Funktionsweise des Komparators: Eigenschaften und Beschreibung des Funktionsprinzips, Verwendung von Spannungsvergleichsschaltungen

In elektronischen Geräten sind häufig verschiedene integrierte Schaltungen zu finden. Einer von ihnen ist der Komparator. Die Anwendungen reichen von Signalgebern bis hin zu Industrie- und Automobilelektronik. Wenn Sie wissen, wie der Komparator funktioniert, können Sie verschiedene interessante Schaltungen selbstständig zusammenstellen, beispielsweise ein Ladegerät, eine Anzeigeeinheit oder sogar einen Generator.

Beschreibung und Schaltung

Trotz seiner scheinbaren Einfachheit ist der Komparator ein viel interessanteres Gerät, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. In der Elektronik wird dies als logische Mikroschaltung bezeichnet, die zum Vergleichen zwischen zwei an seinen Eingang angelegten elektrischen Signalen ausgelegt ist. Abhängig vom Ergebnis dieser Messung ändert sich die Betriebsart des Gerätes.

Der Begriff „Komparator“ leitet sich vom lateinischen Wort „comparare“ ab, was wörtlich übersetzt ins Russische bedeutet, wie man vergleichen kann. Strukturell kann das Gerät in verschiedenen Gehäusen hergestellt werden, beispielsweise DIP, SOIC, SSOP. Die einfachste Art von Vergleichselementen hat zwei analoge Eingänge und einen digitalen Ausgang. Sein Betrieb basiert auf einer Differenzstufe mit hoher Verstärkung. Daher werden Komparatoren häufig in Geräten verwendet, die ein analoges Signal messen oder in ein digitales (ADC) umwandeln.

In den Diagrammen und in der Fachliteratur wird das Gerät grafisch als gleichschenkliges Dreieck mit drei Leitungen bezeichnet. Einerseits werden Schlussfolgerungen mit Zeichen unterschrieben «+» und «—», die jeweils den nicht-invertierenden Eingang und den invertierenden bezeichnen, und zum anderen ist der Ausgang dargestellt, der mit dem Symbol Uout gekennzeichnet ist.

Bei Direkteingabe («+») des Mikroschaltkreises ist der Signalpegel größer als auf dem inversen («—»), dann wird an seinem Ausgang ein stabiler Wert gebildet. Je nach schematischer Lösung des Komparators kann dieser Wert die Form einer logischen Null oder Eins annehmen. In der digitalen Elektronik ein Signal wird als Einheit gezählt, dessen Spannungspegel fünf Volt beträgt, und dessen Fehlen als Null angenommen wird. Das heißt, der Ausgabezustand der Vorrichtung wird als hoch oder niedrig bestimmt. In der Praxis wird jedoch der Wert der Potenzialdifferenz bis 2,7 V als logische Null angenommen.

Eines der Eingangssignale des Instruments wird als Referenz- oder Schwellenspannung bezeichnet. Mit diesem Wert wird die Größe des Signals am zweiten Eingang verglichen. Die Referenzspannung kann sowohl an inversen als auch an direkten Eingängen angelegt werden. Abhängig davon werden die Komparatoren als invertierend oder nicht invertierend bezeichnet. Wenn das Gerät mit einer Referenzspannung arbeitet, wird dies als Ein-Schwellenwert bezeichnet, und wenn mit einer anderen, wird es als Multi-Eingang bezeichnet.

Geräteeigenschaften

Im Wesentlichen kann man sich das Gerät als einfaches Voltmeter oder ADC vorstellen. Ein Komparator hat wie jedes elektronische Gerät eine Reihe von technischen Eigenschaften, die in zwei Typen unterteilt werden können: statisch und dynamisch.

Statische Parameter umfassen die folgenden Eigenschaften:

1. Die Grenzempfindlichkeit bezeichnet die Signalschwellwerte, die das Gerät am Eingang erkennt und das Potential seines Ausgangs auf eine logische Null oder Eins ändert.
2. Der Betrag der Verschiebung wird durch das Übertragungsmoment der Vorrichtung relativ zur Idealposition bestimmt.
3. Der Eingangsstrom ist der maximale Wert, der durch jeden Ausgang fließen kann, ohne das Gerät zu beschädigen.
4. Ausgangsstrom - der Wert des Stroms, der am Ausgang erscheint, wenn das Gerät in den Einheitszustand geht.
5. Die Stromdifferenz ist der Wert, der durch Subtrahieren der Werte der Ströme ermittelt wird, die fließen, wenn die Eingänge kurzgeschlossen sind.
6. Hysterese - der Unterschied in den Eingangssignalpegeln, der zu einer Änderung des stabilen Zustands am Ausgang führt.
7. Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis wird durch das Verhältnis des Gleichtaktsignals zum Differenzsignal bestimmt, das das Umschalten des Komparators bewirkt.
8. Eingangsimpedanz ist die Impedanz des Eingangs.
9. Minimale und maximale Betriebstemperatur - der Bereich, in dem sich die technischen Parameter des Geräts nicht ändern.

Ein wichtiges dynamisches Merkmal ist die Schaltzeit tn. Sie wird durch das Zeitintervall vom Beginn des Vergleichs des Eingangssignals bis zu dem Zeitpunkt bestimmt, zu dem der entgegengesetzte stabile Zustand am Ausgang des Komparators auftritt. Diese Zeit wird mit einem Wert der Schwellenspannung und ihrem Sprung am gegenüberliegenden Eingang bestimmt. Dieses Zeitintervall ist in zwei Teile unterteilt - Verzögerung und Anstieg.

Alle relevanten Parameter des Komparators werden als Einschwingverhalten dargestellt. Dies ist ein Diagramm in einem kartesischen planaren Koordinatensystem, in dem die X-Achse die Zeit in Nanosekunden angibt und die Y-Achse die Eingangs- und Ausgangsspannung in Volt angibt.

Gerät und Funktionsprinzip

Die Schaltung des Geräts basiert auf einem differentiellen Operationsverstärker mit einer ziemlich hohen Verstärkung. Die Unterschiede zu einem einfachen Linearverstärker liegen in der Implementierung der Eingangs- und Ausgangsstufe.

Der Geräteeingang widersteht einem weiten Signalbereich bis hin zu Netzteilwerten und einem vollen Gleichtaktspannungsbereich. Der Komparatorausgang ist mit TTL- und ECL-Technologien kompatibel, da diese Stufe an einem Transistor mit offenem Kollektor ausgeführt werden kann. Das Gerät verwendet keine Gegenkopplung wie bei einem Operationsverstärker, sondern im Gegenteil, der Ausgang wird durch eine positive Verbindung abgedeckt, die eine Hystereseübertragung bildet charakteristisch.

Der Komparator mit zwei Schwellenwerten wird Schmitt-Trigger oder Ternär genannt. Zum Vergleich verwendet es zwei Spannungen. Die Signale im Binärkomparator sind in drei Bereiche unterteilt:

1. Urf2> Urf1;
2. Uout1 = 0 wenn Uin Uref1;
3. Uout2 = 0 wenn Uin Uref2.

Uref - Spannung der unteren und oberen Schaltschwelle, Uout - Ausgangssignalpegel, Uin - Spannung am Geräteeingang.

Die interne Schaltung des Geräts ist ein Verstärker, der auf den Transistoren VT1-VT2 aufgebaut ist und mit einer VT5-VT6-Kaskade geladen ist, die in einer gemeinsamen Emitterschaltung verbunden ist. Eine zusätzliche Taste VT4 steuert den Kollektormodus des Eingangssignals. Und über den Transistor VT7, der im Diodenmodus arbeitet, wird der Signalpegel an VT8 gesteuert, wodurch seine Unabhängigkeit von Änderungen der Versorgungsspannung erreicht werden kann. Die Tasten VT5 und VT6 sind mit der Zenerdiode VD1 verbunden. Daher wird das Eingangssignal über den VT8-Repeater dem Ausgang des VT6-Kollektorpins zugeführt.

Wenn das Eingangssignal ein Volt nicht überschreitet, ist der Transistor VT6 geschlossen und VT5 befindet sich im Sättigungsmodus. Das Ausgangssignal darf vier Volt nicht überschreiten, da ein größerer Wert die Diode öffnet. Mit dem entgegengesetzten Vorzeichen wird VT6 gesättigt und die Ausgangsspannung wird Null. Moderne Geräte verwenden einen Strobe-Ausgang oder Latch-Flip-Flops, d. h. Elemente, die den Ausgang des Komparators steuern, wenn ein Sync-Impuls erkannt wird. Vergleichsergebnisse können in zwei Formen erscheinen: während eines Stroboskops oder in Pausen zwischen den Pulsen.

Einfache Konstruktionen

In der Praxis haben Spannungskomparatoren breite Anwendung in elektronischen Schaltungen verschiedener Richtungen gefunden. In Radiogeschäften finden Sie eine ziemlich große Anzahl verschiedener Mikroschaltungen. Aber die am häufigsten verwendeten Mikroschaltungen unter Funkamateuren sind:

• LM311;
• K554CA3;
• LM339;
• MAX934.

Sie stehen zum Verkauf, und ihre Kosten sind mehr als demokratisch. Diese Komparatoren haben einen weiten Eingangsspannungsbereich und können mit unipolarer und bipolarer Versorgung betrieben werden.

An den Ausgang des Gerätes können beliebige Lasten mit einer Stromaufnahme von in der Regel nicht mehr als 50 mA angeschlossen werden. Dies kann ein Relais, ein Widerstand, eine LED, ein Optokoppler oder ein beliebiger Aktor sein, jedoch mit strombegrenzenden Elementen. Auch der Anschluss einer induktiven Last ist möglich, wird aber in diesem Fall meist von Dioden überbrückt. Für den Betrieb des Gerätes werden Netzteile mit einer Ausgangsspannung von 5-36 Volt verwendet.

Fotorelais steuern

Ein solches Relais wird durch Oberflächenmontage montiert. Es kann in einem Sicherheitssystem oder zur Steuerung der Beleuchtungsstärke verwendet werden. Die Arbeit der Schaltung ist wie folgt. Die Eingangsspannung geht an einen Teiler bestehend aus R1 und einer Fotodiode VD3. Ihr gemeinsamer Anschlusspunkt über die Begrenzungsdioden VD1 und VD2 ist mit den Eingängen des Komparators DA1 verbunden. Dadurch entsteht am Eingang des Gerätes keine Potentialdifferenz, wodurch die Empfindlichkeit des Gerätes maximal ist.

Damit das Signal am Ausgang invertiert wird, müssen Sie am Eingang nur eine Differenz von einem Millivolt erzeugen. Aufgrund der Tatsache, dass der Kondensator C1 und der Widerstand R1 mit dem inversen Eingang verbunden sind, steigt der Spannungswert mit einer kurzen Verzögerung, die der Ladezeit des Kondensators entspricht.

Aber diese Zeit reicht aus, damit am Ausgang eine logische Einheit erscheint, die die Betriebsart des als Last angeschlossenen Relais neu aufbaut. Sobald sich die Beleuchtung wieder ändert, wiederholt sich die Situation. Dadurch, dass das Fotorelais an einen bestimmten Ort gerichtet wird, erscheint im Falle einer Änderung seiner Beleuchtung eine Spannungsdifferenz an den Eingängen des Komparators. Dementsprechend ändert sich auch die Funktion des Relais, an das verschiedene Lasten angeschlossen werden können.

Ladeeinheit

Ein fertiges Netzteil aus wartungsfähigen Elementen beginnt sofort zu arbeiten. Seine Einstellungen beschränken sich auf die Einstellung des Nennladestroms und der Schwellen des Komparatorbetriebs. Wenn das Gerät eingeschaltet ist, leuchtet die grüne LED, zeigt die Stromversorgung an. Während des Ladevorgangs sollte die rote LED konstant leuchten, die erlischt, sobald der Akku geladen ist.

Die vom Netzteil gelieferte Spannung wird durch R2 geregelt und der Ladestrom wird durch R4 eingestellt. Die Einstellung erfolgt über einen 150 Ohm Widerstand, der parallel zu den Kontakten des Batteriehalters geschaltet ist. Der Akku selbst wird nicht eingelegt. Der VT1-Transistor ist am Kühler installiert, stattdessen können Sie ein Analogon von KT814B verwenden.

Eine solche Schaltung muss auf einer Leiterplatte montiert werden, sollte aber am Ende 50 x 50 mm nicht überschreiten.

Sie können eine einfachere Schaltung nach dem Funktionsprinzip eines Stromstabilisators aufbauen. Die Referenzspannung wird dem Eingang des LM358 über eine Zenerdiode zugeführt. Der zweite Eingang der Mikroschaltung ist nach dem Stromsensor geschaltet. Wenn eine entladene Batterie an den Ausgang des Komparators angeschlossen wird, beginnt der Strom in der Schaltung zu steigen und ein Teil der Spannung fällt über den niederohmigen Widerstand ab.

Zwischen den beiden Eingängen der Mikroschaltung besteht eine Spannungsdifferenz. Die Schaltung beginnt, diesen Unterschied auszugleichen, indem die Ausgangsstromstärke erhöht wird. Beim Laden der Batterie beginnt die Spannung am Eingang abzunehmen, was zu einer Abnahme des Stroms im Stromkreis führt. Sobald die Batterie geladen ist, schließt der VT1-Transistor und die Last wird ausgeschaltet. Der Ladestrom wird durch Änderung des Widerstands R1 begrenzt.

Kristalloszillator

Ein solcher Generator von Rechteckimpulsen, der nach dem Schema auf dem Haushaltskomparator K544C3 aufgebaut ist, arbeitet mit einer Taktfrequenz von 32768 Hz. Die Schaltung arbeitet in einem Eingangsspannungsbereich von 7 bis 11 Volt. Die Frequenz wird durch den Quarz ZQ1 eingestellt, aber damit das Gerät über 50 kHz arbeitet, muss der Widerstand von R5 und R6 reduziert werden.

Wenn die zweite Klemme mit einem Neutralleiter geschlossen ist, schaltet sich der Komparatorausgang gemäß der Open-Collector-Schaltung ein, in der R7 die Last ist. Die Frequenzanpassung erfolgt mit C1. Durch den Widerstand R4 startet der Generator automatisch. Durch Ändern des Widerstands R2 ändert sich das Tastverhältnis der Impulse.

Durch die Auswahl der Behälter C1 und C2 kann der Generator als berührungsloser Flüssigkeitssensor verwendet werden. Dazu benötigen Sie einen Mikrocontroller mit Software als Detektor. Es ist jedoch möglich, einen anderen Komparator zu verwenden, der die durch Spannungsdioden gleichgerichteten Änderungen registriert.

Somit ist der Spannungskomparator dafür ausgelegt, die Signalpegel an seinen Eingängen zu vergleichen. Beginnen sie sich zu unterscheiden, ändert der Ausgang des Gerätes abhängig von diesem Unterschied seinen Zustand. Entwickler nutzen diese Eigenschaft beim Entwerfen verschiedener Elektrogeräte.