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Komparatoren sind Schaltungen, die in vielen Bereichen der Elektronik eingesetzt werden und den Vergleich von Spannungs- oder Binärzahlen ermöglichen. Wie funktionieren sie und welche Arten gibt es?
Was ist ein Komparator?
Ein Komparator ist eine kleine integrierte Schaltungmit dem zwei Werte schnell und einfach verglichen werden können. Je nach den Eigenschaften der betreffenden Lösung ist der Messwert eine Spannung oder ein Binärzahlenpaar – im ersten Fall werden analoge Komparatoren, im zweiten Fall digitale Komparatoren verwendet. Wichtig ist, dass durch die Verwendung eines Komparators keine zwei getrennten Messungen vorgenommen werden müssen. Der Ausgang hängt von der Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen oder dem Verhältnis zwischen den Zahlen ab.
Wie ist der Komparator aufgebaut?
Je nach den Merkmalen einer bestimmten Lösung können die Komparatoren unterschiedlich gestaltet sein. Kleine Logikschaltungen werden in der Regel zum Vergleich von Binärzahlen verwendet – das häufigste Beispiel ist ein einfaches XNOR-Gatter, das nur dann ein positives Signal am Ausgang liefert, wenn die beiden Eingänge gleich sind.
Bei Analogkomparatoren ist das Grundelement stattdessen ein Differenzverstärker, der in der Regel aus mehreren Transistoren oder anderen aktiven Elementen besteht, die für den Vergleich zweier Spannungen zuständig sind. In der Schaltung befindet sich auch ein Ausgangsverstärker, dessen Aufgabe es ist, das Signal entsprechend zu verstärken und das endgültige Messergebnis zu erzeugen.
Der Spannungskomparator hat mindestens zwei Eingänge. Der eine ist mit einem Pluszeichen gekennzeichnet und ist ein nicht invertierender Eingang, während der andere ein invertierender Eingang mit einem Minuszeichen ist. Der erste ist mit der zu vergleichenden Spannung und der zweite mit einer Referenzspannung verbunden einer Referenzspannung die den Bezugspunkt für die Messung darstellt. Jeder Komparator benötigt außerdem eine Stromversorgung, um den ordnungsgemäßen Betrieb aller Komponenten des Geräts zu gewährleisten. Andere Komponenten können unter anderem Potentiometer, Filter oder Kompensationsschaltungen sein.
Komparator - Funktionsprinzip
Der Spannungskomparator funktioniert auf sehr einfache Weise. Seine Funktionsweise lässt sich auf ein einziges Prinzip reduzieren: Die Spannung am Ausgang des Schaltkreises ist abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen. In Bezug auf das Ergebnis sind die Zustände “low” und “high” zu erwähnen, die am Ausgang erscheinen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind.
Man spricht von einem High-Zustand am Ausgang der Schaltung, wenn die Spannung nahe der Versorgungsspannung liegt. Dies ist der Fall, wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang, die relativ zur Systemmasse gemessen wird, größer ist als der Wert am invertierenden Eingang. Der Low-Zustand hingegen tritt ein, wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang geringer ist als die am invertierenden Eingang.
Welche Arten von Spannungskomparatoren gibt es?
Bei der grundlegenden Einteilung der Komparatoren wird zwischen digitalen und analogen Geräten unterschieden, die zum Vergleich von Binärzahlen bzw. Spannungen verwendet werden. Doch das ist noch nicht alles: Spannungskomparatoren werden in mehrere Typen unterteilt, die sich in ihrer Bauweise und ihrem Einsatzzweck unterscheiden. Zu den am häufigsten verwendeten Typen gehören:
- Differenzialkomparatoren – grundlegende Komparatoren, deren Funktionsprinzip auf dem Vergleich der Spannungsdifferenz an ihren Eingängen beruht;
- Komparatoren mit interner Referenzspannung – zeichnen sich durch eine eingebaute Referenzspannung am invertierenden Eingang aus, so dass sie überall dort eingesetzt werden können, wo ein konstanter Referenzwert erforderlich ist;
- Komparatoren mit externer Referenzspannung – die Referenzspannung wird den Komparatoren von außen zugeführt, z. B. über ein Potentiometer;
- Hysteresekomparatoren – Systeme, die das Phänomen der Hysterese nutzen, um eine höhere Stabilität zu erreichen;
- Komparatoren mit schneller Reaktionszeit, die sich dadurch auszeichnen, dass sie das Ergebnis fast sofort erhalten. Sie werden in Systemen eingesetzt, die eine möglichst hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erfordern.
Hysterese in Komparatoren - was sollte man darüber wissen?
Einige Komparatoren machen sich das Phänomen der Hysterese zunutze, d. h. die Verzögerung von Änderungen am Ausgang des Systems gegenüber Änderungen am Eingang. Seine Aufgabe ist es, das so genannte Ausgangsblinken zu minimieren,das auftritt, wenn die Spannung an den Eingängen in der Nähe des Schwellenwerts liegt. Bei der Hysterese wird eine zusätzliche Spannungsschwelle eingeführt, die überschritten werden muss, damit sich der Komparatorausgang ändert.
Die Hysterese führt also zu einer gewissen Spannungsdifferenz zwischen dem Einschalt- und dem Ausschaltwert, die jeweils den oberen und den unteren Schwellenwert darstellen. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten bildet den so genannten Hysteresebereich. Das Vorhandensein einer Hysterese in den Komparatoren minimiert die Auswirkungen von Schwankungen in den Eingängen, die so gering sind, dass sie den Zustand des Schaltungsausgangs nicht verändern sollten. So können Sie sich auf maximale Stabilität des Geräts und zuverlässige Messungen verlassen.
Hysteresekomparatoren werden vor allem dort eingesetzt, wo das Eingangssignal sehr störanfällig, rauschbehaftet oder schwankungsanfällig ist. Dies sind Faktoren, die bei einer Vielzahl von elektronischen Systemen auftreten können, je nach ihrer Konstruktion und Verwendung – und sind daher Systeme, die in jeder Situation zu berücksichtigen sind.
Wo werden Komparatoren verwendet?
Spannungskomparatoren sind vielseitige Geräte, die vor allem in Systemen eingesetzt werden, in denen ein analoges Signal in ein binäres Signal umgewandelt werden muss. Sie werden unter anderem in Kontrollsystemen, bei der Schwellenwerterkennung, in der Signalverarbeitung, an Eingangs-/Ausgangsschnittstellen sowie in Alarm- und Messsystemen eingesetzt. Digitale Komparatoren hingegen ermöglichen den schnellen Vergleich zweier Zahlen mit wenigen, einfachen und kleinen Bauteilen, wodurch unter anderem Platz und Ressourcen in kleinen elektronischen Schaltungen eingespart werden können.
Beispiele für Komparatoranwendungen sind reflektierende Sensoren für mobile Roboter. Eine andere, etwas häufigere Anwendung sind Thermostate. Mit Spannungskomparatoren ist es auch einfach, andere Arten von Reglern für physikalische Größen zu bauen – in diesem Fall benötigen Sie einen zusätzlichen Sensor, der einen anderen Wert (z. B. Lärm, Licht oder Flüssigkeitspegel) in eine Spannung umwandelt. Beide Komparatoren und viele andere nützliche Schaltungen finden Sie in Robotik- und Elektronikgeschäften – schauen Sie mal bei Botland.
