{"id":88702,"date":"2020-01-07T13:00:24","date_gmt":"2020-01-07T12:00:24","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/komparator-napiecia-jak-to-dziala\/"},"modified":"2024-09-10T11:55:26","modified_gmt":"2024-09-10T09:55:26","slug":"spannungskomparator-wie-funktioniert-er","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/spannungskomparator-wie-funktioniert-er\/","title":{"rendered":"Spannungskomparator – Wie funktioniert er?"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 8<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Die Ausbreitung digitaler Schaltungen<\/strong>, die seit mehreren Jahrzehnten durch immer modernere Logikchips, Mikroprozessoren und Mikrocontroller vorangetrieben wird, hat einige dazu veranlasst, f\u00e4lschlicherweise das Ende der \u00c4ra der analogen Schaltungen zu prophezeien. Aber die Welt um uns herum ist (gr\u00f6\u00dftenteils) analog und es ist unm\u00f6glich, sich von Signalen zu l\u00f6sen, die sich st\u00e4ndig \u00e4ndern. 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 m\u00fcssen jedoch nicht immer den genauen Wert des Signals kennen – oft reicht es aus zu wissen, ob die Spannung h\u00f6her oder niedriger als ein bestimmter Schwellenwert ist<\/strong>. In solchen Situationen sind Spannungskomparatoren<\/a><\/strong> hilfreich- wahrscheinlich eine der einfachsten analogen integrierten Schaltungen. <\/p>\n\n\n\n

Wie funktioniert der Komparator?<\/h2>\n\n\n\n

Der Aufbau und das Funktionsprinzip eines Spannungskomparators<\/strong> sind trivial einfach: Die Spannung am Ausgang der Schaltung h\u00e4ngt von der Spannungsdifferenz an den beiden Eing\u00e4ngen ab<\/strong>. Einer dieser Eing\u00e4nge wird als nicht-invertierender Eingang bezeichnet, der andere als invertierender Eingang. Am Ausgang des Komparators liegt ein hoher Zustand<\/strong> vor (zur Vereinfachung k\u00f6nnen wir annehmen, dass es sich um eine Spannung in der N\u00e4he der Versorgungsspannung der Schaltung handelt, z. B. 5 V), wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang (mit einem Pluszeichen \u201e+\u201c gekennzeichnet), nat\u00fcrlich gemessen in Bezug auf die Masse der Schaltung, h\u00f6her ist als die Spannung am invertierenden Eingang (\u201e-\u201c). Im umgekehrten Fall liegt am Ausgang des Komparators ein Low-Zustand<\/strong> vor. Auf diese Weise l\u00e4sst sich leicht feststellen, welcher Eingang die h\u00f6here 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 gro\u00df die \u201egemessene\u201c Differenz ist – der Zustand des Ausgangs ist bei einer Differenz von 20 mV der gleiche wie bei zwei Volt – nat\u00fcrlich nur, wenn die Differenzen \u201ezugunsten\u201c 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 Eing\u00e4ngen des Komparators \u00fcber einen Bereich hinweg gleichm\u00e4\u00dfig variieren, w\u00e4hrend der Ausgang immer nur einen bestimmten Spannungswert erh\u00e4lt – einen logischen Zustand<\/strong>. <\/p>\n\n\n\n

Die Funktionsweise des Komparators kann auch auf eine etwas andere Weise betrachtet werden. Angenommen, wir schlie\u00dfen den invertierenden Eingang an ein festes Potential an (z.B. die H\u00e4lfte der Versorgungsspannung – zwei Widerst\u00e4nde in einer Teilerschaltung k\u00f6nnen 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 h\u00f6her ist als die Referenzspannung. Wenn Sie die Funktionsweise eines Spannungskomparators auf diese Weise verstehen, wird es viel einfacher, potenzielle Anwendungen zu identifizieren: Dazu geh\u00f6ren vor allem automatische Temperaturkontrollsysteme<\/strong> (Thermostate) oder Schaltungen zur \u00dcberwachung von Batterien oder Batteriespannungen<\/strong>. Bevor wir jedoch auf die spezifischen Anwendungen dieser n\u00fctzlichen Komponenten eingehen, sollten noch ein paar sehr wichtige praktische Aspekte erw\u00e4hnt werden. <\/p>\n\n\n\n

Hysterese – was ist das?<\/h3>\n\n\n\n

Stellen Sie sich vor, dass an den invertierenden Eingang des Komparators eine konstante Spannung angelegt wird, die z.B. der H\u00e4lfte der Versorgungsspannung entspricht. Lassen Sie ein Potentiometer, das auf die Minimalposition voreingestellt ist, an den zweiten Eingang anschlie\u00dfen – am Ausgang des Komparators wird ein niedriger Zustand herrschen. Eine langsame Erh\u00f6hung der Spannung (durch Drehen des Potentiometerknopfes) wird irgendwann dazu f\u00fchren, dass sich die Spannungen an beiden Eing\u00e4ngen angleichen. Man k\u00f6nnte meinen, dass der Spannungskomparator beim “\u00dcberschreiten” der Ausl\u00f6seschwelle den Ausgang sofort auf einen hohen Wert schaltet und diesen Zustand beibeh\u00e4lt. Nichts k\u00f6nnte weiter von der Wahrheit entfernt sein – in unmittelbarer N\u00e4he der Schaltschwelle erzeugt der Komparator zuf\u00e4llige 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<\/strong> zur\u00fcckzuf\u00fchren. In jeder elektronischen Schaltung gibt es Rauschen<\/strong> (zuf\u00e4llige, kleine Spannungs\u00e4nderungen) – dies ist unter anderem auf Ph\u00e4nomene zur\u00fcckzuf\u00fchren, die mit der von Null abweichenden Temperatur der Schaltungskomponenten zusammenh\u00e4ngen (sogenanntes thermisches Rauschen). Wenn sich der Spannungskomparator in der N\u00e4he der Schaltschwelle befindet, reichen diese kleinen \u00c4nderungen aus, um den Komparatorausgang zwischen einem hohen und einem niedrigen Zustand umzuschalten. Erst wenn eine ausreichend ‘ausgepr\u00e4gte’ Spannungsdifferenz zwischen den Eing\u00e4ngen 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 gr\u00f6\u00dfere Schwankungen (z.B. kleine \u00c4nderungen der Beleuchtung durch die Frequenz des Stromnetzes) ins Spiel kommen. Was kann man also tun, um sicherzustellen, dass der Komparator “zuverl\u00e4ssig und stabil” arbeitet?<\/strong> Es ist die Hysterese<\/strong>, die hier Abhilfe schafft. <\/p>\n\n\n\n

Hysterese<\/strong> (im Falle eines Spannungskomparators) ist das Ph\u00e4nomen, dass sich das System ungleichm\u00e4\u00dfig verh\u00e4lt, wenn die Spannungsdifferenz steigt oder sinkt<\/strong>. Mit anderen Worten, die Schaltschwelle ist etwas anders, wenn die Spannung am ‘Signal’-Eingang (in unserem Fall der nicht-invertierende Eingang) \u00fcber die Referenzspannung steigt und anders, wenn sie darunter f\u00e4llt. 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 “\u00fcbersteigt”. In \u00e4hnlicher Weise wird am Ausgang nur dann ein Low-Zustand angezeigt, wenn die Spannung um diesen kleinen Wert unter die Referenzspannung f\u00e4llt. <\/p>\n\n\n\n

Um eine Hysterese in den Betriebsschaltkreis des Spannungskomparators ‘einzuf\u00fchren’, sind zwei Widerst\u00e4nde<\/strong> 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. <\/p>\n\n\n\n\n\n

Eine solche zus\u00e4tzliche Schaltung f\u00fchrt eine so genannte positive R\u00fcckkopplung<\/strong> ein. Das bedeutet, dass jede Spannungs\u00e4nderung am Ausgang zum Eingang “zur\u00fcckkehrt” und die Spannungsdifferenz zwischen den Eing\u00e4ngen weiter erh\u00f6ht. Eine positive R\u00fcckkopplung, die bewusst und mit Bedacht eingesetzt wird, erm\u00f6glicht zuverl\u00e4ssige, vorhersehbare \u00c4nderungen und reduziert effektiv die Auswirkungen unerw\u00fcnschter Schwingungen der Ausgangsspannung<\/strong>. <\/p>\n\n\n\n\n\n

Die Widerstandswerte<\/strong> sollten so gew\u00e4hlt werden, dass der Widerstand R1 einen deutlich gr\u00f6\u00dferen Wert hat (z.B. das 100-fache) als der Widerstand R2. Als N\u00e4herung kann man annehmen, dass die Breite der Hystereseschleife gleich dem Produkt aus der Versorgungsspannung des Komparators und dem Verh\u00e4ltnis des Wertes des Widerstandes R2\/R1 ist. Bei einem Spannungskomparator, der mit 5 V versorgt wird und mit Widerst\u00e4nden R1 von 100 k\u03a9 und R2 von 1k\u03a9 ‘ausgestattet’ ist, betr\u00e4gt der ‘Abstand’ zwischen den Schaltschwellen beispielsweise 50 mV. F\u00fcr die meisten Anwendungen ist dieser Wert v\u00f6llig ausreichend – f\u00fcr Schaltungen, die eine h\u00f6here Pr\u00e4zision erfordern, k\u00f6nnen Sie das Verh\u00e4ltnis der Widerst\u00e4nde R2 und R1 erh\u00f6hen, und f\u00fcr besonders stark verzerrte Signale lohnt es sich, \u00fcber eine weitere Vergr\u00f6\u00dferung der Breite der Hystereseschleife nachzudenken. <\/p>\n\n\n\n

OC-Ausgang oder Push-Pull – das ist hier die Frage<\/h3>\n\n\n\n

Bei \u00e4lteren Komparatorentypen hat sich schon vor Jahrzehnten der Komparatorausgang mit offenem Kollektor<\/strong> (engl. open collector<\/em>) 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 erh\u00e4lt man eine Art von Digitalausgang, der mit einem Widerstand auf die positive Versorgungsschiene, z. B. auf 5 V, \u201ehochgezogen\u201c werden muss – dann kann man dort normale logische Zust\u00e4nde empfangen (d. h. 0 V als niedriger Zustand und 5 V als hoher Zustand). Wenn wir hingegen keinen Pull-up-Widerstand anschlie\u00dfen, 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<\/strong>, z. B. mit einer LED, verwendet werden, sofern der Katalog der integrierten Schaltung die Information enth\u00e4lt, dass der Ausgangstransistor in der Lage ist, einen solchen Strom zu betreiben. <\/p>\n\n\n\n

Ein Push-Pull<\/strong>-Ausgang hingegen ist typisch f\u00fcr 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 flie\u00dfen kann (im Gegensatz zu einem offenen Kollektor, bei dem Strom nur hinein flie\u00dfen 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 standardm\u00e4\u00dfig an ihm erscheint. Daher ist f\u00fcr den Push-Pull-Ausgang kein zus\u00e4tzlicher Pull-Up-Widerstand erforderlich.<\/strong> <\/p>\n\n\n\n

Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche<\/h2>\n\n\n\n

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 gro\u00df der Bereich der Spannungen ist, die wir auf diese Weise testen k\u00f6nnen. 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 F\u00e4llen kann er das Massepotenzial einschlie\u00dfen, 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 \u00fcberschreiten, d.h. eine Spannung von 4 V an einem oder beiden Eing\u00e4ngen erscheint, erf\u00fcllt der Komparator seine Aufgabe nicht. <\/p>\n\n\n\n

Der Bereich der Ausgangsspannungen liegt sehr nahe bei den Versorgungsspannungen und wir k\u00f6nnen 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. <\/p>\n\n\n\n

Anwendungen von Spannungskomparatoren<\/h2>\n\n\n\n

Komparatoren k\u00f6nnen, wie bereits erw\u00e4hnt, \u00fcberall dort eingesetzt werden, wo ein analoges Signal, d.h. ein Signal, das sich \u00fcber einen bestimmten Spannungsbereich gleichm\u00e4\u00dfig \u00e4ndert, sozusagen in ein bin\u00e4res Signal umgewandelt werden soll, d.h. ein Null-Eins-Signal (entweder ein niedriger Zustand – oder ein hoher Zustand). Ein gutes Beispiel f\u00fcr die Verwendung von Komparatoren sind Reflexionssensoren<\/strong>, auch bekannt als Reflexionsoptokoppler, die sehr gerne und h\u00e4ufig in mobilen Robotern<\/strong> des Typs Minisumo oder line follower eingesetzt werden. Bei line follower-Robotern kann mit einer solchen L\u00f6sung die Linie, entlang der sich der Roboter bewegt, zuverl\u00e4ssig erkannt werden. Bei Minisumo-Robotern hingegen geht es nat\u00fcrlich 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 Ausl\u00f6seschwelle der Komparatoren einzustellen, so dass Sie den Wert der Referenzspannung stufenlos anpassen k\u00f6nnen, dann k\u00f6nnen Sie sicher sein, dass der Mikrocontroller, der den Roboter steuert, genaue Informationen dar\u00fcber erh\u00e4lt, wann die Linie \u00fcberquert wurde und wann nicht. Dies ist besonders wichtig, wenn der Roboter unter ung\u00fcnstigen Bedingungen arbeitet, d.h. bei starker oder – noch schlimmer – wechselnder Au\u00dfenbeleuchtung. Wenn Sie dann keinen Komparator mit einer geeigneten Hystereseschwelle verwenden, k\u00f6nnte dies dazu f\u00fchren, dass der Roboter falsche Informationen von den Sensoren erh\u00e4lt. <\/p>\n\n\n\n

Eine weitere Anwendung des Spannungskomparators ist ein einfaches Thermostat<\/strong>. An einen seiner Eing\u00e4nge (z.B. einen nicht-invertierenden Eingang) schlie\u00dfen wir ein Potentiometer an, mit dem wir die eingestellte Temperatur stufenlos einstellen k\u00f6nnen, w\u00e4hrend wir an den anderen Eingang (in diesem Fall invertierend) einen Temperatursensor anschlie\u00dfen. An den Ausgang des Komparators k\u00f6nnen Sie zum Beispiel ein Relais anschlie\u00dfen – eine Heizung, die aktiviert wird, wenn die Temperatur unter den eingestellten Schwellenwert f\u00e4llt, und die deaktiviert wird, wenn die Temperatur ansteigt. Auf diese sehr einfache Weise k\u00f6nnen wir auch einen Regler f\u00fcr andere physikalische Gr\u00f6\u00dfen<\/strong> bauen, sofern wir in der Lage sind, einen solchen Wert mit einem geeigneten Sensor zu messen, der eine von der gemessenen Gr\u00f6\u00dfe abh\u00e4ngige Spannung erzeugt, und wir in der Lage sind, ein ausf\u00fchrendes Element zu steuern, das diesen Wert regulieren kann. <\/p>\n\n\n\n

Zusammenfassung<\/h2>\n\n\n\n

In diesem Artikel haben Sie sich vielleicht mit Spannungskomparatoren <\/strong>vertraut gemacht, die in einer Vielzahl von elektronischen Schaltungen sehr n\u00fctzlich sind. Mit ihnen l\u00e4sst sich nicht nur im 0:1- Prinzip feststellen, ob eine bestimmte Spannung niedriger oder h\u00f6her als ein voreingestellter Schwellenwert ist, sondern auch zwei verschiedene Spannungen miteinander vergleichen und feststellen, welche davon zu einem bestimmten Zeitpunkt h\u00f6her ist. Der Einsatz von Komparatoren lohnt sich immer dann, wenn wir z.B. einen analogen Sensor an einen Mikrocontroller anschlie\u00dfen wollen, wir aber nicht an einem bestimmten, exakten Messwert dieses Sensors interessiert sind, sondern nur an der Information, ob die Ausgangsspannung des Sensors den gew\u00fcnschten Wert erreicht hat. Im Botland-Shop<\/strong> finden Sie Hochgeschwindigkeits-Einkanal- und Zweikanal-Komparatoren mit einem gro\u00dfen Spannungsbereich. Sie sind entweder in Durchsteck- (THT) oder Oberfl\u00e4chenmontage- (SMD) Ausf\u00fchrung erh\u00e4ltlich. Sie finden auch fertige Spaltsensormodule, die mit einem Komparator ausgestattet sind. Sie k\u00f6nnen sie als Grenzwertgeber in 3D-Druckern, CNC- Maschinen, Maschinen aller Art und auch beim Bau eigener Encoder einsetzen. Und das Vibrationssensormodul k\u00f6nnen Sie zum Aufbau von Alarmsystemen verwenden. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Spannungskomparator – FAQ<\/h2>\n
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