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Die Ausbreitung digitaler Schaltungen, die seit mehreren Jahrzehnten durch immer modernere Logikchips, Mikroprozessoren und Mikrocontroller vorangetrieben wird, hat einige dazu veranlasst, fälschlicherweise das Ende der Ära der analogen Schaltungen zu prophezeien. Aber die Welt um uns herum ist (größtenteils) analog und es ist unmöglich, sich von Signalen zu lösen, die sich ständig ändern. Ein Spannungswert (z.B. von einem analogen Sensor) kann durch Messung mit einem Analog-Digital-Wandler (entweder extern oder in die Struktur eines Mikrocontrollers eingebaut, wie z.B. der ATmega-Chip in einem Arduino-Board) in eine digitale Schaltung eingespeist werden. Wir müssen jedoch nicht immer den genauen Wert des Signals kennen – oft reicht es aus zu wissen, ob die Spannung höher oder niedriger als ein bestimmter Schwellenwert ist. In solchen Situationen sind Spannungskomparatoren hilfreich- wahrscheinlich eine der einfachsten analogen integrierten Schaltungen.
Wie funktioniert der Komparator?
Der Aufbau und das Funktionsprinzip eines Spannungskomparators sind trivial einfach: Die Spannung am Ausgang der Schaltung hängt von der Spannungsdifferenz an den beiden Eingängen ab. Einer dieser Eingänge wird als nicht-invertierender Eingang bezeichnet, der andere als invertierender Eingang. Am Ausgang des Komparators liegt ein hoher Zustand vor (zur Vereinfachung können wir annehmen, dass es sich um eine Spannung in der Nähe der Versorgungsspannung der Schaltung handelt, z. B. 5 V), wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang (mit einem Pluszeichen „+“ gekennzeichnet), natürlich gemessen in Bezug auf die Masse der Schaltung, höher ist als die Spannung am invertierenden Eingang („-“). Im umgekehrten Fall liegt am Ausgang des Komparators ein Low-Zustand vor. Auf diese Weise lässt sich leicht feststellen, welcher Eingang die höhere Spannung aufweist, und wir brauchen die genauen Werte dieser Spannungen nicht zu kennen – wir sind nur am Ergebnis des Vergleichs interessiert. Am Ausgang des Komparators kann man also nicht erkennen, wie groß die „gemessene“ Differenz ist – der Zustand des Ausgangs ist bei einer Differenz von 20 mV der gleiche wie bei zwei Volt – natürlich nur, wenn die Differenzen „zugunsten“ desselben Eingangs sind. Die Funktionsweise eines Spannungskomparators kann durch ein Diagramm dargestellt werden, bei dem die horizontale Achse die Differenz der Eingangsspannungen und die vertikale Achse die Spannung am Ausgang angibt. Wie Sie sehen, kann die Spannung zwischen den Eingängen des Komparators über einen Bereich hinweg gleichmäßig variieren, während der Ausgang immer nur einen bestimmten Spannungswert erhält – einen logischen Zustand.
Die Funktionsweise des Komparators kann auch auf eine etwas andere Weise betrachtet werden. Angenommen, wir schließen den invertierenden Eingang an ein festes Potential an (z.B. die Hälfte der Versorgungsspannung – zwei Widerstände in einer Teilerschaltung können zu diesem Zweck verwendet werden), das wir als Referenzspannung bezeichnen werden. Ein hoher Zustand am Ausgang des Komparators zeigt dann an, dass die Spannung am nicht-invertierenden Eingang höher ist als die Referenzspannung. Wenn Sie die Funktionsweise eines Spannungskomparators auf diese Weise verstehen, wird es viel einfacher, potenzielle Anwendungen zu identifizieren: Dazu gehören vor allem automatische Temperaturkontrollsysteme (Thermostate) oder Schaltungen zur Überwachung von Batterien oder Batteriespannungen. Bevor wir jedoch auf die spezifischen Anwendungen dieser nützlichen Komponenten eingehen, sollten noch ein paar sehr wichtige praktische Aspekte erwähnt werden.
Hysterese – was ist das?
Stellen Sie sich vor, dass an den invertierenden Eingang des Komparators eine konstante Spannung angelegt wird, die z.B. der Hälfte der Versorgungsspannung entspricht. Lassen Sie ein Potentiometer, das auf die Minimalposition voreingestellt ist, an den zweiten Eingang anschließen – am Ausgang des Komparators wird ein niedriger Zustand herrschen. Eine langsame Erhöhung der Spannung (durch Drehen des Potentiometerknopfes) wird irgendwann dazu führen, dass sich die Spannungen an beiden Eingängen angleichen. Man könnte meinen, dass der Spannungskomparator beim “Überschreiten” der Auslöseschwelle den Ausgang sofort auf einen hohen Wert schaltet und diesen Zustand beibehält. Nichts könnte weiter von der Wahrheit entfernt sein – in unmittelbarer Nähe der Schaltschwelle erzeugt der Komparator zufällige Wellenformen (Impulse), die irgendwann abklingen und den Ausgang in einen stabilen hohen Zustand versetzen. Diese Oszillationen sind auf die nicht idealen Eigenschaften sowohl des Komparators selbst als auch aller anderen Schaltungskomponenten zurückzuführen. In jeder elektronischen Schaltung gibt es Rauschen (zufällige, kleine Spannungsänderungen) – dies ist unter anderem auf Phänomene zurückzuführen, die mit der von Null abweichenden Temperatur der Schaltungskomponenten zusammenhängen (sogenanntes thermisches Rauschen). Wenn sich der Spannungskomparator in der Nähe der Schaltschwelle befindet, reichen diese kleinen Änderungen aus, um den Komparatorausgang zwischen einem hohen und einem niedrigen Zustand umzuschalten. Erst wenn eine ausreichend ‘ausgeprägte’ Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen der Schaltung erreicht ist, wird sich der Ausgang auf einen bestimmten logischen Zustand einpendeln. Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, dass, wenn ein Spannungskomparator mit einem Sensor (z.B. einem Fotowiderstand) arbeitet, andere, viel größere Schwankungen (z.B. kleine Änderungen der Beleuchtung durch die Frequenz des Stromnetzes) ins Spiel kommen. Was kann man also tun, um sicherzustellen, dass der Komparator “zuverlässig und stabil” arbeitet? Es ist die Hysterese, die hier Abhilfe schafft.
Hysterese (im Falle eines Spannungskomparators) ist das Phänomen, dass sich das System ungleichmäßig verhält, wenn die Spannungsdifferenz steigt oder sinkt. Mit anderen Worten, die Schaltschwelle ist etwas anders, wenn die Spannung am ‘Signal’-Eingang (in unserem Fall der nicht-invertierende Eingang) über die Referenzspannung steigt und anders, wenn sie darunter fällt. Ein mit Hysterese “ausgestatteter” Komparator schaltet nur dann in den High-Zustand, wenn die steigende Spannung am nicht-invertierenden Eingang die Referenzspannung um einen bestimmten Wert “übersteigt”. In ähnlicher Weise wird am Ausgang nur dann ein Low-Zustand angezeigt, wenn die Spannung um diesen kleinen Wert unter die Referenzspannung fällt.
Um eine Hysterese in den Betriebsschaltkreis des Spannungskomparators ‘einzuführen’, sind zwei Widerstände erforderlich. Der erste muss zwischen dem Ausgang des Komparators und seinem nicht-invertierenden Eingang geschaltet werden. Der zweite zwischen der Signalquelle (Spannung) und dem nicht-invertierenden Eingang.
Eine solche zusätzliche Schaltung führt eine so genannte positive Rückkopplung ein. Das bedeutet, dass jede Spannungsänderung am Ausgang zum Eingang “zurückkehrt” und die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen weiter erhöht. Eine positive Rückkopplung, die bewusst und mit Bedacht eingesetzt wird, ermöglicht zuverlässige, vorhersehbare Änderungen und reduziert effektiv die Auswirkungen unerwünschter Schwingungen der Ausgangsspannung.
Die Widerstandswerte sollten so gewählt werden, dass der Widerstand R1 einen deutlich größeren Wert hat (z.B. das 100-fache) als der Widerstand R2. Als Näherung kann man annehmen, dass die Breite der Hystereseschleife gleich dem Produkt aus der Versorgungsspannung des Komparators und dem Verhältnis des Wertes des Widerstandes R2/R1 ist. Bei einem Spannungskomparator, der mit 5 V versorgt wird und mit Widerständen R1 von 100 kΩ und R2 von 1kΩ ‘ausgestattet’ ist, beträgt der ‘Abstand’ zwischen den Schaltschwellen beispielsweise 50 mV. Für die meisten Anwendungen ist dieser Wert völlig ausreichend – für Schaltungen, die eine höhere Präzision erfordern, können Sie das Verhältnis der Widerstände R2 und R1 erhöhen, und für besonders stark verzerrte Signale lohnt es sich, über eine weitere Vergrößerung der Breite der Hystereseschleife nachzudenken.
OC-Ausgang oder Push-Pull – das ist hier die Frage
Bei älteren Komparatorentypen hat sich schon vor Jahrzehnten der Komparatorausgang mit offenem Kollektor (engl. open collector) als Standard durchgesetzt. Dies bedeutet, dass am Ausgang ein Transistor vorhanden ist, dessen Drain oder Kollektor direkt mit dem Ausgangszweig verbunden ist. Auf diese Weise erhält man eine Art von Digitalausgang, der mit einem Widerstand auf die positive Versorgungsschiene, z. B. auf 5 V, „hochgezogen“ werden muss – dann kann man dort normale logische Zustände empfangen (d. h. 0 V als niedriger Zustand und 5 V als hoher Zustand). Wenn wir hingegen keinen Pull-up-Widerstand anschließen, kann der Ausgang nur mit Masse kurzgeschlossen werden. Es gibt also keine geeignete Spannung, um einen bestimmten logischen Zustand zu kennzeichnen. Die beschriebene Konfiguration des Ausgangs eines Komparators mit offenem Kollektor kann jedoch zum Betreiben eines kleinen Stroms, z. B. mit einer LED, verwendet werden, sofern der Katalog der integrierten Schaltung die Information enthält, dass der Ausgangstransistor in der Lage ist, einen solchen Strom zu betreiben.
Ein Push-Pull-Ausgang hingegen ist typisch für fast alle digitalen Schaltungen, die heute verwendet werden. Die beiden Transistoren in ihm sind so miteinander verbunden, dass Strom sowohl aus dem Ausgang heraus als auch in ihn hinein fließen kann (im Gegensatz zu einem offenen Kollektor, bei dem Strom nur hinein fließen kann). Ein Push-Pull-Ausgang kann z.B. direkt mit dem Eingang eines Mikrocontrollers oder einer anderen Schaltung verbunden werden, da dieser logische Zustand, d.h. die Spannung, die den aktuellen Zustand des Komparators widerspiegelt, bereits standardmäßig an ihm erscheint. Daher ist für den Push-Pull-Ausgang kein zusätzlicher Pull-Up-Widerstand erforderlich.
Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche
Aus dem vorherigen Abschnitt dieses Artikels haben Sie gelernt, dass ein Spannungskomparator den Unterschied in den Eingangsspannungen zwischen einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang erkennen kann. Wir haben jedoch noch nicht genau besprochen, wie groß der Bereich der Spannungen ist, die wir auf diese Weise testen können. Nun, die meisten Komparatoren auf dem Markt erlauben es uns nicht, Spannungen nahe der Masse, d.h. bis 0 V, und der Versorgungsspannung, d.h. bis zu unseren vertraglichen 5 V, zu testen. Der Bereich ist etwas geringer – in einigen Fällen kann er das Massepotenzial einschließen, d.h. er kann Spannungen von 0 V oder sehr nahe an diesem Bereich testen. Andererseits sind die Werte nach oben hin etwas begrenzt, z.B. beim beliebten Komparator LM393 reicht der Eingangsspannungsbereich von 0 V (d.h. ab Massepotential) bis zum Wert der Versorgungsspannung, minus 1,5 V. Wenn wir also Signale in den Eingang des Komparators einspeisen, die innerhalb des Bereichs von 0 bis 3,5 V liegen (wenn der Komparator mit 5 V versorgt wird), dann funktioniert die Schaltung korrekt. Wenn wir hingegen diesen Bereich überschreiten, d.h. eine Spannung von 4 V an einem oder beiden Eingängen erscheint, erfüllt der Komparator seine Aufgabe nicht.
Der Bereich der Ausgangsspannungen liegt sehr nahe bei den Versorgungsspannungen und wir können grob davon ausgehen, dass er einem bestimmten Versorgungsbereich entspricht, d.h. von 0 V bis zur Versorgungsspannung. Es ist wichtig, dies zu bedenken, denn wenn wir nicht sicherstellen, dass die Eingangsspannungen innerhalb des im Datenblatt angegebenen Standards liegen, kann der Spannungskomparator auf unvorhersehbare Weise arbeiten.
Anwendungen von Spannungskomparatoren
Komparatoren können, wie bereits erwähnt, überall dort eingesetzt werden, wo ein analoges Signal, d.h. ein Signal, das sich über einen bestimmten Spannungsbereich gleichmäßig ändert, sozusagen in ein binäres Signal umgewandelt werden soll, d.h. ein Null-Eins-Signal (entweder ein niedriger Zustand – oder ein hoher Zustand). Ein gutes Beispiel für die Verwendung von Komparatoren sind Reflexionssensoren, auch bekannt als Reflexionsoptokoppler, die sehr gerne und häufig in mobilen Robotern des Typs Minisumo oder line follower eingesetzt werden. Bei line follower-Robotern kann mit einer solchen Lösung die Linie, entlang der sich der Roboter bewegt, zuverlässig erkannt werden. Bei Minisumo-Robotern hingegen geht es natürlich darum, den Rand des Rings zu erkennen, in dem der Roboterkampf stattfindet, das so genannte ‘Dojo’. Wenn Sie z.B. ein Potentiometer verwenden, um die Auslöseschwelle der Komparatoren einzustellen, so dass Sie den Wert der Referenzspannung stufenlos anpassen können, dann können Sie sicher sein, dass der Mikrocontroller, der den Roboter steuert, genaue Informationen darüber erhält, wann die Linie überquert wurde und wann nicht. Dies ist besonders wichtig, wenn der Roboter unter ungünstigen Bedingungen arbeitet, d.h. bei starker oder – noch schlimmer – wechselnder Außenbeleuchtung. Wenn Sie dann keinen Komparator mit einer geeigneten Hystereseschwelle verwenden, könnte dies dazu führen, dass der Roboter falsche Informationen von den Sensoren erhält.
Eine weitere Anwendung des Spannungskomparators ist ein einfaches Thermostat. An einen seiner Eingänge (z.B. einen nicht-invertierenden Eingang) schließen wir ein Potentiometer an, mit dem wir die eingestellte Temperatur stufenlos einstellen können, während wir an den anderen Eingang (in diesem Fall invertierend) einen Temperatursensor anschließen. An den Ausgang des Komparators können Sie zum Beispiel ein Relais anschließen – eine Heizung, die aktiviert wird, wenn die Temperatur unter den eingestellten Schwellenwert fällt, und die deaktiviert wird, wenn die Temperatur ansteigt. Auf diese sehr einfache Weise können wir auch einen Regler für andere physikalische Größen bauen, sofern wir in der Lage sind, einen solchen Wert mit einem geeigneten Sensor zu messen, der eine von der gemessenen Größe abhängige Spannung erzeugt, und wir in der Lage sind, ein ausführendes Element zu steuern, das diesen Wert regulieren kann.
Zusammenfassung
In diesem Artikel haben Sie sich vielleicht mit Spannungskomparatoren vertraut gemacht, die in einer Vielzahl von elektronischen Schaltungen sehr nützlich sind. Mit ihnen lässt sich nicht nur im 0:1- Prinzip feststellen, ob eine bestimmte Spannung niedriger oder höher als ein voreingestellter Schwellenwert ist, sondern auch zwei verschiedene Spannungen miteinander vergleichen und feststellen, welche davon zu einem bestimmten Zeitpunkt höher ist. Der Einsatz von Komparatoren lohnt sich immer dann, wenn wir z.B. einen analogen Sensor an einen Mikrocontroller anschließen wollen, wir aber nicht an einem bestimmten, exakten Messwert dieses Sensors interessiert sind, sondern nur an der Information, ob die Ausgangsspannung des Sensors den gewünschten Wert erreicht hat. Im Botland-Shop finden Sie Hochgeschwindigkeits-Einkanal- und Zweikanal-Komparatoren mit einem großen Spannungsbereich. Sie sind entweder in Durchsteck- (THT) oder Oberflächenmontage- (SMD) Ausführung erhältlich. Sie finden auch fertige Spaltsensormodule, die mit einem Komparator ausgestattet sind. Sie können sie als Grenzwertgeber in 3D-Druckern, CNC- Maschinen, Maschinen aller Art und auch beim Bau eigener Encoder einsetzen. Und das Vibrationssensormodul können Sie zum Aufbau von Alarmsystemen verwenden.
