När man konstruerar elektroniska kretsar är det ofta nödvändigt att jämföra nivån på två spänningar. För att göra detta används en enhet som en komparator. Enhetens namn kommer från latinets comparare, dvs. att jämföra.
Innehåll
Vad är en spänningskomparator?
En komparator är i allmänhet en enhet med två ingångar för de värden (spänningar) som jämförs och en utgång för resultatet av jämförelsen. Komparatorn har två ingångar för de värden som jämförs, en direkt och en invers ingång. Utgången sätts till logisk ett om den direkta ingångsspänningen överstiger den omvända spänningen och noll om det är tvärtom. En komparator kallas inverterande komparator om skillnaden mellan den direkta och den inverterade ingången är positiv och noll i den motsatta situationen.
Principen för komparatorns funktionssätt
Det är praktiskt att bygga en komparator med hjälp av Operationsförstärkare. (OP-AMP). För detta ändamål använder den direkt sina egenskaper:
- Förstärkning av signalskillnaden mellan de direkta och inverterande ingångarna;
- oändlig förstärkning (i praktiken från 10 000 och uppåt).
DT:s funktion som komparator kan betraktas med följande kretsar:
Anta att det finns en op-amp med en förstärkning på 10000, matningsspänningen är bipolär, + 5 V och minus 5 V. Delaren är inställd på en referensnivå på exakt 0 volt vid den inverterande ingången, tas den direkta ingången med minus 5 volt från potentiometerreglaget. Op-förstärkaren ska förstärka skillnaden 10 000 gånger, vilket innebär att en spänning på minus 50 000 volt teoretiskt sett ska visas i utgången. Men det finns ingenstans där op-ampern kan få en sådan spänning, så den skapar den högsta möjliga matningsspänningen, minus 5 volt.
Om du börjar höja spänningen vid den direkta ingången kommer Op-Amp att försöka ställa in spänningsskillnaden mellan ingångarna, multiplicerat med 10000. Den lyckas när ingångsspänningen närmar sig noll och blir cirka minus 0,0005 V. När ingångsspänningen ökar ytterligare vid den positiva ingången kommer utgångsspänningen att stiga till noll eller högre, och vid +0,0005 volt blir den +5 volt och kommer inte att stiga mer - det finns ingenstans att ta vägen. När ingångsspänningen passerar nollnivån (minus 0,0005 volt till +0,0005 volt för att vara exakt) kommer utgångsspänningen att hoppa från minus 5 volt till +5 volt. Med andra ord, så länge spänningen vid den direkta ingången är lägre än spänningen vid den inverterande ingången sätts noll vid komparatorutgången. Om den är högre, är en inställd.
Intressant är avsnittet med nivåskillnad vid ingångarna från minus 0,0005 volt till +0,0005 volt. I teorin kommer detta att resultera i en jämn ökning från negativ till positiv matningsspänning. I praktiken är detta intervall mycket smalt och beror på störningar, buller, instabilitet i matningsspänningen osv. Om spänningarna vid ingångarna är ungefär lika stora kommer komparatorn att utlösas slumpmässigt i båda riktningarna. Ju lägre förstärkning av op-förstärkaren, desto bredare blir detta instabilitetsfönster. Om komparatorn styr ett ställdon kommer detta att leda till att den utlöses i takt med att det klickar (reläet klickar, ventilen slår igen osv.), vilket kan leda till att den går sönder mekaniskt eller överhettas.
För att undvika detta skapas en ytlig positiv återkoppling genom att man införlivar motståndet som indikeras av den streckade linjen. Detta skapar en liten hysteres genom att skifta omkopplingströsklarna när spänningen stiger och sjunker i förhållande till referensen. Om komparatorn till exempel är uppåt kommer den att slå om vid 0,1 volt och nedåt vid exakt noll (beroende på återkopplingsdjupet). På så sätt kan man undvika instabiliteten. Värdet på detta motstånd kan vara från några hundra kilohm till några megohm. Ju lägre motståndet är, desto större är skillnaden mellan trösklarna.
Det finns även specialiserade komparatorchips. LM393 till exempel. Dessa har en snabb operationsförstärkare (eller fler) och kan ha en inbyggd delare som ger en referensspänning. En annan skillnad mellan dessa komparatorer och enheter baserade på Op-Amps är att många av dem kräver en enkelriktad strömförsörjning. De flesta op-amps behöver en bipolär spänning. Valet av chiptyp bestäms av enhetens utformning.
Funktioner hos digitala komparatorer
Komparatorer används också i digitalteknik, även om detta kan låta paradoxalt vid första anblicken. Det finns trots allt bara två spänningsnivåer - en och noll. Det är meningslöst att jämföra dem. Men det är möjligt att jämföra två binära tal som alla analoga värden (inklusive spänning) också kan omvandlas till.
Anta att det finns två binära ord med samma längd i bitar:
X=X3X2X1X0 och Y=Y3Y2Y1Y.
De anses ha samma värde om alla bitar är bitvis lika:
1101=1101 => X=Y.
Om minst en bit är annorlunda är talen inte lika. Det högre talet bestäms genom en bitvis jämförelse, med början från den högsta biten:
- 1101>101 - här är den första biten i X större än den första biten i Y, och X>Y;
- 1101>101 - De första bitarna är lika, men den andra biten i X är större och X>Y;
- 111<1110 - Y har den tredje biten mer och värdet av den lägre biten i X är irrelevant, X
Genomförandet av denna jämförelse kan byggas på logikkretsar med I-NE, OR-NE baselement, men det är lättare att använda standardprodukter. Till exempel 4063 (CMOS), 7485 (TTL), inhemska K564IP2 och andra serier av mikrokretsar. De är 2- till 8-siffriga komparatorer med motsvarande antal dataingångar och styringskontakter. De digitala komparatorernas utgångar är i de flesta fall 3:
- mer;
- mindre än;
- lika.
I motsats till analoga enheter är likhet vid ingångarna i binära komparatorer inte en oönskad situation och den undviks inte heller.
En sådan anordning kan enkelt byggas upp i program med hjälp av booleska algebrafunktioner. Alternativt har många mikrokontroller inbyggda analoga komparatorer, med separata externa stift, som ger den interna kretsen ett färdigt resultat för att jämföra två värden som 0 eller 1. Detta sparar resurser i små datorsystem.
När en spänningskomparator används
Komparatorn används i många olika tillämpningar. Till exempel kan ett tröskelrelä byggas på den. En sensor som omvandlar en kvantitet till spänning skulle behövas. Ett sådant värde kan vara:
- ljusnivå;
- bullernivå;
- vätskenivån i kärlet eller tanken;
- något annat värde.
Potentiometern kan användas för att ställa in komparatorns nivå. Utsignalen ges via en nyckel till en indikator eller en manöverdon.
Om hysteresen ökas kan komparatorn fungera som en Schmitt-trigger. När en långsamt varierande spänning läggs på ingången är utgången binär signal med branta kanter.
Två element kan anslutas för att bilda en komparator med dubbelt tröskelvärde eller en fönsterkomparator.
Här ställs tröskelspänningen in separat för varje komparator - den övre komparatorn på den direkta ingången och den nedre komparatorn på den omvända ingången. De fria ingångarna kombineras och den spänning som ska mätas läggs på dem. Utgångarna är OR-anslutna. När spänningen överskrider den inställda övre eller nedre gränsen ger en av komparatorerna ut en hög nivå.
En flernivåkomparator är sammansatt av flera element som kan användas som en linjär spänningsindikator eller ett värde som omvandlas till spänning. För fyra nivåer skulle kretsen se ut på följande sätt:
I denna krets appliceras en annan referensspänning på ingången till varje element. De inverterande ingångarna kopplas samman och signalen som ska mätas läggs på dem. När utlösningsnivån är uppnådd lyser motsvarande lysdiod. Om de lysande elementen är placerade i en rad får man en ljusbalk vars längd varierar beroende på den applicerade spänningen.
Samma krets kan också användas som en analog till digital omvandlare (ADC). Den omvandlar den ingående spänningen till en lämplig binär kod. Ju fler element som ingår i ADC:n, desto högre är upplösningen och desto noggrannare är konverteringen. I praktiken är linjekoden obekväm att använda, och den omvandlas till en bekant kod med hjälp av en kodare. Kodaren kan byggas med hjälp av logiska element, standardiserade mikrokretsar eller ROM:er med lämplig firmware.
Användningsområdet för komparatorer i professionella kretsar och amatörkretsar är brett. Genom att använda dessa element på ett kompetent sätt kan man lösa ett stort antal uppgifter.
Relaterade artiklar:
