Bij het ontwerpen van elektronische schakelingen is het vaak nodig het niveau van twee spanningen te vergelijken. Om dit te doen wordt een apparaat zoals een comparator gebruikt. De naam van de eenheid komt van het Latijnse comparare, oftewel vergelijken.
Inhoud
Wat is een spanningsvergelijker
Een comparator is in het algemeen een apparaat met twee ingangen voor de waarden (spanningen) die worden vergeleken en een uitgang voor het resultaat van de vergelijking. De comparator heeft twee ingangen voor de invoer van de vergeleken waarden, een directe en een inverse ingang. De uitgang wordt op logisch één gezet als de directe ingangsspanning hoger is dan de inverse spanning en op nul als het omgekeerde het geval is. Een comparator wordt een inverterende comparator genoemd als het verschil tussen de directe en de inverse ingang positief is en nul in de omgekeerde situatie.
Werkingsprincipe van de vergelijker
Het is handig om een comparator te bouwen met operationele versterker (OP-AMP). Daartoe maakt zij rechtstreeks gebruik van haar eigenschappen:
- De versterking van het signaalverschil tussen de directe en de inverterende ingang;
- oneindige (in de praktijk, vanaf 10.000 en hoger) winst.
De werking van de DT als comparator kan worden beschouwd met de volgende schakeling:
Stel er is een DT met een versterking van 10000, de voedingsspanning is bipolair, + 5 V en min 5 V. De verdeler is ingesteld op een referentieniveau van precies 0 volt op de inverterende ingang, wordt de directe ingang genomen op min 5 volt van de potentiometer-schuifregelaar. De op-amp moet het verschil 10.000 maal versterken, theoretisch zou aan de uitgang een spanning van min 50.000 volt moeten verschijnen. Maar de op-amp kan nergens zo'n spanning krijgen, dus creëert hij de maximaal mogelijke voedingsspanning, min 5 volt.
Als je de spanning op de directe ingang begint te verhogen, zal de Op-Amp proberen het spanningsverschil tussen de ingangen, vermenigvuldigd met 10000, in te stellen. Hij zal slagen wanneer de ingangsspanning nul nadert en ongeveer min 0,0005V wordt. Naarmate de ingangsspanning aan de positieve ingang verder toeneemt, zal de uitgangsspanning stijgen tot nul of hoger, en bij +0,0005 volt zal de uitgangsspanning +5 volt worden en is geen verdere stijging meer mogelijk. Wanneer de ingangsspanning dus het nulniveau passeert (min 0,0005 volt tot +0,0005 volt om precies te zijn), zal er een sprong in de uitgangsspanning zijn van min 5 volt tot +5 volt. Met andere woorden, zolang de spanning op de directe ingang lager is dan die op de inverterende ingang, wordt nul gezet op de comparatoruitgang. Indien hoger, wordt er een ingesteld.
Van belang is het gedeelte van het niveauverschil aan de ingangen van min 0,0005 volt tot +0,0005 volt. In theorie zal het passeren hiervan resulteren in een soepele stijging van de negatieve naar de positieve voedingsspanning. In de praktijk is dit bereik zeer smal en te wijten aan interferentie, ruis, instabiliteit van de voedingsspanning, enz. Als de spanningen op de ingangen ongeveer gelijk zijn, zal de comparator in beide richtingen willekeurig worden geactiveerd. Hoe lager de versterking van de op-amp, hoe breder dit venster van instabiliteit zal zijn. Als de vergelijker een actuator aanstuurt, zal deze op de beat trippen (relais klikken, klep dichtslaan, enz.), waardoor deze mechanisch kan breken of oververhit kan raken.
Om dit te vermijden, wordt een ondiepe positieve terugkoppeling gecreëerd door de weerstand in te bouwen die wordt aangegeven door de stippellijn. Hierdoor ontstaat een lichte hysterese doordat de schakeldrempels verschuiven wanneer de spanning stijgt en daalt ten opzichte van de referentie. Bijvoorbeeld, omhoog zal de comparator schakelen bij 0,1 volt en omlaag bij precies nul (afhankelijk van de diepte van de terugkoppeling). Dit zal het venster van instabiliteit elimineren. De waarde van deze weerstand kan variëren van een paar honderd kilohm tot een paar megaohm. Hoe lager de weerstand, hoe groter het verschil tussen de drempels.
Gespecialiseerde comparatorchips zijn ook verkrijgbaar. De LM393 bijvoorbeeld. Deze hebben een snelle operationele versterker (of meer) en kunnen een ingebouwde deler hebben die een referentiespanning levert. Een ander verschil tussen deze comparatoren en apparaten op basis van Op-Amps is dat veel van hen een single-ended voeding nodig hebben. De meeste op-amps hebben een bi-polaire spanning nodig. De keuze van het chiptype wordt bepaald door het ontwerp van het toestel.
Kenmerken van digitale comparatoren
Vergelijkers worden ook gebruikt in de digitale technologie, hoewel dit op het eerste gezicht paradoxaal kan klinken. Er zijn tenslotte maar twee spanningsniveaus - één en nul. Ze met elkaar vergelijken heeft geen zin. Maar het is mogelijk om twee binaire getallen te vergelijken waarin ook alle analoge waarden (inclusief spanning) kunnen worden omgezet.
Veronderstel dat er twee binaire woorden zijn van gelijke lengte in bits:
X=X3X2X1X0 en Y=Y3Y2Y1Y.
Ze worden als gelijk in waarde beschouwd als alle bits bitgewijs gelijk zijn:
1101=1101 => X=Y.
Als ten minste één bit verschillend is, zijn de getallen niet gelijk. Het hogere getal wordt bepaald door een bit-per-bit vergelijking, te beginnen met het hoogste bit:
- 1101>101 - hier is het eerste bit van X groter dan het eerste bit van Y, en X>Y;
- 1101>101 - de eerste bits zijn gelijk, maar de tweede bit van X is groter en X>Y;
- 111<1110 - Y heeft het derde bit meer en de waarde van het onderste bit van X is irrelevant, X
De uitvoering van deze vergelijking kan worden gebouwd op logische circuits met I-NE, OR-NE basiselementen, maar het is gemakkelijker gebruik te maken van kant-en-klare producten. Bijvoorbeeld, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), huishoudelijke K564IP2 en andere reeksen microschakelingen. Het zijn comparators van 2 tot 8 cijfers met een overeenkomstig aantal data-ingangen en controle-ingangen. De uitgangen van digitale comparatoren zijn in de meeste gevallen 3:
- meer;
- minder dan;
- gelijk.
In tegenstelling tot analoge apparaten is bij binaire comparatoren gelijkheid aan de ingangen geen ongewenste situatie en wordt deze niet vermeden.
Een dergelijk apparaat kan gemakkelijk worden gebouwd met behulp van Booleaanse algebrafuncties. Als alternatief hebben veel microcontrollers ingebouwde analoge comparatoren, met afzonderlijke externe pinnen, die de interne schakeling een kant-en-klaar resultaat geven voor het vergelijken van twee waarden als 0 of 1. Dit bespaart middelen van kleine computersystemen.
Wanneer een spanningsvergelijker wordt gebruikt
De comparator wordt gebruikt in een breed scala van toepassingen. Er kan bijvoorbeeld een drempelrelais op worden gebouwd. Er zou een sensor nodig zijn die elke hoeveelheid in spanning omzet. Zo'n waarde kan zijn:
- lichtniveau;
- geluidsniveau;
- niveau van de vloeistof in het vat of de tank;
- elke andere waarde.
De potentiometer kan worden gebruikt om het niveau van de comparator in te stellen. Het uitgangssignaal wordt via een sleutel aan een indicator of actuator gegeven.
Als de hysterese wordt verhoogd, kan de comparator werken als een Schmitt-trigger. Wanneer een langzaam variërende spanning op de ingang wordt gezet, is de uitgang binair signaal met steile randen.
Twee elementen kunnen worden verbonden om een dubbele drempel comparator, of venster comparator, te vormen.
Hier wordt de drempelspanning voor elke comparator afzonderlijk ingesteld - de bovenste comparator op de directe ingang en de onderste comparator op de inverse ingang. De vrije ingangen worden gecombineerd en de te meten spanning wordt erop gezet. De uitgangen zijn OF-geschakeld. Wanneer de spanning de ingestelde boven- of ondergrens overschrijdt, geeft een van de comparatoren een hoog niveau af.
Een multi-level comparator wordt samengesteld uit verschillende elementen, die kunnen worden gebruikt als een lineaire spanningsindicator, of een waarde die in spanning wordt omgezet. Voor vier niveaus zou de schakeling er als volgt uitzien:
In deze schakeling wordt op de ingang van elk element een andere referentiespanning gezet. De inverterende ingangen worden met elkaar verbonden en het te meten signaal wordt erop gezet. Wanneer het activeringsniveau is bereikt, gaat de bijbehorende LED branden. Indien de emitterende elementen in een lijn worden geplaatst, wordt een lichtstaaf verkregen waarvan de lengte varieert naargelang van het niveau van de aangelegde spanning.
Dezelfde schakeling kan ook worden gebruikt als analoog naar digitaal omzetter (ADC). Hij zet de ingangsspanning om in een geschikte binaire code. Hoe meer elementen in de ADC, hoe hoger de resolutie, hoe nauwkeuriger de conversie. In de praktijk is de lijncode onhandig in het gebruik, en wordt zij omgezet in een vertrouwde code door middel van een encoder. De encoder kan worden opgebouwd uit logische elementen, kant-en-klare microschakelingen of ROM's met de passende firmware.
Het toepassingsgebied van comparatoren in professionele en amateurschakelingen is breed. Een competente toepassing van deze elementen maakt het mogelijk een breed scala van taken op te lossen.
Verwante artikelen:
