Elektrooniliste vooluahelate projekteerimisel on sageli vaja võrrelda kahe pinge taset. Sel eesmärgil kasutatakse sellist seadet võrdlusena. Sõlme nimi taandub ladinakeelsele comparare, õigemini ingliskeelsele võrdlusele.
Sisu
Mis on pinge komparaator
Üldiselt on komparaator seade, millel on kaks sisendit võrreldavate väärtuste (pingete) jaoks ja väljund võrdluse tulemuse jaoks. Võrdlusseadmel on võrreldavate parameetrite söötmiseks kaks sisendit – otsene ja pöördvõrdeline. Väljund seatakse loogiliseks üheks, kui otsesisendi pinge ületab pöördsisendi pinge ja nulliks, kui vastupidi. Kui positiivne erinevus inversioonisisendi ja otsesisendi vahel võrdub ühega ja vastupidises olukorras nulliga, nimetatakse komparaatorit inverteerivaks komparaatoriks.
Võrdleja tööpõhimõte
Komparaatorit on mugav ehitada kasutades operatsioonivõimendi (OP-AMP). Sel eesmärgil kasutatakse otseselt selle omadusi:
- otse- ja inverteeriva sisendi vahelise signaali erinevuse võimendamine;
- lõpmatu (praktikas - alates 10 000 ja rohkem) võimendus.
DT tööd võrdlusena saab vaadelda järgmise vooluringiga:
Oletame, et DT on võimendusega 10000, toitepinge on bipolaarne, + 5 V ja miinus 5 V. Jagaja on inverteerivas sisendis seatud võrdlustasemele täpselt 0 volti ja miinus 5 volti võetakse otsesisendi potentsiomeetri liugurilt. Operatsioonivõimendi peaks vahet võimendama 10000 korda, teoreetiliselt peaks väljundis olema pinge miinus 50000 volti. Aga operatiivvõimendil pole sellist pinget kuskilt võtta, nii et see loob maksimaalse võimaliku - toitepinge, miinus 5 volti.
Kui hakkate otsesisendis pinget tõstma, siis Op-Amp proovib seada sisendite pingeerinevuse korrutatuna 10000-ga. See õnnestub, kui sisendpinge läheneb nullile ja muutub umbes miinus 0,0005 V. Sisendpinge edasisel suurenemisel positiivses sisendis tõuseb väljundpinge nullini või kõrgemale ning +0,0005 volti korral võrdub +5 V ega tõuse edasi - pole kuskil. Seega, kui sisendpinge ületab nulltaseme (täpsemalt miinus 0,0005 volti kuni +0,0005 volti), toimub väljundpinge hüpe miinus 5 voltilt +5 voltile. Teisisõnu, kuni pinge otsesisendis on madalam kui inverteerivas sisendis, seatakse võrdlusseadme väljundis null. Kui kõrgem, on see üks.
Huvipakkuv on taseme erinevuse lõik sisendites miinus 0,0005 volti kuni + 0,0005 volti. Teoreetiliselt tõuseb selle toitepinge sujuvalt negatiivsest positiivseks. Praktikas on see vahemik väga kitsas ja müra, häirete, toitepinge ebastabiilsuse jms tõttu, kui pinged sisendites on ligikaudu võrdsed, toimub komparaatori kaootiline käivitamine mõlemas suunas. Mida madalam on Op-Amp võimendus, seda laiem on see ebastabiilsuse aken.Kui komparaator juhib täiturmehhanismi, paneb see selle taktitundeliselt töötama (relee klõpsatus, klapi paugutamine jne), mis võib põhjustada selle mehaanilist riket või ülekuumenemist.
Selle vältimiseks luuakse katkendjoonega tähistatud takisti sisselülitamisel madal positiivne tagasiside. See tekitab väikese hüstereesi, nihutades lülitusläve, kui pinge tõuseb ja langeb võrdlusaluse suhtes. Näiteks lülitub komparaator üles 0,1 volti ja alla täpselt nulli (olenevalt tagasiside sügavusest). See kõrvaldaks ebastabiilsuse akna. Selle takisti nimiväärtus võib olla mõnesajast kilohimast mõne megaoomini. Mida väiksem on takistus, seda suurem on künniste erinevus.
Saadaval on ka spetsiaalsed võrdluskiibid. Näiteks LM393. Nendel kiipidel on kiire operatiivvõimendi (või mitu) ja neil võib olla sisseehitatud jagur, mis loob võrdluspinge. Teine erinevus nende võrdlusseadmete ja Op-Ampidele ehitatud seadmete vahel on see, et paljud neist nõuavad ühe otsaga toiteallikat. Enamik opaate vajab bipolaarset pinget. Kiibi tüübi valiku määrab seadme disain.
Digitaalsete komparaatorite omadused
Võrdlusi kasutatakse ka digitehnoloogias, kuigi see kõlab esmapilgul paradoksaalselt. Lõppude lõpuks on ainult kaks pingetaset - üks ja null. Pole mõtet neid võrrelda. Kuid võite võrrelda kahte kahendarvu, milleks saate teisendada ka mis tahes analoogväärtusi (sh pinge).
Oletame, et on kaks võrdse pikkusega kahendsõna bittides:
X = X3X2X1X0 ja Y=Y3Y2Y1Y.
Neid loetakse väärtuselt võrdseteks, kui kõik bitid on bitipõhiselt võrdsed:
1101=1101 => X=Y.
Kui vähemalt üks bitt on erinev, on arvud ebavõrdsed. Suurem arv määratakse bittide kaupa võrdlusega, alustades suurimast bitist:
- 1101>101 - siin on X esimene bitt suurem kui Y esimene bitt ja X>Y;
- 1101>101 - esimesed bitid on võrdsed, kuid X-i teine bitt on suurem ja X>Y;
- 111<1110 – Y-l on suurem kolmas bitt ja X alumise biti suurem väärtus ei oma tähtsust, X<>
Sellise võrdluse teostuse saab üles ehitada I-NE, OR-NE baaselementide loogikalülitustele, kuid lihtsam on kasutada valmistooteid. Näiteks 4063 (CMOS), 7485 (TTL), kodumaine K564IP2 ja muud seeria mikroskeemid. Need on 2-8-bitised komparaatorid, millel on vastav arv andmesisendeid ja juhtsisendeid. Digitaalsete komparaatorite väljundid on enamikul juhtudel 3:
- rohkem;
- vähem kui;
- võrdne.
Erinevalt analoogseadmetest ei ole binaarsete komparaatorite sisendite võrdsus ebasoovitav ja nad ei püüa seda vältida.
Sellist seadet saab hõlpsasti ehitada Boole'i algebra funktsioonide abil. Alternatiivina on paljudel mikrokontrolleritel pardasisesed analoogkomparaatorid, millel on eraldi välised kontaktid, mis annavad sisemisele vooluringile valmis tulemuse kahe väärtuse võrdlemisel 0 või 1. See säästab väikeste arvutisüsteemide ressursse.
Kui kasutatakse pingekomparaatorit
Võrdlust kasutatakse paljudes rakendustes. Näiteks saab seda kasutada läverelee ehitamiseks. Selleks on vaja andurit, mis muudab mis tahes väärtuse pingeks. Selline väärtus võib olla:
- valgustuse tase;
- müratase;
- vedeliku tase anumas või paagis;
- mis tahes muud väärtused.
Potentsiomeetriga saab määrata komparaatori reaktsioonitaseme. Väljundsignaal antakse indikaatori või täiturmehhanismi võtme kaudu.
Kui hüsterees on suurenenud, võib komparaator toimida Schmitti päästikuna. Kui sisendile rakendatakse aeglaselt muutuvat pinget, on väljund diskreetne signaal järskude servadega.
Neid kahte elementi saab ühendada kahe lävega komparaatoris või aknakomparaatoris.
Siin seatakse lävipinge iga komparaatori jaoks eraldi - ülemise jaoks otsesisendil, alumise jaoks pöördsisendil. Vabasisendid kombineeritakse ja neile rakendatakse mõõdetud pinge. Väljundid ühendatakse vastavalt "montaaži VÕI" ahelale. Kui pinge ületab seatud ülemise või alumise piiri, annab üks komparaatoritest väljundis kõrge taseme.
Mitmetasandiline komparaator on kokku pandud mitmest elemendist, mida saab kasutada lineaarse pinge indikaatorina või väärtusena, mis teisendatakse pingeks. Nelja taseme korral on vooluahel järgmine:
Selles vooluringis on iga elemendi sisendile rakendatud erinev võrdluspinge. Inverteerivad sisendid ühendatakse omavahel ja nendeni tuleb mõõdetav signaal. Kui käivitustase on saavutatud, süttib vastav LED. Kui kiirgavad elemendid on paigutatud liini, saate valgusriba, mille pikkus varieerub vastavalt rakendatud pinge tasemele.
Sama ahelat saab kasutada analoog-digitaalmuundurina (ADC). See teisendab sisendpinge vastavaks kahendkoodiks. Mida rohkem elemente on ADC-s, seda suurem on numbrimaht, seda täpsem on teisendus. Praktikas on reakoodi kasutamine ebamugav ning see konverteeritakse kodeerija abil tavapäraseks koodiks. Kodeerija saab ehitada loogikaelementidele, kasutada valmis mikrolülitust või kasutada sobiva püsivaraga ROM-i.
Komparaatorite kasutusala professionaalsetes ja amatöörlikes vooluringides on lai. Nende elementide pädev rakendamine võimaldab lahendada väga erinevaid ülesandeid.
Seotud artiklid:
