Při návrhu elektronických obvodů je často nutné porovnat úroveň dvou napětí. K tomu se používá zařízení, jako je komparátor. Název jednotky pochází z latinského comparare, tedy srovnávat.
Obsah
Co je to komparátor napětí
Komparátor je obecně zařízení se dvěma vstupy pro porovnávané hodnoty (napětí) a výstupem pro výsledek porovnání. Komparátor má dva vstupy pro přivedení porovnávaných hodnot, přímý a inverzní vstup. Výstup je nastaven na logickou jedničku, pokud přímé vstupní napětí převyšuje inverzní napětí, a na nulu, pokud je tomu naopak. Komparátor se nazývá invertující komparátor, pokud je rozdíl mezi přímým a inverzním vstupem kladný a v opačné situaci nulový.
Princip fungování komparátoru
Komparátor je vhodné sestavit pomocí operační zesilovač (OP-AMP). K tomuto účelu využívá přímo své vlastnosti:
- Zesílení rozdílu signálů mezi přímým a invertujícím vstupem;
- nekonečný (v praxi od 10 000 a výše) zisk.
Fungování DT jako komparátoru lze uvažovat s následujícím zapojením:
Předpokládejme, že existuje optický zesilovač se zesílením 10000, napájecí napětí je bipolární, + 5 V a minus 5 V. Rozdělovač je na invertujícím vstupu nastavena referenční úroveň přesně 0 V, na přímém vstupu je z posuvníku potenciometru odebíráno minus 5 V. Optický zesilovač by měl rozdíl zesílit 10 000krát, teoreticky by se na výstupu mělo objevit napětí minus 50 000 voltů. Takové napětí však nemá optický zesilovač kde získat, a tak vytvoří maximální možné napájecí napětí, minus 5 V.
Pokud začnete zvyšovat napětí na přímém vstupu, Op-Amp se pokusí nastavit rozdíl napětí mezi vstupy vynásobený 10000. To se podaří, když se vstupní napětí přiblíží nule a dosáhne hodnoty přibližně minus 0,0005 V. S dalším nárůstem vstupního napětí na kladném vstupu bude výstupní napětí stoupat k nule nebo výš a při +0,0005 V se stane +5 V a dále nestoupá - není kam. Když tedy vstupní napětí překročí nulovou úroveň (přesněji od minus 0,0005 V do +0,0005 V), dojde ke skoku výstupního napětí z minus 5 V na +5 V. Jinými slovy, dokud je napětí na přímém vstupu nižší než na invertujícím vstupu, je na výstupu komparátoru nastavena nula. Pokud je vyšší, je nastavena jedna.
Zajímavý je úsek rozdílu úrovní na vstupech od minus 0,0005 V do +0,0005 V. Teoreticky se při jeho průchodu dosáhne plynulého nárůstu napájecího napětí ze záporného na kladné. V praxi je tento rozsah velmi úzký a kvůli rušení, šumu, nestabilitě napájecího napětí atd. Pokud jsou napětí na vstupech přibližně stejná, dojde k náhodnému spuštění komparátoru v obou směrech. Čím nižší je zesílení op-ampu, tím širší je toto okno nestability. Pokud komparátor ovládá akční člen, způsobí to jeho vypnutí při taktu (cvaknutí relé, klapnutí ventilu atd.), což může způsobit jeho mechanické poškození nebo přehřátí.
Aby se tomu zabránilo, vytvoří se mělká kladná zpětná vazba vložením rezistoru označeného přerušovanou čarou. To vytváří mírnou hysterezi posunem spínacích prahů při nárůstu a poklesu napětí vzhledem k referenci. Například nahoru bude komparátor spínat při 0,1 V a dolů přesně při nule (v závislosti na hloubce zpětné vazby). Tím se odstraní okno nestability. Hodnota tohoto rezistoru může být od několika set kiloohmů až po několik megaohmů. Čím nižší je odpor, tím větší je rozdíl mezi prahovými hodnotami.
K dispozici jsou také specializované komparátorové čipy. Například LM393. Ty mají rychlý operační zesilovač (nebo více) a mohou mít vestavěný dělič, který poskytuje referenční napětí. Další rozdíl mezi těmito komparátory a zařízeními založenými na optických zesilovačích spočívá v tom, že mnohé z nich vyžadují jednofázové napájení. Většina op-ampů potřebuje dvoupólové napětí. Výběr typu čipu je dán konstrukcí zařízení.
Vlastnosti digitálních komparátorů
Komparátory se používají také v digitální technice, i když to na první pohled může znít paradoxně. Koneckonců existují pouze dvě úrovně napětí - jedna a nula. Jejich porovnávání nemá smysl. Je však možné porovnat dvě binární čísla, na která lze převést i jakékoli analogové hodnoty (včetně napětí).
Předpokládejme, že existují dvě binární slova stejné délky v bitech:
X=X3X2X1X0 a Y=Y3Y2Y1Y.
Jsou považovány za stejné, pokud se všechny bity bitově rovnají:
1101=1101 => X=Y.
Pokud se alespoň jeden bit liší, čísla se nerovnají. Vyšší číslo se určí porovnáním bit po bitu, počínaje nejvyšším bitem:
- 1101>101 - zde je první bit X větší než první bit Y a X>Y;
- 1101>101 - první bity jsou stejné, ale druhý bit X je větší a X>Y;
- 111<1110 - Y má o třetí bit více a hodnota nižšího bitu X je irelevantní, X
Implementaci tohoto porovnání lze postavit na logických obvodech se základními prvky I-NE, OR-NE, ale jednodušší je použít hotové produkty. Například 4063 (CMOS), 7485 (TTL), domácí K564IP2 a další řady mikroobvodů. Jedná se o 2 až 8místné komparátory s odpovídajícím počtem datových vstupů a řídicích vstupů. Výstupy digitálních komparátorů jsou ve většině případů 3:
- více;
- méně než;
- rovná.
Na rozdíl od analogových zařízení není u binárních komparátorů rovnost na vstupech nežádoucí situací a nevyhýbá se jí.
Takové zařízení lze snadno programově sestavit pomocí funkcí booleovské algebry. Alternativou je mnoho mikrokontrolérů s vestavěnými analogovými komparátory se samostatnými externími piny, které dávají vnitřnímu obvodu hotový výsledek porovnání dvou hodnot jako 0 nebo 1. To šetří prostředky malých počítačových systémů.
Pokud se používá komparátor napětí
Komparátor se používá v široké škále aplikací. Lze na něm například postavit prahové relé. Bylo by zapotřebí čidlo, které převádí libovolnou veličinu na napětí. Takovou hodnotou může být:
- úroveň osvětlení;
- hladina hluku;
- hladina kapaliny v nádobě nebo nádrži;
- jakoukoli jinou hodnotu.
Potenciometr lze použít k nastavení úrovně komparátoru. Výstupní signál je předáván indikátoru nebo akčnímu členu prostřednictvím klíče.
Pokud se hystereze zvýší, může komparátor fungovat jako Schmittova spoušť. Pokud je na vstup přivedeno pomalu se měnící napětí, výstup je binární signál se strmými hranami.
Dva prvky lze spojit do dvouprahového komparátoru nebo okenního komparátoru.
Zde se prahové napětí nastavuje pro každý komparátor zvlášť - horní komparátor na přímém vstupu a dolní komparátor na inverzním vstupu. Volné vstupy jsou kombinovány a je na ně přivedeno měřené napětí. Výstupy jsou propojeny OR. Když napětí překročí nastavenou horní nebo dolní mez, jeden z komparátorů vydá vysokou úroveň.
Víceúrovňový komparátor je sestaven z několika prvků, které lze použít jako lineární ukazatel napětí nebo hodnoty, která se převádí na napětí. Pro čtyři úrovně by obvod vypadal následovně:
V tomto obvodu je na vstup každého prvku přivedeno jiné referenční napětí. Invertující vstupy jsou spojeny dohromady a je na ně přiveden měřený signál. Po dosažení úrovně spuštění se rozsvítí příslušná LED dioda. Pokud jsou vyzařovací prvky uspořádány do řady, vznikne světelný pruh, jehož délka se mění v závislosti na úrovni přiloženého napětí.
Stejný obvod lze použít také jako analogově-digitální převodník (ADC). Převádí vstupní napětí na příslušný binární kód. Čím více prvků ADC obsahuje, tím vyšší je rozlišení a tím přesnější je převod. V praxi se řádkový kód používá nepohodlně, a proto se převádí na známý kód pomocí kodéru. Snímač lze sestavit pomocí logických prvků, hotových mikroobvodů nebo pamětí ROM s příslušným firmwarem.
Oblast použití komparátorů v profesionálních i amatérských obvodech je široká. Kompetentní aplikace těchto prvků umožňuje řešit širokou škálu úkolů.
Související články:
