Podczas projektowania układów elektronicznych często zachodzi potrzeba porównania poziomu dwóch napięć. W tym celu stosuje się urządzenie takie jak komparator. Nazwa jednostki pochodzi od łacińskiego comparare, czyli porównywać.
Spis treści
Co to jest komparator napięcia?
Komparator to urządzenie z dwoma wejściami dla porównywanych wartości (napięć) i wyjściem dla wyniku porównania. Komparator ma dwa wejścia do podawania porównywanych wartości: wejście bezpośrednie i wejście odwrotne. Wyjście jest ustawiane na logiczną jedynkę, jeśli napięcie wejścia bezpośredniego jest większe od napięcia odwrotnego, a zero - jeśli jest odwrotnie. Komparator nazywamy komparatorem inwersyjnym, jeśli różnica między wejściami bezpośrednim i odwrotnym jest dodatnia, a w sytuacji odwrotnej wynosi zero.
Zasada działania komparatora
Wygodnie jest zbudować komparator wykorzystujący wzmacniacz operacyjny (OP-AMP). W tym celu bezpośrednio wykorzystuje swoje właściwości:
- Wzmocnienie różnicy sygnałów między wejściem bezpośrednim a wejściem odwracającym;
- nieskończone (w praktyce od 10 000 i więcej) wzmocnienie.
Działanie DT jako komparatora można rozważyć za pomocą następującego układu:
Załóżmy, że istnieje op-amp o wzmocnieniu 10000, którego napięcie zasilania jest dwubiegunowe, + 5 V i minus 5 V. Rozdzielacz jest ustawiony na poziom odniesienia równy dokładnie 0 V na wejściu odwracającym, a wejście bezpośrednie jest pobierane przy napięciu minus 5 V z suwaka potencjometru. Op-amp powinien wzmocnić różnicę 10 000 razy, teoretycznie na wyjściu powinno pojawić się napięcie o wartości minus 50 000 woltów. Jednak op-amp nie ma gdzie uzyskać takiego napięcia, więc wytwarza maksymalne możliwe napięcie zasilania, minus 5 V.
Jeśli zaczniesz podnosić napięcie na wejściu bezpośrednim, Op-Amp będzie próbował ustawić różnicę napięcia między wejściami, pomnożoną przez 10000. Uda się, gdy napięcie wejściowe zbliży się do zera i wyniesie około minus 0,0005 V. W miarę dalszego wzrostu napięcia wejściowego na wejściu dodatnim napięcie wyjściowe będzie rosło do zera lub wyżej, a przy napięciu +0,0005 V stanie się równe +5 V i dalszy wzrost nie będzie możliwy. Tak więc, gdy napięcie wejściowe przekroczy poziom zerowy (dokładnie od minus 0,0005 V do +0,0005 V), nastąpi skok napięcia wyjściowego z minus 5 V do +5 V. Innymi słowy, dopóki napięcie na wejściu stałym jest niższe niż na wejściu odwracającym, na wyjściu komparatora ustawiane jest zero. Jeśli jest wyższa, ustawiana jest jedynka.
Interesujący jest odcinek różnicy poziomów na wejściach od minus 0,0005 V do +0,0005 V. Teoretycznie przejście przez ten układ spowoduje płynny wzrost napięcia zasilania z ujemnego do dodatniego. W praktyce zakres ten jest bardzo wąski i wynika z zakłóceń, szumów, niestabilności napięcia zasilania itp. Jeśli napięcia na wejściach są w przybliżeniu równe, komparator będzie wyzwalany losowo w obu kierunkach. Im mniejsze wzmocnienie opampa, tym szersze będzie okno niestabilności. Jeśli komparator steruje siłownikiem, spowoduje to jego zadziałanie w wyniku pobudzenia (kliknięcie przekaźnika, trzaśnięcie zaworu itp.), co może spowodować jego mechaniczne uszkodzenie lub przegrzanie.
Aby tego uniknąć, tworzy się płytkie dodatnie sprzężenie zwrotne przez włączenie rezystora oznaczonego linią przerywaną. Powoduje to niewielką histerezę poprzez przesunięcie progów przełączania przy wzroście i spadku napięcia w stosunku do wartości odniesienia. Na przykład w górę komparator będzie przełączał przy napięciu 0,1 V, a w dół przy dokładnie zerze (w zależności od głębokości sprzężenia zwrotnego). W ten sposób wyeliminowane zostanie okno niestabilności. Wartość znamionowa tego rezystora może wynosić od kilkuset kiloomów do kilku megaomów. Im mniejszy opór, tym większa różnica między progami.
Dostępne są również specjalistyczne układy komparatora. Na przykład LM393. Mają one szybki wzmacniacz operacyjny (lub więcej) i mogą mieć wbudowany dzielnik zapewniający napięcie odniesienia. Kolejna różnica między komparatorami a urządzeniami opartymi na wzmacniaczach operacyjnych polega na tym, że wiele z nich wymaga zasilania typu single-ended. Większość op-ampów wymaga napięcia bi-polarnego. Wybór typu układu scalonego jest uzależniony od konstrukcji urządzenia.
Właściwości komparatorów cyfrowych
Komparatory są również stosowane w technice cyfrowej, choć na pierwszy rzut oka może się to wydawać paradoksalne. Istnieją przecież tylko dwa poziomy napięcia - jeden i zero. Porównywanie ich nie ma sensu. Możliwe jest jednak porównywanie dwóch liczb binarnych, na które można również przekształcić dowolne wartości analogowe (w tym napięcie).
Załóżmy, że istnieją dwa słowa binarne o równej długości w bitach:
X=X3X2X1X0 oraz Y=Y3Y2Y1Y.
Są one uważane za równe pod względem wartości, jeśli wszystkie bity są równe bitowo:
1101=1101 => X=Y.
Jeśli co najmniej jeden bit jest różny, liczby nie są równe. Wyższa liczba jest określana przez porównanie bitów, zaczynając od najwyższego bitu:
- 1101>101 - tutaj pierwszy bit X jest większy od pierwszego bitu Y, a X>Y;
- 1101>101 - pierwsze bity są równe, ale drugi bit X jest większy i X>Y;
- 111<1110 - Y ma trzeci bit więcej i wartość dolnego bitu X jest nieistotna, X
Implementacja tego porównania może być zbudowana na układach logicznych z elementami podstawowymi I-NE, OR-NE, ale łatwiej jest użyć produktów dostępnych na rynku. Na przykład 4063 (CMOS), 7485 (TTL), krajowy K564IP2 i inne serie mikroukładów. Są to komparatory o liczbie cyfr od 2 do 8, z odpowiednią liczbą wejść danych i wejść sterujących. Wyjścia komparatorów cyfrowych są w większości przypadków 3:
- więcej;
- mniej niż;
- równe.
W przeciwieństwie do urządzeń analogowych, w komparatorach binarnych równość na wejściach nie jest sytuacją niepożądaną i nie unika się jej.
Takie urządzenie można łatwo zbudować programowo, wykorzystując funkcje algebry Boole'a. Alternatywnie, wiele mikrokontrolerów ma wbudowane komparatory analogowe, z oddzielnymi pinami zewnętrznymi, które podają do wewnętrznego układu gotowy wynik porównania dwóch wartości jako 0 lub 1. Pozwala to zaoszczędzić zasoby małych systemów komputerowych.
W przypadku zastosowania komparatora napięcia
Komparator jest używany w wielu różnych zastosowaniach. Można na nim zbudować np. przekaźnik progowy. Potrzebny jest czujnik, który przetwarza dowolną wielkość na napięcie. Taką wartością może być:
- poziom oświetlenia;
- poziom hałasu;
- poziom cieczy w naczyniu lub zbiorniku;
- dowolną inną wartość.
Potencjometru można użyć do ustawienia poziomu komparatora. Sygnał wyjściowy jest przekazywany do wskaźnika lub elementu wykonawczego za pomocą klucza.
Jeśli histereza zostanie zwiększona, komparator może działać jako wyzwalacz Schmitta. Gdy na wejście podawane jest powoli zmieniające się napięcie, wyjście jest sygnał binarny o stromych krawędziach.
Dwa elementy można połączyć, tworząc komparator dwuprogowy lub komparator okienkowy.
W tym przypadku napięcie progowe jest ustawiane osobno dla każdego komparatora - górny komparator na wejściu bezpośrednim, a dolny komparator na wejściu odwrotnym. Wolne wejścia są łączone i przykładane jest do nich napięcie, które ma być mierzone. Wyjścia są połączone spójnikiem OR. Gdy napięcie przekroczy ustawioną górną lub dolną granicę, jeden z komparatorów wysyła sygnał o poziomie wysokim.
Komparator wielopoziomowy jest zbudowany z kilku elementów, które mogą być wykorzystywane jako liniowy wskaźnik napięcia lub wartość, która jest przekształcana na napięcie. W przypadku czterech poziomów układ byłby następujący:
W tym układzie do wejścia każdego elementu przykładane jest inne napięcie odniesienia. Wejścia odwracające są połączone razem i podawany jest na nie sygnał, który ma być mierzony. Gdy poziom wyzwalania zostanie osiągnięty, zapala się odpowiednia dioda LED. Jeżeli elementy emitujące są ułożone w linii, uzyskuje się listwę świetlną, której długość zmienia się w zależności od poziomu przyłożonego napięcia.
Ten sam układ może być również użyty jako przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Przetwarza on napięcie wejściowe na odpowiedni kod binarny. Im więcej elementów wchodzi w skład przetwornika ADC, tym większa jest jego rozdzielczość i tym dokładniejsza konwersja. W praktyce kod liniowy jest niewygodny w użyciu i jest przekształcany na znany kod za pomocą kodera. Enkoder można zbudować z elementów logicznych, gotowych mikroukładów lub pamięci ROM z odpowiednim oprogramowaniem układowym.
Zakres zastosowań komparatorów w układach profesjonalnych i amatorskich jest szeroki. Umiejętne zastosowanie tych elementów pozwala na rozwiązywanie szerokiego zakresu zadań.
Powiązane artykuły:
