознакомиться с официальной технической документацией на применяемое устройство от конкретного производителя.
Дифференциальный диапазон входного напряжения достигает напряжения питания. Для lm324 нижний предел диапазона входного синфазного сигнала на 0,3 В ниже, чем V—, а размах выходного напряжения ограничен снизу значением V—. Как на входах, так и на выходе предельное значение состовляет на 1,5 В меньше, чем V+.
Частота единичного усиления fi (от 100 КГц до 30 МГц), это частота на которой коэффициент усиления микросхемы (К) становится равным единице (0 дБ).
Имеет внутреннюю частотной коррекции для единичного усиления.
Диапазон входного синфазного напряжения включает землю.
Длительность короткого замыкания Tкз (Tsc) на выходе неограниченна.
Описание работы
Работа микросхемы lm324n основана на функционировании внутри неё одновременно четырех ОУ. Все усилители запитываеются от одного источника питания, имеют инвертирующий, не инвертирующий входы и одни выход. Источник питания может быть однополярным или двухполярным.
Рассмотрим внутреннюю схему одного из операционных усилителей c однополярным питанием. Возьмем её прямо из даташит на LM324.
Функционально каждый операционный усилитель состоит из: дифкаскада, а так же каскадов промежуточного и выходного усиления.
Дифференциальный каскад, выполняет функции усиления разности подаваемых на вход напряжений (V+ и V—) и нейтрализации синфазных сигналов. Обеспечивает высокое сопротивление на входе.
Промежуточный каскад обеспечивает балансировку операционника (установку на выходе нулевого напряжения при замкнутых входах), согласование сопротивлений дифференциального и выходного каскадов, а так же частотную коррекцию (защиту от самовозбуждения).
Выходной каскад обеспечивает низкое выходное сопротивление, требуемую мощность в нагрузке, ограничение тока и защиту при коротком замыкании.
Маркировка
Серия LM основана на интегральных микросхемах производства National Semiconductor. Приставка LM изначально означала linear monolithic (линейный, монолитный) и применялась для обозначения усилителей общего назначения (General Purpose) к которым не предъявлялись жестких требований. Цифры “324” указывают на серийный номер микросхемы. «-N», в конце серийника, обозначаются устройства, приобретенные Texas Instruments у National Semiconductor. В сентябре 2011 году National Semiconductor была передана Texas Instruments, которая не изменила приставку LM в своей продукции. Поэтому в настоящее время маркировка LM является кодом производителя Texas Instruments, но её широко используют другие производители при выпуске своих аналогов этой микросхемы.
Микросхемы LM324 и такая же с буквой N имеют одинаковые физические и электрические характеристики. У многих производителей символы “-N” , в конце маркировки, указывает на пластиковый тип корпуса микросхемы — DIP14.
Следует также отметить, что фирмы-производители постоянно совершенствуют свою продукцию. В настоящее время появились превосходящие по ряду функций модификации, например: LM324K, LM324KA с внутренней защитой от электрического разряда (HBM ESD); микромощные LP324 с током потребления 21 мкА; низковольтные LMV324, с напряжением питания от 2,7 В до 5,5 В; LPV324, изготавливаемые по технологии BiCMOS и током потребления 9 мкА и др. Усилители с символом «А» в маркировке, например “ LM324A-N ”, будут иметь лучшие характеристики по VIO по сравнению c другими (без «A»).
Аналог LM324
Список импортных аналогов LM324: ULN4336N, GL324, LA6324, IR3702, HA17324, MB3614, NJM2902D, SG324N, TDB0124, UA324, TA75902P, российские 1401УД2 и 435УД2.
Сфера применения
Наибольшую популярность LM324 нашел, с применением типовых схем отрицательной обратной связи. Его применяют при создании различных многофункциональных устройств: интеграторах, дифференциаторах, демодуляторах, логарифмических усилителях, сумматорах, суммирующе-вычитающих устройств, амплитудных регуляторах, генераторах и др. В связи с постоянным совершенствованием рассматриваемого устройства, появляются множество различных приборов использующих lm324, например:
- ИБП;
- схема датчика движения для освещения;
- схема терморегулятора инкубатора Нептун и дт.
Простая схема усилителя на LM324
Рассмотрим одну из простейших схем на LM324 с отрицательной обратной связью (ООС) -повторитель напряжения. Как правило, изучение темы по ОУ начинают с повторителя напряжения. Эту схему еще называют усилитель у которого имеет коэффициент усиления по напряжению равен единице. В идеале это означает, что операционный усилитель не обеспечивает какого-либо усиления сигнала и напряжение выходного сигнала совпадает с входным. То есть, если 5 В подается на вход операционного усилителя, то 5 В будет на его выходе.
Но это утверждение справедливо для идеального операционного усилителя, а не для рассматриваемого в статье LM324. Так как это не виртуальная, а реальная микросхема ее характеристики отличаются от идеальных. Рассмотрим график зависимости выходного напряжения от входного для lm324.
На графике, в области «A» показано изменение фазы на выходе. Такое может произойти при появлении отрицательного напряжения на входе микросхемы и может привести к нежелательным последствиям – выводу её из строя.
Так же, на графике видно, что напряжение на выходе усилителя растет с увеличением входного. Но оно не может расти бесконечно, и ограничено напряжением питания микросхемы 5 В и особенностями её работы. Так, напряжения на входах незначительно разнятся, через них течёт небольшой по величине ток, поэтому напряжение на выходе будет немного отличаться от подаваемого. На графике, в области “С”, видно предельное выходное напряжение 3.8 В для рассматриваемой схемы усиления, запитанной от 5 В.
На практике, повсеместно приходится работать с активными электронными компонентами, которые имеют достаточно слабый выходной ток. Например, такими как микрофон. Подключение к нему элемента с маленьким сопротивлением приведет к снижению напряжения выходного сигнала, создаваемого с его помощью. В таких случаях можно использовать повторитель напряжения, который имеет большое входное и низкое выходное сопротивление, соответственно не будет уменьшать или искажать подаваемый на вход сигнал.
Повторитель напряжения далеко не самая распространенная типовая схема применения для этой микросхемы. На основе данного ОУ создаются и продолжают совершенствоваться другие типовые решения, на основе которых работают современные электронные устройства.
Схема светодиодной мигалки на lm324
Данная схема довольно проста и позволяет достаточно плавно управлять включением и выключением светодиодов. Мигалка использует дополнительно два транзистора. Стоить обратить внимание что от емкости конденсатора C1 и базового сопротивления резистора R3 будет зависеть скорость переключения.
Безопасность при эксплуатации
Иногда, не все каналы lm324 используются в проекте. Если это так, то неиспользуемые должны быть подключены таким образом, чтобы не влиять на другие. Варианты подключения неиспользуемых каналов смотрите в даташите производителя.
При определенных условиях полярность выходного напряжения может стать инвертированной, что может повредить микросхему. Это характерно в схемах компаратора и повторителя напряжения. Для того, чтобы избежать появление отрицательного напряжения (инверсии фазы) на входе, производители рекомендуют добавлять последовательно на неинвертирующий вход схемы резистор, который будет ограничивать входной ток до 1 мА и ниже. Такая величина входного тока позволит снизит риск повреждения устройства.
Все входы операционных усилителей не должны быть подключены на землю на прямую. Всегда необходимо добавлять некоторое сопротивление, чтобы ограничить ток до 10 мА и меньше. Все входные контакты должны включать диод от входа до Gnd. В схемах с двумя источниками питания, контакт Gnd будет отрицательным. Тем не менее, во время включения, выключения питания или случаях внезапной неисправности по напряжению, вывод Gnd может стать положительным. Если это произойдет, то по заземленному входному контакту потечет большой ток, способный повредить микросхему.
Добавление последовательного резистора от 1 кОм до 10 кОм на входе может избавить ее от поломки.Не допускается подключение к источнику питания с обратной полярностью, так как lm324n может перегреться и выйти из строя.
Производители
Ниже представлены даташит основных производителей lm324:
Производитель российского аналога микросхемы Электроника и связь.
В одном корпусе микросборки расположено сразу четыре операционных усилителя. Изготавливается в корпусах типа SOIC и DIP.
 |
Основные технические характеристики ОУ LM324
Аналоги операционного усилителя LM324: 1401УД2, 1435УД2, GL324, HA17324, IR3702, LA6324, MB3614, SG324N, TDB0124, UA324, ULN4336N
Типовые схемы включения LM324:
Еще целую кучу схем типового включения им еется в справочном руководстве, по ссылке выше.
|
Схему датчика движения можно условно поделить на три составные части: усилитель сигнала с него два компаратора и пироэлектрический датчик PIS209S работающий на принципах генерации электрических зарядов в кристалле под воздействием теплового (инфракрасного) излучения,.
Что самое приятное что почти все это уже имеется в микросхеме LM324
Пироэлектрический датчик состоит из пластины пироэлектрика по бокам которой сделаны металлические обкладки, которые напоминают конденсатор. На одной из обкладок имеется вещество, принимающее тепловое излучение. Как только оно вызывает пироэлектрический эффект и напряжение между обкладками увеличивается. Это напряжение приложено к затвор – исток униполярного транзистора, встроенного в датчик.
Поэтому сопротивление канала транзистора снижается. VT1 нагружен на внешнее нагрузочное сопротивление (нет на рисунке), с которого и снимается генерируемый сигнал. Сопротивление R1 предназначено для разрядки обкладок емкости пироэлектрического датчика.
|
На трех операционных усилителях собраны компараторы напряжения. Их инверсные входы подсоединены к резисторному делителю напряжения, собранного на резисторах R1 и R2, через который на схему идет контролируемое напряжение.
На неинвертирующие входы операционных усилителей поступает опорное напряжение с делителя, выполненного на сопротивлениях R3 — R15. Если на входе вольтметра отсутствует напряжение, то на выходах ОУ будет высокий уровень сигнала и на выходах логических элементов будет логический ноль, поэтому светодиоды не светятся.
При поступление на вход светодиодного индикатора измеряемого напряжения, на определенных выходах компараторов ОУ установится низкий логический уровень, соответственно на светодиоды поступит высокий логический уровень, в результате чего загорится соответствующий светодиод. Для предотвращения подачи уровня напряжения на входе устройства имеется защитный стабилитрон на 12 вольт.
|
Чтобы максимально упростить самодельную конструкцию, информация о степени разряда батареи поступает по принципу светодиодного столбика, то есть чем выше напряжение на батареи, тем больше светодиодов загорается. Нижний уровень отмечается красным светодиодом (верхний по схеме), на максимальное напряжение указывает нижний зеленый светодиод. Полное отсутствие свечения говорит о сильной критическом разряде аккумулятора.
В основе конструкции лежат четыре компаратора операционного усилителя LM324, каждый из них контролирует определенный уровень напряжения.
Опорное напряжение в 5 вольт для всех четырех компараторов идет со стабилитрона и сопротивления R6.
Если на прямом входе ОУ потенциал будет меньше потенциала на его инверсном входе, на выходе компаратора присутствует низкий логический уровень и светодиод не горит. Если опорное напряжение превысит потенциал на противоположном входе компаратор переключается, и светодиод загорится. Для каждого компаратора установлен свой персональный уровень, который настраивается сопротивлением делителя на резисторах R1-R5.
|
Конструкция проста в сборке и регулировке. Основой являются три задающих генератора пилообразного напряжения, каждый из них работает на своей частоте.
Частоту генератора можно рассчитать по формуле:
где C1 – в фарадах, R1, R2, R3 – в омах. Сигналы с выхода всех трех генераторов смешиваются и поступают на усилитель, которых нагружен на восьми омную нагрузку.