Komparator napięcia – Jak to działa?

Ekspansja układów cyfrowych, napędzana od kilku dekad przez coraz nowocześniejsze układy logiczne, mikroprocesory i mikrokontrolery, powodowała, że niektórzy niesłusznie wróżyli koniec epoki układów analogowych. Ale otaczający nas świat jest (w większości) analogowy i nie da się uciec od sygnałów zmieniających się w sposób ciągły. Wartość napięcia (np. z czujnika analogowego) można wprowadzić do układu cyfrowego poprzez pomiar za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (zewnętrznego bądź wbudowanego w strukturę mikrokontrolera, np. układu ATmega w płytce Arduino). Nie zawsze jednak potrzebujemy znać dokładną wartość sygnału – często wystarczy informacja, czy napięcie jest wyższe, czy niższe od określonego progu. W takich sytuacjach z pomocą przychodzą komparatory napięcia – bodaj jedne z najprostszych, analogowych układów scalonych.

Jak działa komparator?

Budowa i zasada działania komparatora napięcia jest banalnie prosta: napięcie na wyjściu układu zależy od różnicy napięć, panujących na obydwu jego wejściach. Jedno z nich nazywamy wejściem nieodwracającym, drugie – odwracającym. Na wyjściu komparatora pojawia się stan wysoki (w uproszczeniu możemy przyjąć, że jest to napięcie zbliżone do napięcia zasilania układu, np. 5 V), jeżeli napięcie na wejściu nieodwracającym (oznaczane znakiem plus „+”), mierzone oczywiście względem masy układu, jest wyższe, niż napięcie na wejściu odwracającym („-”). Stan niski pojawia się na wyjściu komparatora w sytuacji przeciwnej. W ten sposób można łatwo stwierdzić, na którym z wejść napięcie jest wyższe i wcale nie musimy przy tym znać dokładnych wartości tych napięć – interesuje nas wyłącznie sam wynik porównania. Obserwując wyjście komparatora, nie jesteśmy więc w stanie stwierdzić, jak duża jest „zmierzona” różnica – stan wyjścia będzie taki sam dla różnicy równej 20 mV, jak i dla dwóch woltów – rzecz jasna, jeżeli różnice będą „na korzyść” tego samego wejścia. Działanie komparatora napięcia można przedstawić w postaci wykresu, na którym oś pozioma wskazuje różnicę napięć wejściowych, a pionowa – napięcie na wyjściu. Jak widzisz, napięcie pomiędzy wejściami komparatora może zmieniać się płynnie w pewnym zakresie, zaś na wyjściu zawsze otrzymujemy tylko określoną wartość napięcia – stan logiczny.

Na działanie komparatora można też patrzeć w nieco inny sposób. Przyjmijmy, że wejście odwracające podłączymy do stałego potencjału (np. połowy napięcia zasilania – można do tego celu użyć dwóch rezystorów w układzie dzielnika), które nazwiemy napięciem odniesienia. Stan wysoki na wyjściu komparatora będzie wtedy wskazywał, że napięcie na wejściu nieodwracającym jest wyższe od napięcia odniesienia. Tak rozumiana funkcjonalność komparatora napięcia znacznie ułatwia wskazanie potencjalnych aplikacji: należą do nich przede wszystkim układy automatycznej regulacji temperatury (termostaty) czy obwody monitorowania napięcia baterii lub akumulatora. Zanim jednak przejdziemy do opisu konkretnych zastosowań tych przydatnych elementów, należy jeszcze wspomnieć o kilku bardzo ważnych aspektach praktycznych.

Histereza – co to takiego?

Wyobraźmy sobie, że na wejście odwracające komparatora podajemy stałe napięcie, np. równe połowie napięcia zasilania. Niech do drugiego wejścia podłączony zostanie potencjometr, ustawiony wstępnie na położenie minimalne – na wyjściu komparatora będzie panował stan niski. Powoli zwiększając napięcie (obracając pokrętło potencjometru) doprowadzimy w pewnym momencie do sytuacji, w której napięcia na obu wejściach zrównają się. Mogłoby się wydawać, że „mijając” próg zadziałania, komparator napięcia natychmiast przełączy wyjście na stan wysoki i tak już pozostanie. Nic bardziej mylnego – w bliskiej okolicy progu przełączania komparator będzie generował przypadkowe przebiegi (impulsy), które w pewnym momencie zanikną, a wyjście przełączy się w stabilny stan wysoki. Drgania te wynikają z nieidealnych właściwości zarówno samego komparatora, jak i wszystkich pozostałych elementów układu. W każdym układzie elektronicznym występują szumy (losowe, niewielkie zmiany napięcia) – wynikają one między innymi ze zjawisk związanych z niezerową temperaturą elementów obwodu (tzw. szum termiczny). Jeżeli komparator napięcia znajdzie się w okolicach progu przełączania, te niewielkie zmiany będą wystarczające, aby przełączać wyjście komparatora pomiędzy stanem wysokim, a niskim. Dopiero po osiągnięciu wystarczająco „wyraźnej” różnicy napięcia między wejściami układu, wyjście ustali się na określonym stanie logicznym. Nietrudno sobie wyobrazić, że w przypadku, gdy komparator napięcia współpracuje z czujnikiem (np. fotorezystorem), do głosu dojdą inne, znacznie większe wahania (np. niewielkie zmiany oświetlenia spowodowane przez częstotliwość sieci energetycznej). Co zatem zrobić, aby komparator działał „pewnie i stabilnie”? Z pomocą przychodzi właśnie histereza.

Mianem histerezy (w przypadku komparatora napięcia) określamy zjawisko, polegające na niejednakowym zachowaniu się układu w sytuacji, gdy różnica napięć rośnie lub maleje. Innymi słowy – próg przełączania jest nieco inny, gdy napięcie na wejściu „sygnałowym” (w naszym przypadku – na wejściu nieodwracającym) wzrasta powyżej napięcia odniesienia, a inny, gdy spada poniżej jego wartości. Komparator „wyposażony” w histerezę przełącza się na stan wysoki dopiero wtedy, gdy rosnące napięcie na wejściu nieodwracającym „minie” napięcie odniesienia o pewną ustaloną wartość. Analogicznie, stan niski na wyjściu pojawi się dopiero, gdy napięcie spadnie poniżej napięcia odniesienia o tę niewielką wartość.

Aby do układu pracy komparatora napięcia „wprowadzić” histerezę, konieczne jest zastosowanie dwóch rezystorów. Pierwszy z nich musi być włączony pomiędzy wyjście komparatora, a jego wejście nieodwracające. Drugi – pomiędzy źródło sygnału (napięcia), a wejście nieodwracające.

Taki dodatkowy obwód wprowadza tzw. dodatnie sprzężenie zwrotne. Oznacza to, że każda zmiana napięcia na wyjściu „powraca” na wejście, dodatkowo zwiększając różnicę napięć pomiędzy wejściami. Dodatnie sprzężenie zwrotne, zastosowane umyślnie i z rozwagą, pozwala na uzyskanie pewnych, przewidywalnych zmian i skutecznie redukuje efekty niepożądanych drgań napięcia wyjściowego.

Wartości rezystorów należy dobrać w taki sposób, aby rezystor R1 miał wartość znacznie większą (np. 100 razy) niż opornik R2. W przybliżeniu można przyjąć, że szerokość pętli histerezy jest równa iloczynowi napięcia zasilania komparatora oraz stosunku wartości rezystancji R2/R1. Przykładowo, dla komparatora napięcia zasilanego napięciem 5 V i „wyposażonego” w rezystory R1 o wartości 100 kΩ oraz R2 o wartości 1kΩ „odległość” pomiędzy progami przełączania wyniesie 50 mV. W większości zastosowań taka wartość będzie w zupełności wystarczająca – dla układów wymagających większej precyzji możesz zwiększyć stosunek rezystorów R2 i R1, zaś w przypadku szczególnie silnie zakłóconych sygnałów warto pomyśleć o dalszym zwiększeniu szerokości pętli histerezy.

Wyjście OC czy push-pull – oto jest pytanie

Starsze rodzaje komparatorów, jeszcze przed kilkudziesięciu laty ustanowiły jako standard wyjście komparatora typu otwarty kolektor (ang. open collector). Oznacza to, że na wyjściu znajduje się tranzystor, a jego dren lub kolektor jest bezpośrednio podłączony do nóżki wyjściowej. W ten sposób otrzymujemy taki rodzaj wyjścia cyfrowego, które należy “podciągnąć” rezystorem do dodatniej szyny zasilania, czyli np. do 5V – wtedy możemy otrzymywać tam stany logiczne normalne (czyli 0 V jako stan niski, a 5 V jako stan wysoki). Natomiast jeżeli nie podłączymy rezystora “podciągającego”, wyjście może być zwierane tylko do masy. Nie ma tam więc właściwego napięcia, które oznacza dany stan logiczny. Opisaną konfigurację wyjścia komparatora typu otwarty kolektor można natomiast wykorzystać choćby do wysterowania niewielkim prądem, np. diodą LED, o ile nota katalogowa układu scalonego podaje informację, że tranzystor wyjściowy jest w stanie taki właśnie prąd wysterować.

Wyjście typu push-pull natomiast jest typowe dla prawie wszystkich obecnie stosowanych układów cyfrowych. Znajdujące się w nim dwa tranzystory są ze sobą połączone w taki sposób, że prąd może zarówno wypływać z wyjścia, jak i do niego wpływać (w przeciwieństwie do otwartego kolektora, do którego prąd może tylko wpływać). Wyjście typu push-pull może być podłączone bezpośrednio np. do wejścia mikrokontrolera czy innego układu, ponieważ już niejako domyślnie pojawia się na nim taki stan logiczny, czyli takie napięcie, jakie odzwierciedla aktualny stan komparatora. W związku z tym wyjście typu push-pull nie wymaga stosowania dodatkowego rezystora “podciągającego”.

Zakresy napięć wejściowych i wyjściowych

Z poprzedniej części artykułu dowiedziałeś się, że komparator napięcia potrafi rozpoznawać różnicę napięć wejściowych pomiędzy wejściem odwracającym i nieodwracającym. Jeszcze dokładnie nie omówiliśmy natomiast, na ile szeroki jest zakres napięć, które możemy w ten sposób badać. Otóż większość komparatorów dostępnych na rynku nie umożliwia badania napięć zbliżonych do masy, czyli do 0 V oraz do napięcia zasilania, czyli do naszych umownych 5 V. Zakres ten jest nieco niższy – w niektórych przypadkach może zawierać potencjał masy, czyli może badać napięcia rzędu 0 V lub bardzo do tego zakresu zbliżone. Natomiast od góry wartości są niejako ograniczone, np. dla popularnego komparatora LM393 zakres napięć wejściowych wynosi od 0 V (czyli od potencjału masy), do wartości napięcia zasilania, pomniejszonej o 1,5 V. Zatem: gdy podamy na wejście komparatora sygnały, które mieszczą się w zakresie od 0 do 3,5 V (jeżeli komparator jest zasilany 5 V), wówczas układ zadziała poprawnie. Jeżeli natomiast przekroczymy ten zakres, czyli na jednym lub obu wejściach pojawi się napięcie 4 V, komparator nie będzie spełniał swojej roli.

Zakres napięć wyjściowych jest bardzo zbliżony do napięć zasilania i w przybliżeniu możemy przyjąć, że jest on równy pewnemu zakresowi zasilania, czyli od 0 V do napięcia zasilającego. Należy o tym pamiętać, ponieważ jeśli nie dopilnujemy warunku, aby napięcia wejściowe mieściły się w normie wyznaczonej przez notę katalogową, komparator napięcia może działać w sposób nieprzewidywalny.

Zastosowania komparatorów napięcia

Komparatory, jak już wcześniej wspomnieliśmy, mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie sygnał analogowy, czyli zmieniający się płynnie w pewnym zakresie napięć, chcemy przetworzyć niejako na sygnał binarny, tzn. zero-jedynkowy (albo stan niski – albo stan wysoki). Dobrym przykładem zastosowania komparatorów są czujniki odbiciowe, zwane też transoptorami odbiciowymi, stosowane bardzo chętnie i powszechnie w robotach mobilnych typu minisumo czy line follower. W line followerach takie rozwiązanie pozwala na pewne wykrywanie linii, po której porusza się robot. Natomiast w przypadku robotów minisumo chodzi oczywiście o wykrywanie brzegu ringu, na którym odbywa się walka robotów, czyli tzw. dojo. Jeżeli do ustawienia progu zadziałania komparatorów zastosujesz np. potencjometr, pozwalający płynnie ustawić wartość napięcia odniesienia, wtedy możesz mieć pewność, że mikrokontroler sterujący robotem otrzyma dokładną informację o tym, kiedy linia została przekroczona, a kiedy nie. Jest to szczególnie ważne, jeśli robot pracuje w niezbyt sprzyjających warunkach, tzn. w silnym lub – jeszcze gorzej – zmiennym oświetleniu zewnętrznym. Wtedy niezastosowanie komparatora z odpowiednim progiem histerezy mogłoby spowodować, że robot będzie otrzymywał fałszywe informacje z czujników.

Innym zastosowaniem komparatora napięcia jest prosty termostat. Do jednego z jego wejść (np. do wejścia nieodwracającego) podłączymy potencjometr, umożliwiający nam płynne ustawienie temperatury zadanej, natomiast do drugiego wejścia (w tym momencie odwracającego) podłączymy czujnik temperatury. Do wyjścia komparatora wystarczy podłączyć np. przekaźnik – grzałkę, uruchamianą w momencie, gdy temperatura spadnie poniżej zadanego progu, natomiast wyłączaną, gdy temperatura wzrośnie. W ten bardzo prosty sposób możemy zbudować regulator także innych wielkości fizycznych, o ile jesteśmy w stanie taką wartość zmierzyć odpowiednim czujnikiem generującym napięcie zależne od tej mierzonej wielkości oraz jesteśmy w stanie wysterować elementem wykonawczym, zdolnym do regulowania tej wartości.

Podsumowanie

W artykule mogłeś zapoznać się z bardzo przydatnymi w różnorodnych układach elektronicznych komparatorami napięcia. Pozwalają nam nie tylko określić w sposób zero-jedynkowy, czy dane napięcie jest niższe lub wyższe od zadanego progu odniesienia, ale też porównywać dwa różne napięcia i stwierdzać, które z nich jest w danym momencie większe. Warto stosować komparatory wszędzie tam, gdzie do mikrokontrolera musimy podłączyć np. analogowy czujnik, natomiast nie interesuje nas określona, dokładna wartość zmierzona przez ten czujnik, a jedynie informacje o tym, czy napięcie wyjściowe czujnika osiągnęło pożądaną przez nas wartość. W sklepie Botland znajdziesz szybkie komparatory jednokanałowe i dwukanałowe o szerokim zakresie napięć. Są one dostępne w wersji do montażu przewlekanego (THT) lub powierzchniowego (SMD). W ofercie znajdziesz także gotowe moduły czujników szczelinowych wyposażone w komparator. Możesz zastosować je jako czujniki krańcowe w drukarkach 3D, urządzeniach CNC, wszelkiego typu maszynach, a także podczas budowy własnych enkoderów. Natomiast moduł czujnika wibracji wykorzystasz do budowy systemów alarmowych.