Spis treści:
Komparatory to układy stosowane w wielu dziedzinach elektroniki, które pozwalają na porównywanie napięcia lub liczb binarnych. Jak działają i jakie są ich rodzaje?
Co to jest komparator?
Komparator to niewielki układ scalony, który umożliwia szybkie i łatwe porównywanie dwóch wartości. Zależnie od charakterystyki danego rozwiązania mierzoną wartością będzie napięcie lub para liczb binarnych – w pierwszym przypadku stosuje się komparatory analogowe, a w drugim cyfrowe. Co istotne, dzięki użyciu komparatora nie ma potrzeby wykonywania dwóch oddzielnych pomiarów. Wyjście jest zależne od różnicy napięć między wejściami lub od relacji pomiędzy liczbami.
Jak zbudowany jest komparator?
W zależności od charakterystyki danego rozwiązania komparatory mogą mieć różną konstrukcję. Do porównywania liczb binarnych zwykle stosuje się niewielkie układy logiczne – najczęstszym przykładem jest po prostu bramka XNOR, która daje sygnał dodatni na wyjściu jedynie wtedy, gdy obydwa wejścia są równe.
W przypadku komparatorów analogowych podstawowym komponentem jest za to wzmacniacz różnicowy, złożony przeważnie z kilku tranzystorów lub innych elementów aktywnych odpowiedzialnych za porównywanie dwóch napięć. W układzie znajduje się również wzmacniacz wyjściowy, którego zadaniem jest odpowiednie wzmocnienie sygnału i wygenerowanie ostatecznego wyniku pomiaru.
Komparator napięć ma co najmniej dwa wejścia. Jedno z nich jest oznaczone symbolem plusa i stanowi wejście nieodwracające, z kolei drugie to wejście odwracające z minusem. Pierwsze jest podłączane do napięcia, które ma być porównywane, a drugie do napięcia referencyjnego, stanowiącego punkt odniesienia przy wykonywaniu pomiaru. Każdy komparator wymaga również zasilania, które zapewnia poprawne działanie wszystkich elementów urządzenia. Wśród pozostałych komponentów mogą się znajdować m.in. potencjometry, filtry czy obwody kompensacyjne.
Komparator - zasada działania
Komparator napięcia działa w bardzo prosty sposób. Jego funkcjonowanie można sprowadzić do jednej zasady: napięcie na wyjściu układu jest zależne od różnicy napięć pomiędzy obydwoma wejściami. W kwestii wyniku należy wspomnieć o stanach niskim i wysokim, które pojawiają się na wyjściu po spełnieniu określonych warunków.
O stanie wysokim na wyjściu układu mówimy, gdy napięcie zbliżone jest do napięcia zasilania. Taka sytuacja ma miejsce, jeśli napięcie na wejściu nieodwracającym, które jest mierzone względem masy układu, jest większe niż wartość na wejściu odwracającym. Stan niski pojawia się natomiast w momencie, gdy napięcie na wejściu nieodwracającym jest mniejsze niż na odwracającym.
Jakie są rodzaje komparatorów napięcia?
Podstawowy podział komparatorów wyróżnia urządzenia cyfrowe i analogowe, które służą odpowiednio do porównywania liczb binarnych oraz napięcia. To jednak nie wszystko – komparatory napięcia dzielą się ponadto na kilka rodzajów, różniących się konstrukcją oraz docelowym zastosowaniem. Do najczęściej wykorzystywanych typów należą:
- komparatory różnicowe – podstawowe komparatory, których zasada działania opiera się na porównywaniu różnicy napięć na swoich wejściach;
- komparatory z wewnętrznym napięciem odniesienia – charakteryzują się wbudowanym napięciem referencyjnym na wejściu odwracającym, dzięki czemu mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana jest stała wartość odniesienia;
- komparatory z zewnętrznym napięciem odniesienia – napięcie odniesienia jest dostarczane do komparatorów z zewnątrz, np. za pomocą potencjometru;
- komparatory z histerezą – układy, w których wykorzystuje się zjawisko histerezy w celu zapewnienia większej stabilności;
- komparatory z szybkim czasem odpowiedzi – wyróżniają się prawie natychmiastowym otrzymaniem wyniku. Są stosowane w układach, w których wymagana jest jak największa prędkość przetwarzania.
Histereza w komparatorach - co warto o niej wiedzieć?
Niektóre komparatory wykorzystują zjawisko histerezy, czyli opóźnienia zmian wyjścia układu na zmiany wejścia. Jej zadaniem jest zminimalizowanie tzw. mrugania wyjścia, z którym mamy do czynienia w momencie, gdy napięcie na wejściach jest zbliżone do wartości progowej. Dzięki histerezie wprowadzony zostaje dodatkowy próg napięcia, który musi zostać przekroczony, aby mogła nastąpić zmiana wyjścia komparatora.
Histereza wprowadza zatem pewną różnicę napięć pomiędzy wartością włączenia i wyłączenia, które stanowią odpowiednia górną i dolną wartość progową. Różnica pomiędzy nimi stanowi tzw. obszar histerezy. Obecność histerezy w komparatorach pozwala zminimalizować wpływ wahań na wejściach, które są na tyle małe, że nie powinny zmieniać stanu wyjścia układu. W efekcie można liczyć na maksymalną stabilność działania urządzenia i otrzymywanie rzetelnych pomiarów.
Komparatory z histerezą są najczęściej wykorzystywane w okolicznościach, w których sygnał wejściowy jest bardzo podatny na zakłócenia, szumy lub drgania. To czynniki, które mogą pojawić się w różnych systemach elektronicznych, zależnie od ich konstrukcji oraz wykorzystania – z tego względu są to układy, które warto wziąć pod uwagę niezależnie od sytuacji.
Gdzie stosowane są komparatory?
Komparatory napięcia to wszechstronne urządzenia, stosowane przede wszystkim w systemach, w których występuje potrzeba przetworzenia sygnału analogowego na binarny. Są one wykorzystywane m.in. w układach regulacji, detekcji progowej, przetwarzaniu sygnałów, interfejsach wejścia i wyjścia, a także układach alarmowych i pomiarowych. Cyfrowe komparatory pozwalają z kolei na szybkie porównywanie dwóch liczb z użyciem kilku prostych, niewielkich elementów, co umożliwia m.in. zaoszczędzenie miejsca oraz zasobów w małych układach elektroniki.
Wśród przykładowych zastosowań komparatorów znajdują się m.in. czujniki odbiciowe do robotów mobilnych. Innym, nieco powszechniejszym zastosowaniem, są termostaty. Dzięki komparatorom napięcia można też z łatwością wykonać innego rodzaju regulatory wielkości fizycznych – w tym przypadku potrzebny będzie dodatkowy czujnik, który przetwarza inną wartość (np. poziom hałasu, światła czy cieczy) na napięcie. Zarówno komparatory, jak i wiele innych przydatnych układów można znaleźć w sklepach z robotyką i elektroniką – zapraszamy do zapoznania się z ofertą Botland.
