Beim Entwurf elektronischer Schaltungen ist es häufig erforderlich, die Pegel zweier Spannungen zu vergleichen. Zu diesem Zweck wird ein Gerät wie ein Komparator verwendet. Der Name der Einheit leitet sich vom lateinischen Wort comparare ab, was so viel bedeutet wie vergleichen.
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Was ist ein Spannungskomparator?
Ein Komparator ist im Allgemeinen ein Gerät mit zwei Eingängen für die zu vergleichenden Werte (Spannungen) und einem Ausgang für das Ergebnis des Vergleichs. Der Komparator hat zwei Eingänge für die Eingabe der verglichenen Werte, einen direkten und einen inversen Eingang. Der Ausgang wird auf logisch Eins gesetzt, wenn die direkte Eingangsspannung die inverse Spannung übersteigt, und auf Null, wenn das Gegenteil der Fall ist. Ein Komparator wird als invertierender Komparator bezeichnet, wenn die Differenz zwischen dem direkten und dem inversen Eingang positiv und im umgekehrten Fall Null ist.
Funktionsprinzip des Komparators
Es ist praktisch, einen Komparator zu bauen mit Operationsverstärker (OP-AMP). Zu diesem Zweck nutzt es direkt seine Eigenschaften:
- Die Verstärkung der Signaldifferenz zwischen dem direkten und dem invertierenden Eingang;
- unendlicher (in der Praxis ab 10.000 und mehr) Gewinn.
Der Betrieb des DT als Komparator kann mit der folgenden Schaltung betrachtet werden:
Angenommen, es gibt einen Operationsverstärker mit einer Verstärkung von 10000, die Versorgungsspannung ist bipolar, + 5 V und - 5 V. Der Teiler auf einen Referenzpegel von genau 0 Volt am invertierenden Eingang eingestellt ist, wird der direkte Eingang mit minus 5 Volt vom Potentiometerschieber abgenommen. Der Operationsverstärker sollte die Differenz um das 10.000-fache verstärken, theoretisch sollte am Ausgang eine Spannung von minus 50.000 Volt erscheinen. Der Operationsverstärker kann jedoch nirgendwo eine solche Spannung erhalten, also erzeugt er die maximal mögliche Versorgungsspannung, minus 5 Volt.
Wenn Sie beginnen, die Spannung am direkten Eingang zu erhöhen, versucht der Op-Amp, die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen, multipliziert mit 10000, einzustellen. Sie ist erfolgreich, wenn die Eingangsspannung gegen Null geht und etwa minus 0,0005 V beträgt. Wenn die Eingangsspannung am positiven Eingang weiter ansteigt, steigt die Ausgangsspannung auf Null oder höher, und bei +0,0005 Volt wird sie zu +5 Volt, und ein weiterer Anstieg ist nicht möglich. Wenn also die Eingangsspannung den Nullpunkt durchläuft (genauer gesagt von minus 0,0005 Volt auf +0,0005 Volt), springt die Ausgangsspannung von minus 5 Volt auf +5 Volt. Mit anderen Worten: Solange die Spannung am Gleichstromeingang niedriger ist als die am invertierenden Eingang, wird am Komparatorausgang Null gesetzt. Ist sie höher, wird eine eingestellt.
Von Interesse ist der Bereich der Pegeldifferenz an den Eingängen von minus 0,0005 Volt bis +0,0005 Volt. Theoretisch führt dies zu einem sanften Anstieg von der negativen zur positiven Versorgungsspannung. In der Praxis ist dieser Bereich aufgrund von Störungen, Rauschen, instabiler Versorgungsspannung usw. sehr eng. Wenn die Spannungen an den Eingängen annähernd gleich sind, wird der Komparator zufällig in beide Richtungen ausgelöst. Je niedriger die Verstärkung des Operationsverstärkers ist, desto größer ist dieses Fenster der Instabilität. Wenn der Komparator ein Stellglied steuert, führt dies dazu, dass er im Takt auslöst (Klicken des Relais, Schlagen des Ventils usw.), was zu einem mechanischen Bruch oder einer Überhitzung führen kann.
Um dies zu vermeiden, wird eine flache positive Rückkopplung geschaffen, indem der durch die gestrichelte Linie gekennzeichnete Widerstand eingebaut wird. Dadurch entsteht eine leichte Hysterese, da sich die Schaltschwellen verschieben, wenn die Spannung im Verhältnis zum Referenzwert steigt oder fällt. Zum Beispiel schaltet der Komparator bei 0,1 Volt nach oben und bei genau Null nach unten (je nach Tiefe der Rückkopplung). Damit wird das Fenster der Instabilität geschlossen. Dieser Widerstand kann zwischen einigen hundert Kiloohm und einigen Megaohm liegen. Je niedriger der Widerstand ist, desto größer ist der Unterschied zwischen den Schwellenwerten.
Es sind auch spezielle Komparatorchips erhältlich. Der LM393 zum Beispiel. Diese verfügen über einen schnellen Operationsverstärker (oder mehr) und können einen eingebauten Teiler haben, der eine Referenzspannung liefert. Ein weiterer Unterschied zwischen diesen Komparatoren und den auf Operationsverstärkern basierenden Geräten besteht darin, dass viele von ihnen eine unsymmetrische Spannungsversorgung benötigen. Die meisten Operationsverstärker benötigen eine bipolare Spannung. Die Wahl des Chiptyps richtet sich nach dem Design des Geräts.
Merkmale von Digitalkomparatoren
Komparatoren werden auch in der Digitaltechnik eingesetzt, obwohl dies auf den ersten Blick paradox klingen mag. Schließlich gibt es nur zwei Spannungsstufen - eins und null. Es macht keinen Sinn, sie zu vergleichen. Es ist jedoch möglich, zwei Binärzahlen zu vergleichen, in die auch beliebige Analogwerte (einschließlich Spannung) umgewandelt werden können.
Angenommen, es gibt zwei binäre Wörter gleicher Länge in Bits:
X=X3X2X1X0 und Y=Y3Y2Y1Y.
Sie werden als gleichwertig angesehen, wenn alle Bits bitweise gleich sind:
1101=1101 => X=Y.
Wenn mindestens ein Bit unterschiedlich ist, sind die Zahlen nicht gleich. Die höhere Zahl wird durch einen Bit-für-Bit-Vergleich, beginnend mit dem höchsten Bit, ermittelt:
- 1101>101 - hier ist das erste Bit von X größer als das erste Bit von Y, und X>Y;
- 1101>101 - die ersten Bits sind gleich, aber das zweite Bit von X ist größer und X>Y;
- 111<1110 - Y hat das dritte Bit mehr und der Wert des unteren Bits von X ist irrelevant, X
Die Implementierung dieses Vergleichs kann auf I-NE- oder OR-NE-Basiselement-Logikschaltungen aufgebaut werden, aber es ist einfacher, Standardprodukte zu verwenden. Zum Beispiel 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 und andere Serien von Mikroschaltungen. Es handelt sich um 2- bis 8-stellige Komparatoren mit einer entsprechenden Anzahl von Dateneingängen und Steuereingängen. Die Ausgänge von Digitalkomparatoren sind in den meisten Fällen 3:
- mehr;
- weniger als;
- gleich.
Im Gegensatz zu analogen Geräten ist bei Binärkomparatoren Gleichheit an den Eingängen keine unerwünschte Situation und wird auch nicht vermieden.
Ein solches Gerät kann leicht mit Hilfe von Funktionen der Booleschen Algebra gebaut werden. Alternativ dazu verfügen viele Mikrocontroller über integrierte Analogkomparatoren mit separaten externen Pins, die der internen Schaltung ein fertiges Ergebnis für den Vergleich von zwei Werten als 0 oder 1 liefern, was die Ressourcen kleiner Computersysteme schont.
Wenn ein Spannungskomparator verwendet wird
Der Komparator wird in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt. Darauf kann zum Beispiel ein Schwellenwertrelais aufgebaut werden. Es wird ein Sensor benötigt, der eine beliebige Größe in Spannung umwandelt. Ein solcher Wert kann sein:
- Lichtstärke;
- Geräuschpegel;
- Füllstand der Flüssigkeit im Behälter oder Tank;
- jeden anderen Wert.
Mit dem Potentiometer lässt sich der Pegel des Komparators einstellen. Das Ausgangssignal wird über eine Taste an eine Anzeige oder ein Stellglied gegeben.
Wenn die Hysterese vergrößert wird, kann der Komparator als Schmitt-Trigger fungieren. Wenn eine langsam schwankende Spannung an den Eingang angelegt wird, ist der Ausgang Binärsignal mit steilen Kanten.
Zwei Elemente können miteinander verbunden werden, um einen Komparator mit zwei Schwellenwerten oder einen Fensterkomparator zu bilden.
Hier wird die Schwellenspannung für jeden Komparator separat eingestellt - für den oberen Komparator am direkten Eingang und für den unteren Komparator am inversen Eingang. Die freien Eingänge werden kombiniert und die zu messende Spannung wird an sie angelegt. Die Ausgänge sind ODER-verknüpft. Wenn die Spannung den eingestellten oberen oder unteren Grenzwert überschreitet, gibt einer der Komparatoren einen hohen Pegel aus.
Ein Mehrstufenkomparator besteht aus mehreren Elementen, die als linearer Spannungsindikator oder als ein in Spannung umgewandelter Wert verwendet werden können. Für vier Stufen würde die Schaltung wie folgt aussehen:
In dieser Schaltung wird an den Eingang jedes Elements eine andere Referenzspannung angelegt. Die invertierenden Eingänge sind miteinander verbunden und das zu messende Signal wird an sie angelegt. Wenn die Auslöseschwelle erreicht ist, leuchtet die entsprechende LED auf. Sind die emittierenden Elemente in einer Reihe angeordnet, erhält man einen Lichtbalken, dessen Länge je nach Höhe der angelegten Spannung variiert.
Die gleiche Schaltung kann auch als Analog-Digital-Wandler (ADC) verwendet werden. Er wandelt die Eingangsspannung in einen entsprechenden Binärcode um. Je mehr Elemente im ADC enthalten sind, desto höher ist die Auflösung und desto genauer ist die Umwandlung. In der Praxis ist der Strichcode unpraktisch und wird mit Hilfe eines Encoders in einen bekannten Code umgewandelt. Der Encoder kann mit Logikelementen, handelsüblichen Mikroschaltungen oder ROMs mit der entsprechenden Firmware aufgebaut werden.
Der Anwendungsbereich von Komparatoren in professionellen und Amateurschaltungen ist breit gefächert. Die kompetente Anwendung dieser Elemente ermöglicht es, eine breite Palette von Aufgaben zu lösen.
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