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In elektronischen Systemen ist es sehr oft notwendig, Messungen im laufenden Betrieb vorzunehmen, um die tatsächliche Größe mit dem Sollwert vergleichen zu können. Meistens geht es dabei um die direkte oder indirekte Messung von Spannungen, wobei die Spannung eine sekundäre Größe ist, deren Wert mit dem einer anderen sekundären Größe, z.B. der Temperatur, übereinstimmt. In diesen und ähnlichen Anwendungen werden Spannungskomparatoren verwendet, um solche Messungen durchzuführen. Komparatoren gibt es in Form von integrierten Schaltungen – in diesem Artikel werden wir die integrierte Schaltung LM324 betrachten, die vier unabhängige Spannungskomparatoren enthält, die sich eine Stromversorgung teilen.
Wie funktioniert der Komparator LM324?
Der Komparator LM324 ist ein beliebter integrierter Schaltkreis, der in der Elektronik zum Vergleich zweier Spannungen verwendet wird. Es handelt sich um eine Schaltung auf Basis eines bipolaren Transistors, die mit einer einzigen Spannungsquelle betrieben werden kann. Der LM324 Chip hat vier unabhängige Komparatoren, die Spannungen zwischen ihren beiden Eingängen vergleichen können. An jeden Komparator können zwei Spannungen angelegt werden: eine Referenzspannung (normalerweise am invertierenden Eingang) und eine Eingangsspannung (am anderen nicht-invertierenden Eingang). Der Komparator vergleicht diese Spannungen und erzeugt eine entsprechende Reaktion, je nachdem, welche Spannung größer ist. Das Ergebnis des Vergleichs ist ein niedriger Zustand (0) oder ein hoher Zustand (1) am Ausgang des Komparators, je nach dem Verhältnis zwischen den Spannungen an seinen Eingängen.
Komparator und Operationsverstärker
Obwohl der Komparator im Schaltplan mit dem gleichen Symbol gezeichnet ist wie der integrierte Operationsverstärker (das berühmte ‘magische Dreieck’), sind die beiden Schaltungen unterschiedlich und können nicht austauschbar verwendet werden. Komparatoren haben Differenzeingänge und einen Rail-to-Rail-Ausgang. Das Gleiche gilt für Operationsverstärker. Sie zeichnen sich durch einen geringen Offset, eine hohe Verstärkung und ein hohes CMRR-Verhältnis (co-modulated signal rejection ratio) aus. Komparatoren sind jedoch für den Open-Loop-Betrieb, die Steuerung von Logikschaltungen, den Hochgeschwindigkeitsbetrieb auch bei Übersteuerung und die Aufnahme hoher differentieller Eingangsspannungen ausgelegt.
Operationsverstärker hingegen sind für den Betrieb mit geschlossenem Regelkreis und die Ansteuerung einfacher ohmscher oder reaktiver Lasten ausgelegt – und nicht dafür, sich schnell von einer Übersteuerung zu erholen. Aber Operationsverstärker sind billiger, sind oft als Vierfachverstärker erhältlich, wie z.B. der TL074 und haben im Vergleich zu den meisten Komparatoren einen besseren Offsetstrom und eine bessere Polarisationsleistung.
Die Verwendung eines Operationsverstärkers als Komparator kann aus drei Hauptgründen zu Schwierigkeiten führen: Geschwindigkeit, logische Steuerbarkeit und die unterschiedlichen Nebeneffekte der Eingangsstrukturen. Komparatoren sind für den Betrieb mit Eingängen ausgelegt, die eine große Spannungsdifferenz aufweisen, während Operationsverstärker für den geregelten Betrieb ausgelegt sind, bei dem die beiden Eingänge sehr ähnliche Potentiale haben. Wenn ein Operationsverstärker eine differentielle Eingangsspannung von nur wenigen Millivolt erkennt, kann seine interne Schaltung in Sättigung geraten. Die Wiederherstellung des Zustands vor der Sättigung kann sehr langsam sein, und die Wiederherstellungszeit kann je nach Übersteuerungsgrad und abhängig von der spezifischen Hardware der Schaltung stark variieren. Eine solche Variabilität und ein solcher Geschwindigkeitsverlust können bei einem Komparator unerwünscht sein. Wenn der Operationsverstärker einen Rail-to-Rail-Ausgang hat und von denselben Stromquellen versorgt wird wie die Sättigungslogik, die er steuert (CMOS oder TTL), dann ist der Anschluss nicht schwierig. Wenn jedoch die Stromversorgung des Operationsverstärkers und der Logik unterschiedlich ist, ist eine zusätzliche Schnittstellenschaltung erforderlich, um die richtigen Pegel zu erreichen, was recht komplex sein kann. Schließlich haben die Eingänge des Operationsverstärkers normalerweise eine hohe Impedanz und einen geringen Polarisationsstrom. Wenn jedoch eine differentielle Eingangsspannung von mehr als ein paar hundert Millivolt an sie angelegt wird, ist dies möglicherweise nicht mehr der Fall und es kann zu allen möglichen abnormalen Verhaltensweisen, wie z.B. Oszillationen, kommen. Höhere Übersteuerungspegel können auch zu geringfügigen Schäden an den Eingangsstufen des Operationsverstärkers führen, was zu einem langsamen Aufbau langfristiger Leistungsveränderungen führt, die bei der Designentwicklung übersehen werden können.
Batterieladegerät mit LM324-Chip
In einem Batterieladegleichrichter kann der Komparator-IC LM324 verwendet werden, um die Batteriespannung zu überwachen und die Ladestufen zu bestimmen. In einer solchen Anwendung kann der Komparator verwendet werden, um die Batteriespannung mit vorgegebenen Referenzspannungen zu vergleichen, die Ladestufen wie Laden, Halten, Vollladung bestimmen. Basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs der Batteriespannung mit der Referenzspannung kann der Komparator den Betrieb des Ladegeräts steuern. Wenn die Batteriespannung beispielsweise unter einem bestimmten Wert liegt, was auf die Notwendigkeit des Ladens hinweist, kann der Komparator das Ladegerät zum Laden einschalten. Wenn die Spannung der Batterie einen bestimmten Wert erreicht, kann der Komparator den Ladevorgang abschalten. Der Komparator kann auch verwendet werden, um die Spannung der Batterie während des Ladevorgangs zu überwachen. Wenn die Spannung einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet, kann der Komparator den Ladevorgang unterbrechen, um zu verhindern, dass die Batterie überladen wird, was zu einer Beschädigung der Batterie führen könnte. Der Komparator kann auch zur Steuerung von LED-Anzeigen oder eines akustischen Signals verwendet werden, um den Benutzer über den Ladestatus des Akkus zu informieren, wie z.B. eine LED, die aufleuchtet, wenn der Akku geladen ist, oder ein akustisches Warnsignal, wenn die Spannung einen bestimmten akzeptablen Wert überschreitet. Die Funktion des Komparators im Batterieladegerät ist der Schlüssel zu einem sicheren und effizienten Ladevorgang und zur Verlängerung der Lebensdauer der Batterie durch die Steuerung der Ladespannung und des Ladestroms.
