Při návrhu elektronických obvodů je často nutné porovnávat úroveň dvou napětí. K tomu se používá zařízení, jako je komparátor. Název uzlu se vrací k latinskému comparare, nebo spíše k angličtině porovnávat - porovnávat.
Obsah
Co je to komparátor napětí
V obecném případě je komparátor zařízení, které má dva vstupy pro dodávání porovnávaných hodnot (napětí) a výstup pro výsledek porovnání. Komparátor má dva vstupy pro dodávání porovnávaných parametrů - přímý a inverzní. Výstup je nastaven na logickou jednotku, když napětí přímého vstupu překročí inverzní, a nula - pokud je to naopak. Pokud je s kladným rozdílem mezi inverzním a přímým vstupem nastavena jedna a v opačné situaci - nula, pak se takový komparátor nazývá invertující.
Princip činnosti komparátoru
Je vhodné postavit na komparátor operační zesilovač (OU).K tomu se přímo využívají jeho vlastnosti:
- zesílení rozdílu signálu mezi přímým a invertujícím vstupem;
- nekonečný (v praxi - od 10000 a výše) faktor zesílení.
Provoz operačního zesilovače jako komparátoru lze uvažovat s následujícím schématem přepínání:
Nechť existuje operační zesilovač se ziskem 10000, napájecí napětí je bipolární, + 5 V a mínus 5 V. dělič na invertujícím vstupu je referenční úroveň nastavena přesně na 0 voltů, na přímém vstupu se z jezdce potenciometru odebere mínus 5 voltů. Operační zesilovač by měl rozdíl zesílit 10 000x, teoreticky by se na výstupu mělo objevit napětí minus 50 000 voltů. Operační zesilovač ale takové napětí nemá kde vzít a vytváří maximum možného - napájecí napětí, mínus 5 voltů.
Pokud začnete zvyšovat napětí na přímém vstupu, operační zesilovač se pokusí nastavit rozdíl napětí mezi vstupy vynásobený 10 000. Uspěje, když se vstupní napětí přiblíží k nule a stane se přibližně mínus 0,0005 V. S dalším zvýšením vstupní napětí na kladném vstupu, výstup stoupne na nulu a výše a při napětí +0,0005 voltů se stane +5 V a dále se nezvýší - není kam. Když tedy vstupní napětí překročí nulovou úroveň (přesněji mínus 0,0005 voltu - + 0,0005), výstupní napětí poskočí z mínus 5 voltů na +5 voltů. Jinými slovy, dokud je napětí na přímém vstupu nižší než na invertujícím vstupu, je výstup komparátoru nastaven na nulu. Pokud je vyšší - jedna.
Zajímavý je úsek rozdílu hladin na vstupech od mínus 0,0005 voltu do + 0,0005.Teoreticky, když projde, dojde k hladkému nárůstu z negativního na kladné napájecí napětí. V praxi je tento rozsah velmi úzký a vlivem rušení, rušení, nestability napájecího napětí atp. při přibližné rovnosti napětí na vstupech dojde k chaotickému chodu komparátoru v obou směrech. Čím nižší je zisk operačního zesilovače, tím širší je toto okno nestability. Pokud komparátor ovládá akční člen, pak to způsobí jeho včasnou činnost (cvaknutí relé, přibouchnutí ventilu atd.), což může vést k jeho mechanickému selhání nebo přehřátí.
Aby se tomu zabránilo, vytvoří se mělká kladná zpětná vazba zapnutím odporu označeného přerušovanou čarou. To vytváří mírnou hysterezi, která posouvá spínací prahy při průchodu napětí nahoru a dolů vzhledem k referenční hodnotě. Například komparátor se přepne nahoru při 0,1 voltu a dolů přesně na nulu (v závislosti na hloubce zpětné vazby). Tím se odstraní okno nestability. Hodnota tohoto odporu může být od několika stovek kiloohmů do několika megaohmů. Čím nižší je odpor, tím větší je rozdíl mezi prahy.
Existují také specializované komparační integrované obvody. Například LM393. V takových mikroobvodech je vysokorychlostní operační zesilovač (nebo několik), lze nainstalovat vestavěný dělič, který vytváří referenční napětí. Dalším rozdílem mezi takovými komparátory a zařízeními postavenými na operačních zesilovačích pro všeobecné použití je to, že mnoho z nich vyžaduje unipolární napájení. Většina operačních zesilovačů vyžaduje bipolární napětí. Volba typu mikroobvodu se provádí při vývoji zařízení.
Vlastnosti digitálních komparátorů
Komparátory se používají i v digitální technice, i když to zní na první pohled paradoxně. Koneckonců, existují pouze dvě úrovně napětí - jedna a nula. A je zbytečné je porovnávat. Můžete však porovnat dvě binární čísla, která lze převést na libovolné analogové hodnoty (včetně napětí).
Nechť existují dvě binární slova stejné délky v bitech:
X=X3X2X1X0 a Y=Y3Y2Y1Y.
Jsou považovány za stejné, pokud jsou všechny bity stejné:
1101=1101 => X=Y.
Pokud je alespoň jeden bit odlišný, pak čísla nejsou stejná. Větší číslo je určeno bitovým porovnáním, počínaje nejvýznamnějším bitem:
- 1101>101 - zde je první bit X větší než první bit Y a X>Y;
- 1101>101 - první bity jsou stejné, ale druhý bit X je větší a X>Y;
- 111<1110 - Y má větší třetí bit a na větší hodnotě nejméně významné číslice X nezáleží, X<Y.
Realizace takového srovnání může být postavena na logických obvodech základních prvků AND-NOT, OR-NOT, ale jednodušší je použití hotových výrobků. Například 4063 (CMOS), 7485 (TTL), domácí K564IP2 a další řady mikroobvodů. Jsou to 2-8 bitové komparátory s odpovídajícím počtem datových a řídicích vstupů. Ve většině případů mají digitální komparátory 3 výstupy:
- více;
- méně;
- rovná se.
Na rozdíl od analogových zařízení s binárními komparátory není rovnost na vstupech nežádoucí situací a nesnažíme se jí vyhnout.
Takové zařízení lze také snadno sestavit programově pomocí funkcí booleovské algebry.Další možnost - mnoho mikrokontrolérů má "na palubě" analogové komparátory se samostatnými externími výstupy, které vydávají hotový výsledek porovnání dvou hodnot ve tvaru 0 nebo 1 do vnitřního obvodu. To šetří zdroje malých výpočetních systémů .
Kde se používá komparátor napětí?
Záběr srovnávače je široký. Na něm můžete například postavit prahové relé. K tomu potřebujete senzor, který převede jakoukoli hodnotu na napětí. Tato hodnota může být:
- úroveň osvětlení;
- úrověn hluku;
- hladina kapaliny v nádobě nebo zásobníku;
- jakékoli jiné hodnoty.
Potenciometrem lze nastavit úroveň spouštění komparátoru. Výstupní signál přes klíč je předán indikátoru nebo akčnímu členu.
Pokud zvýšíte hysterezi, pak může komparátor fungovat jako Schmittův spouštěč. Když je na vstup přivedeno pomalu se měnící napětí, výstup bude diskrétní signál se strmými čely.
Oba prvky mohou být spojeny do dvouprahového komparátoru nebo okénkového komparátoru.
Zde se prahové napětí nastavuje zvlášť pro každý komparátor - pro horní na přímém vstupu, pro spodní na inverzní. Volné vstupy jsou kombinované, jsou napájeny měřeným napětím. Výstupy jsou zapojeny podle schématu "montáž OR". Když napětí překročí nastavenou horní nebo dolní mez, jeden z komparátorů produkuje na výstupu vysokou úroveň.
Víceúrovňový komparátor je sestaven z několika prvků, které lze použít jako lineární indikátor napětí nebo hodnotu, která se převádí na napětí. Pro čtyři úrovně bude schéma následující:
V tomto obvodu je na vstup každého prvku přivedeno referenční napětí. Invertující vstupy jsou spojeny dohromady, přijímají měřený signál. Po dosažení spouštěcí úrovně se rozsvítí příslušná LED. Pokud jsou vyzařovací prvky uspořádány v řadě, získá se světelný pás, jehož délka se mění podle úrovně použitého napětí.
Stejný obvod lze použít jako analogově-digitální převodník (ADC). Převádí vstupní napětí na odpovídající binární kód. Čím více prvků je zahrnuto v ADC, tím větší je bitová hloubka, tím přesnější je převod. V praxi je použití řádkového kódu nepohodlné a pomocí kodéru se převádí na známý kód. Kodér může být postaven na logických prvcích, použít hotový mikroobvod nebo použít ROM s příslušným firmwarem.
Rozsah komparátorů v profesionálních i amatérských obvodech je různorodý. Správné použití těchto prvků umožňuje řešit širokou škálu problémů.
Podobné články:
