Beim Entwurf elektronischer Schaltungen ist es oft notwendig, die Höhe zweier Spannungen zu vergleichen. Dazu wird ein Gerät wie ein Komparator verwendet. Der Name des Knotens geht auf das lateinische „comparare“ zurück, oder besser gesagt auf das englische „compare“ – zu vergleichen.
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Was ist ein spannungskomparator
Im allgemeinen Fall ist ein Komparator ein Gerät, das zwei Eingänge zum Liefern der verglichenen Werte (Spannungen) und einen Ausgang für das Ergebnis des Vergleichs hat. Der Komparator hat zwei Eingänge zum Liefern der verglichenen Parameter - direkt und invers. Der Ausgang wird auf eine logische Einheit gesetzt, wenn die Spannung des direkten Eingangs die inverse überschreitet, und auf Null - wenn umgekehrt. Wenn bei einer positiven Differenz zwischen dem inversen und dem direkten Eingang eins gesetzt wird und im umgekehrten Fall - Null, wird ein solcher Komparator als invertierend bezeichnet.
Das Funktionsprinzip des Komparators
Es ist bequem, einen Komparator darauf aufzubauen Operationsverstärker (OU).Dafür werden seine Eigenschaften direkt genutzt:
- Verstärkung der Signaldifferenz zwischen direktem und invertierendem Eingang;
- unendlich (in der Praxis - ab 10000) Verstärkungsfaktor.
Der Betrieb des Operationsverstärkers als Komparator kann mit folgendem Schaltschema betrachtet werden:
Angenommen, es gibt einen Operationsverstärker mit einer Verstärkung von 10000, die Versorgungsspannung ist bipolar, + 5 V und minus 5 V. Teiler am invertierenden Eingang wird der Referenzpegel auf exakt 0 Volt gesetzt, am direkten Eingang werden minus 5 Volt vom Poti-Schieber weggenommen. Der Operationsverstärker soll die Differenz um das 10.000-fache verstärken, theoretisch müsste am Ausgang eine Spannung von minus 50.000 Volt anliegen. Aber der Operationsverstärker kann eine solche Spannung nirgendwo aufnehmen und erzeugt das maximal Mögliche - die Versorgungsspannung minus 5 Volt.
Wenn Sie beginnen, die Spannung am direkten Eingang zu erhöhen, versucht der Operationsverstärker, die mit 10000 multiplizierte Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen einzustellen. Dies wird gelingen, wenn die Eingangsspannung gegen Null geht und ungefähr minus 0,0005 V beträgt. Bei einer weiteren Erhöhung in die Eingangsspannung am positiven Eingang, der Ausgang steigt auf Null und darüber, und bei einer Spannung von +0,0005 Volt wird er +5 V und steigt nicht weiter an - es gibt nirgendwo. Wenn also die Eingangsspannung den Nullpegel passiert (genauer gesagt minus 0,0005 Volt - + 0,0005), springt die Ausgangsspannung von minus 5 Volt auf +5 Volt. Mit anderen Worten, solange die Spannung am direkten Eingang kleiner ist als am invertierenden Eingang, wird der Komparatorausgang auf Null gesetzt. Wenn höher - eins.
Interessant ist der Abschnitt der Pegeldifferenz an den Eingängen von minus 0,0005 Volt bis + 0,0005 Volt.Theoretisch wird es beim Durchgang einen sanften Anstieg von der negativen auf die positive Versorgungsspannung geben. In der Praxis ist dieser Bereich sehr eng und aufgrund von Interferenzen, Interferenzen, Instabilität der Versorgungsspannung usw. Bei einer ungefähren Gleichheit der Spannungen an den Eingängen tritt ein chaotischer Betrieb des Komparators in beiden Richtungen auf. Je niedriger die Verstärkung des Operationsverstärkers ist, desto größer ist dieses Instabilitätsfenster. Wenn der Komparator den Aktuator steuert, führt dies dazu, dass er rechtzeitig arbeitet (Klicken des Relais, Zuschlagen des Ventils usw.), was zu einem mechanischen Versagen oder einer Überhitzung führen kann.
Um dies zu vermeiden, wird eine flache positive Rückkopplung erzeugt, indem der durch die gestrichelte Linie angezeigte Widerstand eingeschaltet wird. Dies erzeugt eine leichte Hysterese, die die Schaltschwellen verschiebt, wenn die Spannung relativ zur Referenz nach oben und unten geht. Beispielsweise schaltet der Komparator bei 0,1 Volt nach oben und bei genau Null nach unten (abhängig von der Tiefe der Rückkopplung). Dadurch wird das Instabilitätsfenster beseitigt. Der Wert dieses Widerstands kann mehrere hundert Kilo-Ohm bis mehrere Mega-Ohm betragen. Je niedriger der Widerstand, desto größer die Differenz zwischen den Schwellen.
Es gibt auch spezialisierte Komparator-ICs. Zum Beispiel LM393. In solchen Mikroschaltungen gibt es einen Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker (oder mehrere), ein eingebauter Teiler kann installiert werden, der eine Referenzspannung erzeugt. Ein weiterer Unterschied zwischen solchen Komparatoren und Geräten, die auf Allzweck-Operationsverstärkern basieren, besteht darin, dass viele von ihnen eine unipolare Stromversorgung benötigen. Die meisten Operationsverstärker benötigen eine bipolare Spannung. Die Wahl des Typs der Mikroschaltung erfolgt während der Entwicklung des Geräts.
Merkmale digitaler Komparatoren
Auch in der Digitaltechnik kommen Komparatoren zum Einsatz, was auf den ersten Blick paradox klingt. Schließlich gibt es nur zwei Spannungspegel - eins und null. Und es ist sinnlos, sie zu vergleichen. Aber Sie können zwei Binärzahlen vergleichen, die in beliebige analoge Werte (einschließlich Spannung) umgewandelt werden können.
Angenommen, es gebe zwei binäre Wörter mit gleicher Länge in Bits:
X=X3X2X1X0 und Y=Y3Y2Y1Y.
Sie gelten als gleichwertig, wenn alle Bits bitweise gleich sind:
1101=1101 => X=Y.
Wenn mindestens ein Bit unterschiedlich ist, sind die Zahlen nicht gleich. Die größere Zahl wird durch einen bitweisen Vergleich ermittelt, beginnend mit dem höchstwertigen Bit:
- 1101>101 - hier ist das erste Bit von X größer als das erste Bit von Y und X > Y;
- 1101>101 - die ersten Bits sind gleich, aber das zweite Bit von X ist größer und X > Y;
- 111<1110 - Y hat ein größeres drittes Bit, und der größere Wert der niedrigstwertigen Ziffer von X spielt keine Rolle, X<Y.
Die Implementierung eines solchen Vergleichs kann auf den logischen Schaltungen der Grundelemente UND-NICHT, ODER-NICHT aufbauen, einfacher ist es jedoch, fertige Produkte zu verwenden. Zum Beispiel 4063 (CMOS), 7485 (TTL), inländische K564IP2 und andere Serien von Mikroschaltungen. Es sind 2-8 Bit Komparatoren mit entsprechend vielen Daten- und Steuereingängen. In den meisten Fällen haben digitale Komparatoren 3 Ausgänge:
- mehr;
- weniger;
- gleich.
Im Gegensatz zu analogen Geräten ist bei binären Komparatoren die Gleichheit an den Eingängen keine unerwünschte Situation und wird nicht versucht zu vermeiden.
Ein solches Gerät lässt sich auch leicht programmgesteuert unter Verwendung von Funktionen der Booleschen Algebra erstellen.Eine weitere Option - viele Mikrocontroller haben "an Bord" analoge Komparatoren mit separaten externen Ausgängen, die ein vorgefertigtes Ergebnis des Vergleichs zweier Werte in Form von 0 oder 1 an die interne Schaltung ausgeben. Dies spart die Ressourcen kleiner Computersysteme .
Wo wird der Spannungskomparator eingesetzt?
Der Anwendungsbereich des Komparators ist breit. Darauf kann man zum Beispiel ein Schwellwertrelais bauen. Dazu benötigen Sie einen Sensor, der beliebige Werte in Spannung umwandelt. Dieser Wert kann sein:
- Beleuchtungsstärke;
- Geräuschpegel;
- Flüssigkeitsstand in einem Gefäß oder Reservoir;
- irgendwelche anderen Werte.
Mit dem Potentiometer kann der Triggerpegel des Komparators eingestellt werden. Das Ausgangssignal durch die Taste wird an den Anzeiger oder Aktor gegeben.
Wenn Sie die Hysterese erhöhen, kann der Komparator als Schmitt-Trigger arbeiten. Wenn eine sich langsam ändernde Spannung an den Eingang angelegt wird, wird der Ausgang sein diskretes Signal mit steilen Fronten.
Die beiden Elemente können verbunden werden, um einen Zweischwellenkomparator oder einen Fensterkomparator zu bilden.
Dabei wird die Schwellenspannung für jeden Komparator separat eingestellt - für den oberen am direkten Eingang, für den unteren am inversen. Freie Eingänge werden zusammengefasst, sie werden mit der gemessenen Spannung versorgt. Die Ausgänge werden nach dem Schema „Montage ODER“ verbunden. Wenn die Spannung die eingestellte Ober- oder Untergrenze überschreitet, erzeugt einer der Komparatoren einen High-Pegel am Ausgang.
Ein mehrstufiger Komparator besteht aus mehreren Elementen, die als lineare Spannungsanzeige oder als in Spannung umgewandelter Wert verwendet werden können. Für vier Ebenen sieht das Schema wie folgt aus:
In dieser Schaltung wird an den Eingang jedes Elements eine Referenzspannung angelegt. Die invertierenden Eingänge werden zusammengeschaltet, sie erhalten das gemessene Signal. Wenn der Triggerpegel erreicht ist, leuchtet die entsprechende LED. Wenn die strahlenden Elemente in einer Linie angeordnet sind, wird ein Lichtstreifen erhalten, dessen Länge entsprechend der Höhe der angelegten Spannung variiert.
Die gleiche Schaltung kann als Analog-Digital-Wandler (ADC) verwendet werden. Er wandelt die Eingangsspannung in den entsprechenden Binärcode um. Je mehr Elemente im ADC enthalten sind, desto größer die Bittiefe, desto genauer die Umwandlung. In der Praxis ist der Leitungscode unbequem zu verwenden und wird mit einem Codierer in einen vertrauten Code umgewandelt. Der Encoder kann auf logischen Elementen aufgebaut sein, eine vorgefertigte Mikroschaltung verwenden oder ein ROM mit der entsprechenden Firmware verwenden.
Der Anwendungsbereich von Komparatoren in Profi- und Amateurschaltungen ist vielfältig. Die richtige Verwendung dieser Elemente ermöglicht die Lösung einer Vielzahl von Problemen.
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