OP-AMP 비교기(LM393) 사양 및 사용방법

 

OP-AMP 비교기(LM393)에 대해 설명드리겠습니다.

 

8 Pin으로 구성된 LM393N는 DIP 및 SOP-8 타입형태의 패키지로 8핀으로 구성됩니다.

 

Kicad에 나온 블럭을 살펴보면,

독립된 OP AMP(비교기) 2개와 전원 입력으로 구성됩니다.

 

DIP Package 핀맵

 LM393는 두 개의 독립적인 정밀 전압 비교기를 하나의 패키지에 담은 듀얼 전압 비교기 IC입니다. 일반적인 OP-AMP와 외형 및 핀 구성은 비슷하지만, 아날로그 신호를 증폭하는 대신 두 입력 전압의 크기를 비교하여 디지털 신호(High/Low)로 출력하는 데 최적화되어 있습니다. 

 

 

사양을 살펴보면,

 공급전압은 2V ~ 30V로 생각보다 큰 전압을 핸들링하는 칩인 것을 알 수 있습니다. 칩의 버전에 따라 32V, 36V 등까지 커버하는 모델도 존재합니다.

 

입력 전압 범위는 Max  = (V+) – 2.0로 기술되어있는데,

풀어서 말하자면,  전원공급전압(V+)보다 2V 적은 전압까지 처리가 가능하다는 소리입니다.

 

다음으로 "엠비언트 템퍼러춰"라는 다소 긴 이름을 지닌 동작시 주변온도에 대해 -40 ~ 85도 혹은 0 ~70도임을 알 수 있습니다.

 효율적으로 작동하기 위해 관리해야 하는 주변 환경 온도를 의미합니다. 일반적인 상온에서는 크게 문제없이 동작이 가능합니다.

 

당연하겠지만, 알리 익스프레스등에서 판매 중의 모듈에 포함된 IC의 동작 온도가 궁금하시다면,

가장 작은 범위... 보다 더 작은.. 범위 정도를 기준으로 생각하시면 되겠네요..

 

동작하는 원리는,

 Vin+와 Vin-의 전압차이가 0보다 크냐 작냐에 따라

Vout이 V+ 혹은 GND가 출력된다는 것입니다.

 

만약 전원(V+) 5V와 접지(GND) 0V를 공급 시 동작은 다음과 같습니다.

    CASE 1. Vin+ = 2V, Vin-= 1V를 입력하면 Vout은 5V 출력

    CASE 2. Vin+ = 1V, Vin-= 2V를 입력하면 Vout은 0V 출력

 

좀 더 세밀하게 들어가서  CASE 3. Vin+ = Vin- 인경우도 궁금하실 텐데,

이론상은 두 값 중 살짝이라도 큰 쪽으로 정해진다.. 이런 건 아닙니다.

설명서를 확인해 봐야 되는 문제입니다.

 

  위의 처럼 Input Offset Voltage값이 이를 표시하겠습니다. 

이 값은 이론적으로 두 입력이 완벽히 같을 때 출력이 변해야 하지만,

실제 공정상의 오차로 인해 발생(제조시 "정확하게 대칭하여 만들기엔 비싸고 어렵다"를 돌려 말하는것이겠죠?)

 '최소한의 판단 경계선'입니다. 보통 Op-Amp에서 일반적인 값은  2mV 내외입니다.

사양서를 참조하면 주변 온도와 제조사에 따라 다르지만, 데이터시트상 최대 2.5mV 혹은 4mV까지 +, -방향으로 발생할 수 있기때문에, 판단기준은 -2.5mV ~ +2.5mV로 최대 5mV의 범위내에서 비교기는 어느 쪽이 높은지 정확히 판단하지 못하고 출력이 바뀌지 않을 수 있습니다. 즉, 안정적인 동작을 위해서는 최소 5mV 이상의 차이를 두라는 것입니다.

 

다시 문제로 돌아가서 CASE 3. Vin+ = Vin- 인경우를 살펴보면,

 |(Vin+ - Vin-)| > 2.5mV , 즉 Vin+와 Vin-의  값의  차이의 절대값이 2.5mV보다 큰경우에만 Case 1 혹은 Case 2로 판단된다고 이해하시면 되겠습니다.

비교기에 대한 동작 원리 및 사양을 확인하였으니, 어디에 사용하는지 보겠습니다.

먼저 값이 작은 센서 모듈의 디지털 변환에 이용됩니다. 일반적인 센서는 아날로그 값을 가지며, 보통 미세한 출력만 지원합니다.  따라서 이러한 아날로그 센서 값을 받아 미리 설정한 기준 전압(Threshold)과 비교하여 '감지/미감지' 상태를 출력하는것이 필요합니다. 이러한 경우 LM393이 사용되겠습니다.

아래 사진은 빛 감지 센서(LDR/CdS)모듈로,  이를테면, 어두워지면 가로등을 켜는 조도 센서 모듈에 사용됩니다.

빛감지 센서

 또한 소리 감지 센서를 입력으로 마이크로 들어온 소리 크기가 일정 수준을 넘으면 박수 소리를 인식하는 회로 등에 쓰입니다.

소리 센서

적외선 센서를 연결하여 장애물/적외선 센서: 적외선 수신 전압을 비교해 물체 유무를 판단하는경우에도 사용되기도 합니다.

적외선 센서

 

모듈사진의 공통점이 보이시나요?

 LM393 IC을 기준으로 센서와 기준전압을 결정하기 위한 가변저항으로 구성됨을 알 수 있습니다.

 

전압을 감지할 수 있기 때문에 전원 및 배터리 관리 회로에도 이용됩니다.
전압이 일정 범위를 벗어나는지 실시간으로 감시합니다.  배터리 전압이 기준치 이하로 떨어지면 LED를 켜거나 전원을 차단하는 등의  배터리 저전압 경고로 활용되고,  대부분의 배터리에 내장/외장된 과전압/저전압 보호(OVP/UVP)회로에서 전원 공급 장치에서 전압 이상을 감지하여 시스템을 보호하는 중요한 역활을 합니다.

 마지막으로 제로 크로싱 검출등의 신호 변환 및 파형 생성에 활용되는데, 이부분은 일반적으로 회로설계를 하시는 분이 아니라면,

깊이있게 들여다 보지 않아도 되는 부분이라 생략하도록 하겠습니다.