Når man designer elektroniske kredsløb, er det ofte nødvendigt at sammenligne niveauet af to spændinger. Til dette formål anvendes en enhed som f.eks. en komparator. Enhedens navn kommer af det latinske comparare, eller rettere sagt at sammenligne.
Indhold
Hvad er en spændingskomparator
En komparator er generelt en enhed med to indgange for de værdier (spændinger), der sammenlignes, og en udgang for resultatet af sammenligningen. Komparatoren har to indgange til at tilføre de sammenlignede værdier, en direkte og en omvendt indgang. Udgangen sættes til logisk et, hvis den direkte indgangsspænding overstiger den omvendte spænding, og nul, hvis det er omvendt. En komparator kaldes en inverterende komparator, hvis forskellen mellem den direkte og den inverse indgang er positiv og nul i den modsatte situation.
Princippet for komparatorens funktion
Det er praktisk at opbygge en komparator ved hjælp af operationsforstærker (OP-AMP). Til dette formål bruger den direkte sine egenskaber:
- Forstærkning af signalforskellen mellem den direkte og den inverterende indgang;
- uendelig (i praksis fra 10.000 og derover) gevinst.
DT's funktion som en komparator kan overvejes med følgende kredsløb:
Antag, at der er en op-amp med en forstærkning på 10000, forsyningsspændingen er bipolær, + 5 V og minus 5 V. Deleren er indstillet til et referenceniveau på nøjagtig 0 volt ved den inverterende indgang, og den direkte indgang tages ved minus 5 volt fra potentiometerets skyder. Op-forstærkeren skal forstærke forskellen med 10.000 gange, hvilket teoretisk set betyder, at der teoretisk set skal komme en spænding på minus 50.000 volt ud på udgangen. Men der er ingen steder, hvor op-amp'en kan få en sådan spænding, så den skaber den maksimale mulige forsyningsspænding, minus 5 volt.
Hvis du begynder at hæve spændingen ved den direkte indgang, vil Op-Amp forsøge at indstille spændingsforskellen mellem indgangene, ganget med 10000. Det vil lykkes, når indgangsspændingen nærmer sig nul og bliver ca. minus 0,0005 V. Når indgangsspændingen stiger yderligere ved den positive indgang, stiger udgangsspændingen til nul eller højere, og ved +0,0005 volt bliver den +5 volt, og der er ingen yderligere stigning mulig. Når indgangsspændingen passerer nulniveauet (minus 0,0005 volt til +0,0005 volt for at være præcis), vil der således være et spring i udgangsspændingen fra minus 5 volt til +5 volt. Med andre ord, så længe spændingen ved den direkte indgang er lavere end spændingen ved den inverterende indgang, sættes nul ved komparatorudgangen. Hvis den er højere, er der indstillet en.
Af interesse er afsnittet af niveauforskellen ved indgangene fra minus 0,0005 volt til +0,0005 volt. I teorien vil dette resultere i en jævn stigning fra negativ til positiv forsyningsspænding. I praksis er dette område meget snævert og skyldes interferens, støj, ustabilitet i forsyningsspændingen osv. Hvis spændingerne ved indgangene er omtrent lige store, vil komparatoren blive udløst tilfældigt i begge retninger. Jo lavere forstærkning af op-forstærkeren, jo bredere bliver dette vindue for ustabilitet. Hvis komparatoren styrer en aktuator, vil dette medføre, at den udløses på slaget (relæet klikker, ventilen smækker osv.), hvilket kan medføre, at den går mekanisk i stykker eller overophedes.
For at undgå dette skabes der en lav positiv feedback ved at indbygge den modstand, der er angivet med den stiplede linje. Dette skaber en lille hysterese ved at forskyde skiftetærsklerne, når spændingen stiger og falder i forhold til referencen. F.eks. vil komparatoren opad skifte ved 0,1 volt og nedad ved præcis nul (afhængigt af dybden af feedback). Dette vil fjerne vinduet for ustabilitet. Denne modstand kan have en størrelse på mellem et par hundrede kilohms og et par megaohm. Jo lavere modstanden er, jo større er forskellen mellem tærsklerne.
Der findes også specialiserede komparatorchips. LM393 for eksempel. Disse har en hurtig operationsforstærker (eller flere) og kan have en indbygget divider, der leverer en referencespænding. En anden forskel mellem disse komparatorer og enheder baseret på Op-Amps er, at mange af dem kræver en enkeltsluttet strømforsyning. De fleste op-forstærkere har brug for en bipolær spænding. Valget af chiptype bestemmes af enhedens design.
Funktioner af digitale komparatorer
Komparatorer anvendes også i digital teknologi, selv om det umiddelbart kan lyde paradoksalt. Der er trods alt kun to spændingsniveauer - et og nul. Det giver ingen mening at sammenligne dem. Men det er muligt at sammenligne to binære tal, som alle analoge værdier (herunder spænding) også kan konverteres til.
Antag, at der er to binære ord af samme længde i bit:
X=X3X2X1X0 og Y=Y3Y2Y1Y.
De anses for at have samme værdi, hvis alle bits er bitvis lige store:
1101=1101 => X=Y.
Hvis mindst én bit er forskellig, er tallene ulige. Det højeste tal bestemmes ved en bitvis sammenligning, idet der startes fra den højeste bit:
- 1101>101 - her er den første bit i X større end den første bit i Y, og X>Y;
- 1101>101 - de første bits er ens, men den anden bit af X er større, og X>Y;
- 111<1110 - Y har den tredje bit mere, og værdien af den nederste bit i X er irrelevant, X
Gennemførelsen af denne sammenligning kan bygges på I-NE- og OR-NE-logiske basiskredsløb, men det er nemmere at anvende standardprodukter. F.eks. 4063 (CMOS), 7485 (TTL), indenlandsk K564IP2 og andre serier af mikrokredsløb. De er 2- til 8-cifrede komparatorer med et tilsvarende antal dataindgange og kontrolindgange. Udgangene fra digitale komparatorer er i de fleste tilfælde 3:
- mere;
- mindre end;
- lige.
I modsætning til analoge enheder er lighed ved indgangene i binære komparatorer ikke en uønsket situation, og den undgås ikke.
En sådan enhed kan let opbygges programmatisk ved hjælp af Boolske algebrafunktioner. Alternativt har mange mikrocontrollere indbyggede analoge komparatorer med separate eksterne pins, som giver det interne kredsløb et færdigt resultat af sammenligningen af to værdier som 0 eller 1. Dette sparer ressourcer i små computersystemer.
Når der anvendes en spændingskomparator
Komparatoren anvendes i en lang række applikationer. Der kan f.eks. bygges et tærskelrelæ på det. Der er behov for en sensor, der omsætter en hvilken som helst størrelse til spænding. En sådan værdi kan være:
- lysniveau;
- støjniveau;
- væskeniveauet i beholderen eller tanken;
- enhver anden værdi.
Potentiometeret kan bruges til at indstille niveauet for komparatoren. Udgangssignalet gives via en nøgle til en indikator eller en aktuator.
Hvis hystereseværdien øges, kan komparatoren fungere som Schmitt-trigger. Når der påføres en langsomt varierende spænding på indgangen, er udgangen binært signal med stejle kanter.
To elementer kan forbindes for at danne en komparator med dobbelt tærskelværdi eller en vindueskomparator.
Her indstilles tærskelspændingen separat for hver komparator - den øverste komparator på den direkte indgang og den nederste komparator på den inverse indgang. De frie indgange kombineres, og den spænding, der skal måles, påføres dem. Udgangene er OR-forbundet. Når spændingen overskrider den indstillede øvre eller nedre grænse, udsender en af komparatorerne et højt niveau.
En multi-level komparator er sammensat af flere elementer, som kan bruges som en lineær spændingsindikator eller en værdi, der konverteres til spænding. For fire niveauer vil kredsløbet være som følger:
I dette kredsløb anvendes der en forskellig referencespænding på hvert enkelt elements indgang. De inverterende indgange forbindes sammen, og det signal, der skal måles, påføres dem. Når udløsningsniveauet er nået, lyser den tilsvarende lysdiode. Hvis de lysende elementer er anbragt i en linje, fås en lysbjælke, hvis længde varierer alt efter den påførte spænding.
Det samme kredsløb kan også bruges som en analog til digital konverter (ADC). Den konverterer indgangsspændingen til en passende binær kode. Jo flere elementer der indgår i ADC'en, jo højere opløsning og jo mere nøjagtig konvertering. I praksis er linjekoden uhensigtsmæssig at bruge, og den konverteres til en velkendt kode ved hjælp af en koder. Enkoderen kan bygges ved hjælp af logiske elementer, standardmikrokredsløb eller ROM'er med den relevante firmware.
Anvendelsesområdet for komparatorer i professionelle og amatørkredsløb er bredt. Kompetent anvendelse af disse elementer gør det muligt at løse en lang række opgaver.
Relaterede artikler:
