Elektronisia piirejä suunniteltaessa on usein tarpeen verrata kahden jännitteen tasoa. Tätä varten käytetään komparaattorin kaltaista laitetta. Yksikön nimi tulee latinan comparare-sanasta eli vertailemisesta.
Sisältö
Mikä on jännitekomparaattori
Komparaattori on yleensä laite, jossa on kaksi sisääntuloa vertailtaville arvoille (jännitteille) ja ulostulo vertailun tulokselle. Komparaattorissa on kaksi tuloa vertailtaville arvoille, suora ja käänteinen tulo. Lähtö asetetaan loogiseksi ykköseksi, jos suora tulojännite ylittää käänteisjännitteen, ja nollaksi, jos päinvastoin. Komparaattoria kutsutaan invertoivaksi komparaattoriksi, jos suoran ja käänteisen tulon välinen ero on positiivinen ja nolla päinvastaisessa tilanteessa.
Vertailulaitteen toimintaperiaate
Komparaattori on kätevä rakentaa käyttämällä operaatiovahvistin (OP-AMP). Tähän tarkoitukseen se käyttää suoraan ominaisuuksiaan:
- Suoran ja invertoivan tulon välisen signaalieron vahvistaminen;
- ääretön (käytännössä 10 000:sta ylöspäin) vahvistus.
DT:n toimintaa komparaattorina voidaan tarkastella seuraavan piirin avulla:
Oletetaan, että on olemassa DT, jonka vahvistus on 10000, syöttöjännite on kaksinapainen, + 5 V ja miinus 5 V. Jakaja asetetaan invertoivaan tuloon tarkalleen 0 voltin referenssitasolle, suora tulo otetaan miinus 5 voltin potentiometrin liukusäätimestä. Op-vahvistimen pitäisi vahvistaa ero 10 000-kertaiseksi, joten teoreettisesti ulostulossa pitäisi näkyä miinus 50 000 voltin jännite. Op-amp ei kuitenkaan saa tällaista jännitettä mistään, joten se luo suurimman mahdollisen syöttöjännitteen, miinus 5 volttia.
Jos alat nostaa jännitettä suorassa tulossa, Op-Amp yrittää asettaa jännite-eron tulojen välille kerrottuna 10000:lla. Se onnistuu, kun tulojännite lähestyy nollaa ja on noin miinus 0,0005 V. Kun tulojännite kasvaa edelleen positiivisella tulolla, lähtöjännite nousee nollaan tai korkeammaksi, ja +0,0005 voltin kohdalla siitä tulee +5 volttia, eikä nousu ole enää mahdollista. Kun tulojännite ylittää nollatason (tarkalleen ottaen miinus 0,0005 voltista +0,0005 volttiin), lähtöjännite hyppää miinus 5 voltista +5 volttiin. Toisin sanoen niin kauan kuin jännite suorassa tulossa on pienempi kuin invertoivassa tulossa, komparaattorin lähtöön asetetaan nolla. Jos se on suurempi, asetetaan yksi.
Kiinnostava on tulojen tasoeron osa miinus 0,0005 voltista +0,0005 volttiin. Teoriassa tämän ohittaminen johtaa tasaiseen nousuun negatiivisesta positiiviseen syöttöjännitteeseen. Käytännössä tämä vaihteluväli on hyvin kapea ja johtuu häiriöistä, kohinasta, syöttöjännitteen epävakaudesta jne. Jos jännitteet tuloissa ovat suunnilleen yhtä suuret, komparaattori laukeaa satunnaisesti molempiin suuntiin. Mitä pienempi operaatiovahvistimen vahvistus on, sitä laajempi tämä epävakauden ikkuna on. Jos komparaattori ohjaa toimilaitetta, tämä aiheuttaa sen laukeamisen tahdissa (releen naksahdus, venttiilin paiskautuminen jne.), mikä voi aiheuttaa sen mekaanisen rikkoutumisen tai ylikuumenemisen.
Tämän välttämiseksi luodaan matala positiivinen takaisinkytkentä lisäämällä katkoviivalla merkitty vastus. Tämä luo lievän hystereesin siirtämällä kytkentäkynnyksiä, kun jännite nousee ja laskee suhteessa referenssiin. Esimerkiksi komparaattori kytkeytyy ylöspäin 0,1 voltin jännitteellä ja alaspäin tasan nollassa (riippuen takaisinkytkennän syvyydestä). Tämä poistaa epävakauden ikkunan. Tämän vastuksen nimellisarvo voi olla muutamasta sadasta kilohmista muutamaan megaohmiin. Mitä pienempi vastus on, sitä suurempi on kynnysarvojen välinen ero.
Saatavilla on myös erikoistuneita komparaattorisiruja. Esimerkiksi LM393. Näissä on nopea operaatiovahvistin (tai useampi), ja niissä voi olla sisäänrakennettu jakaja, joka antaa viitejännitteen. Toinen ero näiden komparaattoreiden ja op-ampeihin perustuvien laitteiden välillä on se, että monet niistä vaativat yksipuolisen virtalähteen. Useimmat op-vahvistimet tarvitsevat kaksinapaisen jännitteen. Sirutyypin valinta määräytyy laitteen suunnittelun mukaan.
Digitaalisten komparaattoreiden ominaisuudet
Komparaattoreita käytetään myös digitaalisessa tekniikassa, vaikka tämä saattaa ensi näkemältä kuulostaa paradoksaaliselta. Onhan jännitetasoja vain kaksi - yksi ja nolla. Niiden vertailussa ei ole mitään järkeä. On kuitenkin mahdollista verrata kahta binäärilukua, joihin voidaan muuntaa myös kaikki analogiset arvot (myös jännite).
Oletetaan, että on olemassa kaksi binääristä sanaa, joiden pituus on sama bitteinä:
X=X3X2X1X0 ja Y=Y3Y2Y1Y.
Niiden katsotaan olevan samanarvoisia, jos kaikki bitit ovat biteittäin yhtä suuria:
1101=1101 => X=Y.
Jos vähintään yksi bitti on erilainen, luvut eivät ole yhtä suuria. Suurempi luku määritetään vertailemalla bittikohtaisesti suurimmasta bitistä alkaen:
- 1101>101 - tässä tapauksessa X:n ensimmäinen bitti on suurempi kuin Y:n ensimmäinen bitti ja X>Y;
- 1101>101 - ensimmäiset bitit ovat yhtä suuret, mutta X:n toinen bitti on suurempi ja X>Y;
- 111<1110 - Y:llä on kolmas bitti enemmän ja X:n alemman bitin arvolla ei ole merkitystä, X
Tämän vertailun toteutus voidaan rakentaa I-NE-, OR-NE-peruselementtilogiikkapiireillä, mutta on helpompi käyttää valmiita tuotteita. Esimerkiksi 4063 (CMOS), 7485 (TTL), kotimainen K564IP2 ja muut mikropiirisarjat. Ne ovat 2-8-numeroisia komparaattoreita, joissa on vastaava määrä datatuloja ja ohjaustuloja. Digitaalisten komparaattoreiden lähdöt ovat useimmissa tapauksissa 3:
- enemmän;
- vähemmän kuin;
- yhtä paljon.
Toisin kuin analogisissa laitteissa, binäärikomparaattoreissa tulojen yhtäläisyys ei ole epätoivottu tilanne, eikä sitä vältetä.
Tällainen laite voidaan helposti rakentaa ohjelmallisesti käyttämällä Boolen algebran funktioita. Vaihtoehtoisesti monissa mikrokontrollereissa on sisäänrakennettuja analogisia komparaattoreita, joissa on erilliset ulkoiset nastat, jotka antavat sisäiselle piirille valmiin tuloksen kahden arvon vertailusta 0:ksi tai 1:ksi. Tämä säästää pienten tietokonejärjestelmien resursseja.
Kun käytetään jännitekomparaattoria
Komparaattoria käytetään monenlaisissa sovelluksissa. Siihen voidaan rakentaa esimerkiksi kynnysrele. Tarvittaisiin anturi, joka muuntaa minkä tahansa suureen jännitteeksi. Tällainen arvo voi olla:
- valotaso;
- melutaso;
- astian tai säiliön nestetaso;
- mikä tahansa muu arvo.
Potentiometrillä voidaan asettaa komparaattorin taso. Lähtösignaali annetaan ilmaisimelle tai toimilaitteelle näppäimen kautta.
Jos hystereesiä kasvatetaan, komparaattori voi toimia Schmittin liipaisimena. Kun tuloon kytketään hitaasti vaihteleva jännite, lähtöarvo on binäärisignaali jossa on jyrkät reunat.
Kaksi elementtiä voidaan yhdistää muodostamaan kaksoiskynnyskomparaattori tai ikkunakomparaattori.
Tässä tapauksessa kynnysjännite asetetaan erikseen kullekin komparaattorille - ylempi komparaattori suoraan tuloon ja alempi komparaattori käänteiseen tuloon. Vapaat tulot yhdistetään ja niihin syötetään mitattava jännite. Lähdöt on kytketty TAI-kytkentään. Kun jännite ylittää asetetun ylä- tai alarajan, yksi komparaattoreista antaa korkean tason.
Monitasoinen komparaattori kootaan useista elementeistä, joita voidaan käyttää lineaarisena jänniteindikaattorina tai jännitteeksi muunnettuna arvona. Neljää tasoa varten piiri olisi seuraava:
Tässä piirissä kunkin elementin tuloon syötetään eri viitejännite. Invertoivat tulot kytketään yhteen ja niihin syötetään mitattava signaali. Kun laukaisutaso on saavutettu, vastaava LED syttyy. Jos säteilevät elementit on sijoitettu riviin, saadaan valopalkki, jonka pituus vaihtelee syötetyn jännitteen mukaan.
Samaa piiriä voidaan käyttää myös analogia-digitaalimuuntimena (ADC). Se muuntaa syöttöjännitteen sopivaksi binäärikoodiksi. Mitä enemmän elementtejä ADC:ssä on, sitä korkeampi resoluutio, sitä tarkempi muunnos. Käytännössä viivakoodia on hankala käyttää, ja se muunnetaan tuttuun koodiin koodaimen avulla. Enkooderi voidaan rakentaa käyttämällä logiikkaelementtejä, valmiita mikropiirejä tai ROM-muisteja, joissa on asianmukainen laiteohjelma.
Komparaattoreiden käyttöalue ammattilais- ja harrastelijapiireissä on laaja. Näiden elementtien osaava soveltaminen mahdollistaa monenlaisten tehtävien ratkaisemisen.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
