Čo je to komparátor napätia a na čo slúži

Pri návrhu elektronických obvodov je často potrebné porovnať úroveň dvoch napätí. Na tento účel sa používa zariadenie, ako je komparátor. Názov jednotky pochádza z latinského comparare, teda porovnávať.

Čo je komparátor napätia

Komparátor je vo všeobecnosti zariadenie s dvoma vstupmi pre porovnávané hodnoty (napätia) a výstupom pre výsledok porovnania. Komparátor má dva vstupy na privádzanie porovnávaných hodnôt, priamy a inverzný vstup. Výstup je nastavený na logickú jednotku, ak priame vstupné napätie prevyšuje inverzné napätie, a na nulu, ak je to naopak. Komparátor sa nazýva invertujúci komparátor, ak je rozdiel medzi priamym a inverzným vstupom kladný a v opačnej situácii nulový.

Princíp fungovania komparátora

Komparátor je vhodné zostaviť pomocou operačný zosilňovač (OP-AMP). Na tento účel priamo využíva svoje vlastnosti:

• Zosilnenie rozdielu signálu medzi priamym a invertujúcim vstupom;
• nekonečný (v praxi od 10 000 a viac) zisk.

Fungovanie DT ako komparátora možno zvážiť pomocou nasledujúceho zapojenia:

Predpokladajme, že existuje op-amp so zosilnením 10000, napájacie napätie je bipolárne, + 5 V a mínus 5 V. Rozdeľovač je na invertujúcom vstupe nastavená referenčná úroveň presne 0 voltov, na priamom vstupe je z posuvníka potenciometra odobratých mínus 5 voltov. Op-amp by mal rozdiel zosilniť 10 000-krát, teoreticky by sa na výstupe malo objaviť napätie mínus 50 000 voltov. Optický zosilňovač však nemá kde získať takéto napätie, preto vytvorí maximálne možné napájacie napätie mínus 5 V.

Ak začnete zvyšovať napätie na priamom vstupe, Op-Amp sa pokúsi nastaviť rozdiel napätí medzi vstupmi vynásobený 10000. To sa podarí, keď sa vstupné napätie priblíži k nule a dosiahne hodnotu okolo mínus 0,0005 V. Pri ďalšom zvyšovaní vstupného napätia na kladnom vstupe sa výstupné napätie zvýši na nulu alebo vyššie a pri +0,0005 voltov sa stane +5 voltov a ďalší nárast nie je možný. Keď teda vstupné napätie prekročí nulovú úroveň (presne od mínus 0,0005 voltov do +0,0005 voltov), na výstupe nastane skok z mínus 5 voltov na +5 voltov. Inými slovami, pokiaľ je napätie na priamom vstupe nižšie ako na invertujúcom vstupe, na výstupe komparátora sa nastaví nula. Ak je vyššia, je nastavená jedna.

Zaujímavý je úsek rozdielu úrovní na vstupoch od mínus 0,0005 voltov do +0,0005 voltov. Teoreticky sa pri jeho prechode dosiahne plynulý nárast zo záporného na kladné napájacie napätie. V praxi je tento rozsah veľmi úzky a v dôsledku rušenia, šumu, nestability napájacieho napätia atď. Ak sú napätia na vstupoch približne rovnaké, dôjde k náhodnému spusteniu komparátora v oboch smeroch. Čím nižšie je zosilnenie op-ampu, tým širšie je toto okno nestability. Ak komparátor ovláda aktuátor, spôsobí to, že sa spustí na takt (cvaknutie relé, zabuchnutie ventilu atď.), čo môže spôsobiť jeho mechanické poškodenie alebo prehriatie.

Aby sa tomu zabránilo, vytvorí sa plytká kladná spätná väzba vložením rezistora označeného prerušovanou čiarou. Tým sa vytvára mierna hysterézia posunom spínacích prahov pri vzostupe a poklese napätia vzhľadom na referenciu. Napríklad komparátor nahor sa prepne pri 0,1 V a nadol presne pri nule (v závislosti od hĺbky spätnej väzby). Tým sa odstráni okno nestability. Hodnota tohto rezistora môže byť od niekoľkých stoviek kiloohmov až po niekoľko megaohmov. Čím nižší je odpor, tým väčší je rozdiel medzi prahovými hodnotami.

K dispozícii sú aj špecializované komparátorové čipy. Napríklad LM393. Majú rýchly operačný zosilňovač (alebo viac) a môžu mať zabudovaný delič, ktorý poskytuje referenčné napätie. Ďalším rozdielom medzi týmito komparátormi a zariadeniami založenými na optických zosilňovačoch je to, že mnohé z nich vyžadujú jednosmerné napájanie. Väčšina op-ampov potrebuje bipolárne napätie. Výber typu čipu závisí od konštrukcie zariadenia.

Vlastnosti digitálnych komparátorov

Komparátory sa používajú aj v digitálnej technológii, hoci to na prvý pohľad môže znieť paradoxne. Koniec koncov, existujú len dve úrovne napätia - jedna a nula. Ich porovnávanie nemá zmysel. Je však možné porovnať dve binárne čísla, na ktoré sa dajú previesť aj akékoľvek analógové hodnoty (vrátane napätia).

Predpokladajme, že existujú dve binárne slová rovnakej dĺžky v bitoch:

X=X₃X₂X₁X₀ a Y=Y₃Y₂Y₁Y.

Ich hodnota sa považuje za rovnakú, ak sú všetky bity bitovo rovnaké:

1101=1101 => X=Y.

Ak sa aspoň jeden bit líši, čísla sa nerovnajú. Vyššie číslo sa určí porovnaním bitov, počnúc najvyšším bitom:

• 1101>101 - tu je prvý bit X väčší ako prvý bit Y a X>Y;
• 1101>101 - prvé bity sú rovnaké, ale druhý bit X je väčší a X>Y;
• 111<1110 - Y má o tretí bit viac a hodnota dolného bitu X je irelevantná, X

Implementácia tohto porovnania môže byť postavená na logických obvodoch so základnými prvkami I-NE, OR-NE, ale jednoduchšie je použiť hotové výrobky. Napríklad 4063 (CMOS), 7485 (TTL), domáci K564IP2 a ďalšie série mikroobvodov. Sú to 2 až 8 miestne komparátory s príslušným počtom dátových vstupov a riadiacich vstupov. Výstupy digitálnych komparátorov sú vo väčšine prípadov 3:

• viac;
• menej ako;
• rovná.

Na rozdiel od analógových zariadení pri binárnych komparátoroch nie je rovnosť na vstupoch nežiaducou situáciou a nevyhýba sa jej.

Takéto zariadenie sa dá ľahko programovo zostaviť pomocou funkcií logickej algebry. Alternatívou je, že mnohé mikrokontroléry majú zabudované analógové komparátory so samostatnými externými pinmi, ktoré poskytujú vnútornému obvodu hotový výsledok porovnania dvoch hodnôt ako 0 alebo 1. Tým sa šetria zdroje malých počítačových systémov.

Ak sa používa komparátor napätia

Komparátor sa používa v širokej škále aplikácií. Možno na ňom napríklad vybudovať prahové relé. Je potrebný snímač, ktorý prevádza akúkoľvek veličinu na napätie. Takáto hodnota môže byť:

• úroveň osvetlenia;
• Hladina hluku;
• hladina kvapaliny v nádobe alebo nádrži;
• akúkoľvek inú hodnotu.

Potenciometer možno použiť na nastavenie úrovne komparátora. Výstupný signál sa odovzdáva indikátoru alebo akčnému členu prostredníctvom tlačidla.

Ak sa hysteréza zvýši, komparátor môže fungovať ako Schmittova spúšť. Keď sa na vstup privádza pomaly sa meniace napätie, výstup je binárny signál so strmými okrajmi.

Dva prvky možno spojiť do dvojprahového komparátora alebo komparátora s oknom.

Tu sa prahové napätie nastavuje pre každý komparátor zvlášť - horný komparátor na priamom vstupe a dolný komparátor na inverznom vstupe. Voľné vstupy sa skombinujú a privedie sa na ne merané napätie. Výstupy sú prepojené OR. Keď napätie prekročí nastavenú hornú alebo dolnú hranicu, jeden z komparátorov vyšle vysokú úroveň.

Viacúrovňový komparátor je zostavený z niekoľkých prvkov, ktoré možno použiť ako lineárny indikátor napätia alebo hodnoty, ktorá sa prevádza na napätie. Pre štyri úrovne by obvod vyzeral takto:

V tomto obvode sa na vstup každého prvku privádza iné referenčné napätie. Invertujúce vstupy sú spojené a je na ne privedený meraný signál. Po dosiahnutí úrovne spúšťania sa rozsvieti príslušná LED dióda. Ak sú vyžarujúce prvky usporiadané v rade, vznikne svetelný pruh, ktorého dĺžka sa mení v závislosti od úrovne privádzaného napätia.

Ten istý obvod sa môže použiť aj ako analógovo-digitálny prevodník (ADC). Prevádza vstupné napätie na príslušný binárny kód. Čím viac prvkov ADC obsahuje, tým vyššie je rozlíšenie a tým presnejší je prevod. V praxi je riadkový kód nepohodlný na používanie, a preto sa konvertuje na známy kód pomocou kódovača. Snímač možno zostaviť pomocou logických prvkov, hotových mikroobvodov alebo ROM s príslušným firmvérom.

Oblasť použitia komparátorov v profesionálnych a amatérskych obvodoch je široká. Kompetentná aplikácia týchto prvkov umožňuje riešiť širokú škálu úloh.

Súvisiace články: