Elektronikus áramkörök tervezésekor gyakran van szükség két feszültség szintjének összehasonlítására. Ehhez egy olyan eszközt használnak, mint például egy komparátor. Az egység neve a latin comparare, azaz összehasonlítani szóból származik.
Tartalomjegyzék
Mi az a feszültségkomparátor
A komparátor általában egy olyan eszköz, amelynek két bemenete van az összehasonlítandó értékek (feszültségek) számára, és egy kimenete az összehasonlítás eredményének. A komparátornak két bemenete van az összehasonlított értékek bevitelére, egy közvetlen és egy inverz bemenet. A kimenet logikailag egyesre áll, ha a közvetlen bemeneti feszültség meghaladja az inverz feszültséget, és nullára, ha fordítva. A komparátort invertáló komparátornak nevezzük, ha a közvetlen és az inverz bemenet közötti különbség pozitív, és ellenkező esetben nulla.
A komparátor működési elve
A komparátort kényelmesen építhetjük fel a műveleti erősítő (OP-AMP). Erre a célra közvetlenül a tulajdonságait használja:
- A közvetlen és invertáló bemenetek közötti jelkülönbség erősítése;
- végtelen (a gyakorlatban 10,000-től és felette) nyereség.
A DT komparátorként való működése a következő áramkörrel tekinthető:
Tegyük fel, hogy van egy 10000-es erősítésű op-amp, a tápfeszültség bipoláris, + 5 V és mínusz 5 V. Az elválasztó az invertáló bemeneten pontosan 0 voltos referenciaszintre van beállítva, a közvetlen bemenet mínusz 5 voltos feszültséggel kerül a potenciométer csúszkájáról. Az op-ampnak 10 000-szeresére kell erősítenie a különbséget, elméletileg mínusz 50 000 voltos feszültségnek kell megjelennie a kimeneten. Az op-amp azonban sehol sem kaphat ilyen feszültséget, ezért a lehető legnagyobb tápfeszültséget, mínusz 5 voltot állít elő.
Ha elkezdi emelni a feszültséget a közvetlen bemeneten, az Op-Amp megpróbálja beállítani a bemenetek közötti feszültségkülönbséget, megszorozva 10000-rel. Sikeres lesz, amikor a bemeneti feszültség megközelíti a nullát, és körülbelül mínusz 0,0005V lesz. Ahogy a bemeneti feszültség tovább nő a pozitív bemeneten, a kimeneti feszültség nulla vagy annál magasabb értékre emelkedik, és +0,0005 voltnál +5 volt lesz, és nem emelkedik tovább - nincs hova menni. Így amikor a bemeneti feszültség átlépi a nulla szintet (pontosan mínusz 0,0005 volt és +0,0005 volt között), a kimeneti feszültség mínusz 5 voltról +5 voltra ugrik. Más szóval, amíg a közvetlen bemeneten lévő feszültség alacsonyabb, mint az invertáló bemeneten lévő feszültség, addig a komparátor kimenetén nulla áll be. Ha magasabb, akkor egy van beállítva.
Érdekes a bemenetek szintkülönbségének mínusz 0,0005 volt és +0,0005 volt közötti szakasza. Elméletileg ennek áthaladása egyenletes emelkedést eredményez a negatívról a pozitív tápfeszültségre. A gyakorlatban ez a tartomány nagyon szűk, és az interferencia, a zaj, a tápfeszültség instabilitása stb. miatt. Ha a bemeneteken lévő feszültségek megközelítőleg azonosak, akkor a komparátor mindkét irányban véletlenszerű kioldást kap. Minél kisebb az op-amp erősítése, annál szélesebb lesz ez az instabilitási ablak. Ha a komparátor egy működtetőt vezérel, akkor ez azt okozza, hogy az ütemre (relék kattogása, szelepcsapódás stb.) kioldódik, ami mechanikusan törést vagy túlmelegedést okozhat.
Ennek elkerülése érdekében a szaggatott vonallal jelzett ellenállás beépítésével egy sekély pozitív visszacsatolás jön létre. Ez enyhe hiszterézist hoz létre azáltal, hogy a kapcsolási küszöbértékek eltolódnak, amikor a feszültség a referenciához képest felfelé és lefelé megy. Például felfelé a komparátor 0,1 voltnál, lefelé pedig pontosan nullánál kapcsol (a visszacsatolás mélységétől függően). Ez kiküszöböli az instabilitás ablakát. Ennek az ellenállásnak a névleges értéke néhány száz kilohmtól néhány megaohmig terjedhet. Minél kisebb az ellenállás, annál nagyobb a különbség a küszöbértékek között.
Speciális komparátor chipek is kaphatók. Például az LM393. Ezek egy gyors műveleti erősítővel (vagy többel) rendelkeznek, és lehet beépített osztó, amely referenciafeszültséget biztosít. Egy másik különbség ezen komparátorok és az Op-Amp-okon alapuló eszközök között az, hogy sokukhoz egyvégű tápegységre van szükség. A legtöbb op-erősítőnek kétpólusú feszültségre van szüksége. A chip típusának kiválasztását az eszköz kialakítása határozza meg.
A digitális komparátorok jellemzői
A komparátorokat a digitális technológiában is használják, bár ez első pillantásra paradoxnak tűnhet. Végül is csak két feszültségszint van - egy és nulla. Összehasonlításuknak nincs értelme. De lehetséges két bináris szám összehasonlítása, amelybe bármilyen analóg érték (beleértve a feszültséget is) átkonvertálható.
Tegyük fel, hogy van két bitben egyenlő hosszúságú bináris szó:
X=X3X2X1X0 és Y=Y3Y2Y1Y.
Akkor tekinthetők egyenlő értékűnek, ha minden bit bitje bitenként egyenlő:
1101=1101 => X=Y.
Ha legalább egy bit eltér, akkor a számok nem egyenlők. A magasabb számot bitről bitre történő összehasonlítással határozzuk meg, a legmagasabb bitből kiindulva:
- 1101>101 - itt X első bitje nagyobb, mint Y első bitje, és X>Y;
- 1101>101 - az első bitek egyenlők, de X második bitje nagyobb, és X>Y;
- 111<1110 - Y-nak a harmadik bitje több, és X alsó bitjének értéke nem számít, X
Ennek az összehasonlításnak a megvalósítása építhető I-NE, VAGY-NE alapelemes logikai áramkörökre, de egyszerűbb a készletről beszerezhető termékeket használni. Például 4063 (CMOS), 7485 (TTL), hazai K564IP2 és más mikroáramkörök. Ezek 2-8 számjegyű komparátorok, megfelelő számú adatbemenettel és vezérlőbemenettel. A digitális komparátorok kimenetei a legtöbb esetben 3:
- több;
- kevesebb, mint;
- egyenlő.
Az analóg eszközökkel ellentétben a bináris komparátoroknál a bemeneteknél az egyenlőség nem nemkívánatos helyzet, és nem is kerülhető el.
Egy ilyen eszköz könnyen programozható Boole algebrai függvények segítségével. Alternatívaként sok mikrokontroller rendelkezik beépített analóg komparátorral, külön külső csatlakozóval, amely a belső áramkör számára kész eredményt ad két érték 0 vagy 1 értékként való összehasonlításából. Ez a kis számítógépes rendszerek erőforrásait takarítja meg.
Ahol feszültségkomparátort használnak
A komparátort számos alkalmazásban használják. Például egy küszöbérték-relé építhető rá. Olyan érzékelőre lenne szükség, amely bármilyen mennyiséget feszültséggé alakít. Ilyen érték lehet:
- fényszint;
- zajszint;
- az edényben vagy tartályban lévő folyadék szintje;
- bármilyen más érték.
A potenciométerrel beállítható a komparátor szintje. A kimeneti jelet egy billentyűn keresztül egy kijelző vagy működtető kapja.
Ha a hiszterézist megnöveljük, a komparátor Schmitt-triggerként működhet. Ha a bemenetre lassan változó feszültséget kapcsolunk, a kimenet bináris jel meredek élekkel.
Két elem összekapcsolható, így kettős küszöbértékű komparátor vagy ablakkomparátor jön létre.
Itt a küszöbfeszültséget minden komparátorhoz külön-külön kell beállítani - a felső komparátor a közvetlen bemeneten, az alsó komparátor pedig az inverz bemeneten. A szabad bemeneteket összekapcsoljuk, és a mérendő feszültséget rájuk kapcsoljuk. A kimenetek VAGY kapcsolással vannak összekötve. Amikor a feszültség meghaladja a beállított felső vagy alsó határt, az egyik komparátor magas szintet ad ki.
A többszintű komparátor több elemből áll össze, amely lineáris feszültségjelzőként, vagy feszültséggé alakított értékként használható. Négy szint esetén az áramkör a következő lenne:
Ebben az áramkörben minden egyes elem bemenetére más referenciafeszültséget alkalmaznak. Az invertáló bemeneteket összekötik, és a mérendő jelet rájuk vezetik. A kioldási szint elérésekor a megfelelő LED világít. Ha a kibocsátó elemek sorban vannak elrendezve, akkor egy fénysávot kapunk, amelynek hossza az alkalmazott feszültség szintjétől függően változik.
Ugyanez az áramkör analóg-digitális átalakítóként (ADC) is használható. A bemeneti feszültséget megfelelő bináris kóddá alakítja. Minél több elemet tartalmaz az ADC, annál nagyobb a felbontás, annál pontosabb az átalakítás. A gyakorlatban a vonalkódot kényelmetlen használni, és azt egy kódoló segítségével alakítják át ismerős kóddá. A kódoló logikai elemek, kész mikroáramkörök vagy a megfelelő firmware-rel ellátott ROM-ok segítségével építhető meg.
A komparátorok alkalmazási területe a professzionális és amatőr áramkörökben széleskörű. Ezen elemek hozzáértő alkalmazása lehetővé teszi a feladatok széles körének megoldását.
Kapcsolódó cikkek:
