Komparatorschaltungen

Wie funktioniert der Spannungskomparator?

In vielen Beschreibungen wird der Komparator wie bei einem Basar mit herkömmlichen Hebelwaagen verglichen: Auf einer Schüssel wird ein Standard platziert - Gewichte, und der Verkäufer beginnt, Waren wie Kartoffeln auf die andere zu legen. Sobald das Gewicht des Produkts dem Gewicht der Gewichte entspricht, genauer gesagt etwas mehr, rast die Tasse mit den Gewichten hoch. Das Wiegen ist vorbei.

Das gleiche passiert mit dem Komparator, nur in diesem Fall spielt die Referenzspannung die Rolle der Gewichte und das Eingangssignal wird als Kartoffel verwendet. Sobald eine logische Einheit am Ausgang des Komparators erscheint, wird davon ausgegangen, dass der Spannungsvergleich stattgefunden hat. Dies ist das "etwas mehr", das in den Verzeichnissen als "Schwellenempfindlichkeit des Komparators" bezeichnet wird.

Spannungskomparator prüfen

Schinkenanfänger - Elektronikingenieure fragen oft, wie ein bestimmtes Teil überprüft werden soll. Um den Komparator zu überprüfen, müssen Sie keine komplexe Schaltung zusammenbauen. Es reicht aus, ein Voltmeter an den Ausgang des Komparators anzuschließen, geregelte Spannungen an die Eingänge anzulegen und festzustellen, ob der Komparator funktioniert oder nicht. Und natürlich ist es sehr gut, wenn Sie immer noch daran denken, den Komparator mit Strom zu versorgen!

Man sollte jedoch nicht vergessen, dass viele Komparatoren einen Ausgangstransistor haben, bei dem die Ergebnisse des Kollektors und des Emitters einfach "in der Luft hängen", was im Artikel beschrieben wurde "Analoge Komparatoren". Daher müssen diese Schlussfolgerungen entsprechend verknüpft werden. Wie das geht, ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Anschlussdiagramm des Komparators

Die Referenzspannung erhalten von Teiler R2, R3 ab Versorgungsspannung + 5V. Infolgedessen werden am inversen Eingang 2,5 V erhalten. Angenommen, der Schieberegler für den variablen Widerstand R1 befindet sich in der niedrigsten Position, d.h. Die Spannung beträgt 0V. Die gleiche Spannung liegt am direkten Eingang des Komparators an.

Wenn nun durch Drehen des Motors des variablen Widerstands R1 die Spannung am direkten Eingang des Komparators allmählich erhöht wird, erscheint bei Erreichen von 2,5 V logisch 1 am Ausgang des Komparators, wodurch der Ausgangstransistor geöffnet wird und die HL1-LED leuchtet.

Wenn nun der Motor R1 in Richtung abnehmender Spannung gedreht wird, erlischt zu einem bestimmten Zeitpunkt zweifellos die LED HL1. Dies zeigt den ordnungsgemäßen Betrieb des Komparators an.

Das Experiment kann etwas kompliziert sein: Messen Sie die Spannung am direkten Eingang des Komparators mit einem Voltmeter und legen Sie fest, bei welcher Spannung die LED aufleuchtet und bei welcher sie erlischt. Die Differenz dieser Spannungen ist die Hysterese des Komparators. Einige Komparatoren haben übrigens einen speziellen Pin (Pin) zum Einstellen des Hysteresewerts.

Um ein solches Experiment durchzuführen, benötigen Sie ein digitales Voltmeter, das Millivolt "fangen" kann, einen Trimmwiderstand mit mehreren Windungen und ein gutes Maß an Geduld für den Darsteller. Wenn die Geduld für ein solches Experiment nicht ausreicht, können Sie Folgendes tun, was viel einfacher ist: Vertauschen Sie die direkten und inversen Eingänge und drehen Sie den variablen Widerstand, um zu beobachten, wie sich die LED verhält, d. H. Komparatorausgang.

Abbildung 1 zeigt nur ein Blockdiagramm, sodass die Pin-Nummern nicht angezeigt werden. Wenn Sie einen echten Komparator prüfen, müssen Sie sich mit seiner Pinbelegung (Pinbelegung) befassen. Als nächstes werden einige praktische Pläne betrachtet und eine kurze Beschreibung ihrer Arbeit gegeben.

In einem Fall gibt es häufig mehrere Komparatoren, zwei oder vier, mit denen Sie verschiedene Geräte erstellen können, ohne zusätzliche Chips auf der Platine zu installieren. Komparatoren können unabhängig voneinander sein, haben jedoch in einigen Fällen interne Verbindungen. Betrachten Sie als solchen Chip den Doppelkomparator MAX933.

Komparator MAX933

Zwei Komparatoren „leben“ in einem Gehäuse der Mikroschaltung. Zusätzlich zu den Komparatoren selbst befindet sich im Mikrokreis eine eingebaute 1,182-V-Spannungsreferenzquelle. In der Abbildung ist es in Form einer Zenerdiode dargestellt, die bereits in der Mikroschaltung angeschlossen ist: zum oberen Komparator zum inversen Eingang und zum unteren zur geraden Linie. Dies macht es einfach, einen mehrstufigen Komparator nach den Prinzipien von "Little", "Norm", "Many" (Unterspannungs- / Überspannungsdetektoren) zu erstellen. Solche Komparatoren werden als Fenster bezeichnet, da die "Norm" -Position im "Fenster" zwischen "wenigen" und "vielen" liegt.

Studienvergleichsprogramm Multisim

Abbildung 2 zeigt die Messung der Referenzspannung, die mit der Multisim-Simulationssoftware erzeugt wurde. Die Messung wird mit einem XMM2-Multimeter durchgeführt, das 1,182 V anzeigt, was vollständig dem im Datenblatt des Komparators angegebenen Wert entspricht. Pin 5 HYST, - Hystereseeinstellung, wird in diesem Fall nicht verwendet.

Abbildung 2

Mit dem Schalter S1 können Sie den Eingangsspannungspegel und gleichzeitig an beiden Komparatoren einstellen: Ein geschlossener Schalter versorgt die Eingänge mit einem niedrigen Pegel (kleiner als die Referenzspannung), wie in Abbildung 3 dargestellt, ein offener Zustand entspricht einem hohen Pegel. - Abbildung 4. Zustand der Ausgänge der Komparatoren gezeigt durch Multimeter XMM1, XMM2.

Kommentare zu den Abbildungen sind völlig überflüssig - um die Logik der Komparatoren zu verstehen, genügt es, die Messwerte der Multimeter und die Position des Schalters S1 sorgfältig zu berücksichtigen. Es sollte nur hinzugefügt werden, dass ein solches Schema zur Überprüfung eines echten "Eisen" -Komparators empfohlen werden kann.

Abbildung 3

Abbildung 4

Spannungsprüfkreis

Die im Datenblatt gezeigte Schaltung eines solchen Komparators ist in Fig. 5 gezeigt.

Für Ausgangssignale mit Unterspannung (OUTA) und Überspannung (OUTB) ist der aktive Signalpegel niedrig, wie durch Unterstreichen der Signale von oben angezeigt. Manchmal wird für diese Zwecke das Zeichen "-" oder "/" vor dem Signalnamen verwendet. Diese Signale können als Alarme bezeichnet werden.

Das Signal POWER GOOD wird ausgegeben logisches Element UNDwenn beide Alarme eine logische Einheitsebene haben. Das aktive POWER GOOD-Signal ist hoch.

Wenn mindestens einer der Alarme niedrig ist, verschwindet das Signal POWER GOOD - es wird auch niedrig. Dies ermöglicht es erneut zu überprüfen, ob die logische Schaltung AND für niedrige Pegel ein logisches ODER ist.

Abbildung 5. Komparatorschaltung

Die gesteuerte Eingangsspannung wird über den Teiler R1 ... R3 geliefert, dessen Wert unter Berücksichtigung des Bereichs der geregelten Spannungen berechnet wird. Das Berechnungsverfahren ist auch anhand eines Beispiels im Datenblatt angegeben.

Um das Rattern während des Schaltens zu reduzieren, wird der Hysteresewert mit dem Teiler R4, R5 eingestellt. Diese Widerstände werden nach den ebenfalls im Datenblatt angegebenen Formeln berechnet. Für die im Diagramm angegebenen Werte beträgt der Hysteresewert 50 mV.

Sicherungsverwaltungsschema

Ähnliche Schemata werden beispielsweise in verwendet Alarmsysteme. Der Operationsalgorithmus dieser Schemata ist recht einfach. Wenn die Netzspannung ausfällt, schaltet das Sicherheitssystem auf Batteriebetrieb um. Wenn das Netzwerk wiederhergestellt ist, funktioniert es wieder über die Stromversorgung, während die Batterie geladen wird. Um einen solchen Algorithmus zu implementieren, müssen mindestens zwei Faktoren bewertet werden: das Vorhandensein einer Netzspannung und der Zustand der Batterie.

Die Funktionssteuerschaltung ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6. Das Backup-Energieverwaltungsschema auf einem einzelnen Chip

Die gleichgerichtete Spannung + 9VDC wird über die Diode dem Spannungsregler zugeführt, von dem aus das Sicherheitsgerät mit Strom versorgt wird. In diesem Fall ist der Teiler R1, R2 ein Netzwerkspannungssensor, der vom unteren Komparator mit OUTA-Ausgang überwacht wird. Wenn eine Netzspannung anliegt und innerhalb des Rahmens liegt, befindet sich am Ausgang des unteren Komparators eine Logikeinheit, die den Feldeffekttransistor Q1 öffnet, über den die Batterie geladen wird. Das gleiche Signal steuert die Netzwerkbetriebsanzeige.

Wenn die Netzspannung ausfällt oder abnimmt, erscheint am Ausgang des Komparators eine logische Null, der Feldeffekttransistor schließt, die Batterie wird nicht mehr aufgeladen, die Netzwerkbetriebsanzeige erlischt oder verfärbt sich anders. Das Auftreten eines Tonsignals ist ebenfalls möglich.

Eine über eine Schaltdiode geladene Batterie ist mit dem Stabilisator verbunden, und das Gerät arbeitet offline weiter. Um die Batterie vor einer vollständigen Entladung zu schützen, überwacht ein anderer Komparator ihren Zustand, der oberste gemäß dem Schema.

Während die Batterie noch nicht entladen ist, ist die Spannung am inversen Eingang des Komparators B höher als die Referenz, daher ist der Ausgangspegel des Komparators niedrig, was der normalen Ladung der Batterien entspricht. Wenn die Entladung auftritt, fällt die Spannung an den Teilern R3, R4 ab, und wenn sie niedriger als die Referenz wird, wird am Ausgang des Komparators ein hoher Pegel hergestellt, der eine schwache Batterie anzeigt. Meistens wird dieser Zustand durch das störende Quietschen des Geräts angezeigt.

Zeitverzögerungsschaltung

In Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7. Schema der Zeitverzögerung am Komparator

Das Schema funktioniert wie folgt. Durch Drücken der Taste MOMENTARY SWITCH wird der Kondensator C auf die Spannung der Stromquelle aufgeladen. Dies führt dazu, dass die Spannung am Eingang IN + höher wird als die Referenzspannung am Eingang IN-. Daher ist der Ausgang OUT auf einen hohen Pegel eingestellt.

Nach dem Loslassen der Taste beginnt sich der Kondensator über den Widerstand R zu entladen, und wenn die Spannung an ihm und damit am Eingang IN + unter die Referenzspannung am Eingang IN- fällt, ist der Ausgangspegel des Komparators OUT niedrig. Wenn Sie die Taste erneut drücken, wird alles erneut wiederholt.

Die Referenzspannung am Eingang IN- wird mit einem Teiler aus drei Widerständen eingestellt und beträgt im Diagramm 100 mV. Der gleiche Teiler stellt die Hysterese des Komparators (HYST) auf 50 mV ein. Somit wird der Kondensator C auf eine Spannung von 100 - 50 = 50 mV entladen.

Der Stromverbrauch des Geräts selbst ist gering, nicht mehr als 35 Mikroampere, während der Ausgangsstrom 40 mA erreichen kann.

Die Zeitverzögerung wird nach der Formel R * C * 4,6 Sekunden berechnet. Ein Beispiel ist die Berechnung mit den folgenden Daten: 2M & # 937; * 10 uF * 4,6 = 92 s. Wenn der Widerstand in Megaohm angegeben ist, die Kapazität in Mikrofarad angegeben ist, wird das Ergebnis in Sekunden erhalten. Dies ist jedoch nur ein berechnetes Ergebnis. Die tatsächliche Zeit hängt von der Spannung der Stromquelle und der Qualität des Kondensators sowie von seinem Leckstrom ab.

Einige einfache Komparatorschaltungen

Die Basis der Schaltungen, die später betrachtet werden, ist ein Gradientenrelais, eine Schaltung, die nicht auf das Vorhandensein eines Signals reagiert, sondern auf die Änderungsrate. Einer dieser Sensoren ist Fotorelaisdessen Diagramm ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8. Schema des Fotorelais am Komparator

Das Eingangssignal wird von dem Teiler erhalten, der durch den Widerstand R1 und die Fotodiode VD3 gebildet wird. Der gemeinsame Punkt dieses Teilers über die Dioden VD1 und VD2 ist mit dem direkten und invertierenden Eingang des Komparators DA1 verbunden. Somit stellt sich heraus, dass die direkten und inversen Eingänge die gleiche Spannung haben, d.h. Es gibt keinen Unterschied zwischen den Spannungen an den Eingängen. Mit diesem Zustand an den Eingängen ist die Empfindlichkeit des Komparators nahezu maximal.

Um den Zustand des Komparators zu ändern, wird die Spannungsdifferenz an den Eingängen in Einheiten von Millivolt benötigt. Hier geht es darum, wie Sie Ihren kleinen Finger in den Abgrund drücken, der am Rand eines Steins hängt. In der Zwischenzeit liegt am Ausgang des Komparators eine logische Null an.

Wenn sich die Beleuchtung plötzlich ändert, ändert sich auch die Spannung an der Fotodiode, vorausgesetzt, sie steigt an. Es scheint, dass sich gleichzeitig die Spannung an beiden Eingängen des Komparators sofort ändert. Daher funktioniert die gewünschte Spannungsdifferenz an den Eingängen nicht, und daher ändert sich der Zustand des Ausgangs des Komparators nicht.

All dies wäre so, wenn Sie nicht auf den Kondensator C1 und den Widerstand R3 achten. Dank dieser RC-Schaltung steigt die Spannung am invertierten Eingang des Komparators mit einer gewissen Verzögerung gegenüber dem direkten Eingang an. Für die Verzögerungszeit ist die Spannung am direkten Eingang größer als am inversen. Infolgedessen erscheint am Ausgang des Komparators eine logische Einheit. Dieses Gerät wird nicht lange gehalten, nur für die Verzögerungszeit aufgrund der RC-Kette.

Ein ähnliches Fotorelais wird in Fällen verwendet, in denen sich die Beleuchtung schnell genug ändert. Beispielsweise reagiert das Gerät in Sicherheitsvorrichtungen oder Sensoren für Fertigprodukte auf Förderbändern auf eine Unterbrechung des Lichtflusses. Eine weitere Option ist die Ergänzung des Videoüberwachungssystems. Wenn Sie den Fotosensor auf den Bildschirm richten, erkennt er eine Helligkeitsänderung und enthält beispielsweise ein Audiosignal, das die Aufmerksamkeit des Bedieners auf sich zieht.

Es ist sehr einfach, das betrachtete Fotorelais in einen Temperaturänderungssensor zu verwandeln, z Feueralarm. Ersetzen Sie dazu einfach die Fotodiode durch einen Thermistor. In diesem Fall muss der Wert des Widerstands R1 gleich dem Wert des Thermistors sein (normalerweise angegeben für eine Temperatur von 25 ° C). Ein Diagramm dieses Sensors ist in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9. Diagramm eines Temperaturmesssensors an einem Komparator

Das Prinzip und die Bedeutung der Arbeit sind genau die gleichen wie die des oben beschriebenen Photosensors. Dieses Design zeigt aber auch das einfachste Ausgabegerät - dies ist der Thyristor VS1 und das Relais K1. Wenn der Komparator aktiviert ist, öffnet der Thyristor VS1, wodurch das Relais K1 eingeschaltet wird.

Da der Thyristor in diesem Fall in einem Gleichstromkreis arbeitet, bleibt der Thyristor offen und das Relais K1 wird eingeschaltet, selbst wenn der Steuerimpuls vom Komparator endet. Um das Relais auszuschalten, müssen Sie die Taste SB1 drücken oder einfach den gesamten Stromkreis ausschalten.

Anstelle eines Thermistors können Sie einen Magnetowiderstand verwenden, z. B. SM-1, der auf ein Magnetfeld reagiert. Dann erhalten Sie ein magnetisch empfindliches Gradientenrelais. Magnetowiderstände wurden im letzten 20. Jahrhundert in den Tastaturen einiger Computer verwendet.

Wenn Sie andere Sensoren verwenden, können Sie auf der Grundlage des Gradientenrelais leicht völlig andere Geräte herstellen, die auf Änderungen des elektrischen Feldes und auf Schallschwingungen reagieren. Mit piezoelektrischen Sensoren lassen sich leicht Stoßsensoren und seismische Schwingungen erzeugen.

Mit Hilfe von Komparatoren ist es ganz einfach, das „analoge“ Signal in ein „digitales“ Signal umzuwandeln. Ein ähnliches Schema ist in Abbildung 10 dargestellt.

Abbildung 10. Schema zur Umwandlung eines „analogen“ Signals in ein „digitales“ Signal mithilfe eines Komparators

Fig. 11 zeigt dieselbe Schaltung, nur die Polarität der Ausgangsimpulse ist umgekehrt zur vorherigen. Dies wird einfach durch die Einbeziehung anderer Eingaben erreicht.

Abbildung 11.

Beide Schaltungen wandeln die Amplitude des Eingangssignals in die Breite des Ausgangsimpulses um. Eine solche Umwandlung wird häufig in verschiedenen elektronischen Schaltungen verwendet. Zunächst bei Messgeräten, Schaltnetzteilen, digitalen Verstärkern.

Der Frequenzbereich der Geräte liegt im Bereich von 5 ... 200 kHz, die Amplitude des Eingangssignals im Bereich von 2 ... 2,5 V. Bei Verwendung einer Germaniumdiode beginnt die Umwandlung der Amplitude in die Impulsbreite bei einem Pegel von 80 ... 90 mV, während dieser Wert für eine Siliziumdiode 250 ... 270 mV beträgt.

Das Betriebsfrequenzband der Vorrichtung wird durch die Nennwerte der Kondensatoren C1, C2 bestimmt. Ein Gerät, das aus zu wartenden Teilen zusammengesetzt ist, muss nicht angepasst und ein Ansprechschwellenwert eingestellt werden.