Spis treści:
Komparátory jsou obvody používané v mnoha oblastech elektroniky, které umožňují porovnávat napětí nebo binární čísla. Jak fungují a jaké jsou jejich typy?
Co je komparátor?
Komparátor je malý integrovaný obvod, který umožňuje rychlé a snadné porovnání dvou hodnot. V závislosti na vlastnostech daného řešení bude měřenou hodnotou napětí nebo dvojice binárních čísel – v prvním případě se používají analogové komparátory a ve druhém digitální komparátory. Důležité je, že díky použití komparátoru není nutné provádět dvě samostatná měření. Výstup závisí na rozdílu napětí mezi vstupy nebo na vztahu mezi čísly.
Jak je komparátor sestaven?
V závislosti na vlastnostech konkrétního řešení se komparátory mohou lišit konstrukcí. Pro porovnání binárních čísel jsou malé logické obvody – nejběžnějším příkladem je hradlo XNOR, které dává na výstupu kladný signál pouze tehdy, pokud jsou oba vstupy stejné.
V případě analogových komparátorů je základní součástkou diferenciální zesilovač, který se obvykle skládá z několika tranzistorů nebo jiných aktivních prvků, které jsou zodpovědné za porovnávání dvou napětí. V obvodu je také výstupní zesilovač, jehož úkolem je odpovídajícím způsobem zesílit signál a vytvořit konečný výsledek měření.
Komparátor napětí má nejméně dva vstupy. Jeden je označen znaménkem plus a jedná se o neinvertující vstup, zatímco druhý je invertující vstup s minusem. První je připojen k porovnávanému napětí a druhý k referenčnímu napětí, které je referenčním bodem pro měření. Každý komparátor také vyžaduje napájení, aby bylo zajištěno správné fungování všech součástí zařízení. Dalšími součástmi mohou být mimo jiné potenciometry, filtry nebo kompenzační obvody.
Komparátor - princip činnosti
Napěťový komparátor funguje velmi jednoduše. Jeho činnost lze omezit na jediný princip: napětí na výstupu obvodu závisí na rozdílu napětí mezi dvěma vstupy. Z hlediska výsledku je třeba zmínit nízké a vysoké stavy, které se objeví na výstupu při splnění určitých podmínek.
O vysokém stavu na výstupu obvodu hovoříme tehdy, když se napětí blíží napájecímu napětí. Tato situace nastane, pokud je napětí na neinvertujícím vstupu, které se měří vzhledem k zemi systému, větší než hodnota na invertujícím vstupu. Naproti tomu nízký stav nastává, když je napětí na neinvertujícím vstupu nižší než na invertujícím vstupu.
Jaké jsou typy komparátorů napětí?
Základní dělení komparátorů rozlišuje digitální a analogové přístroje, které se používají k porovnávání binárních čísel a napětí. To však není vše – komparátory napětí se dále dělí na několik typů, které se liší konstrukcí a cílovým použitím. Mezi nejčastěji používané typy patří:
- Diferenciální komparátory – základní komparátory, jejichž princip činnosti je založen na porovnávání rozdílu napětí na jejich vstupech;
- Komparátory s vnitřním referenčním napětím – vyznačují se vestavěným referenčním napětím na invertujícím vstupu, takže je lze použít všude tam, kde je požadována konstantní referenční hodnota;
- komparátory s externím referenčním napětím – referenční napětí je komparátorům dodáváno zvenčí, např. pomocí potenciometru;
- Hysterezní komparátory – systémy, které využívají jevu hystereze k zajištění větší stability;
- komparátory s rychlou odezvou – vyznačují se téměř okamžitým obdržením výsledku. Používají se v systémech, kde je vyžadována co nejvyšší rychlost zpracování.
Hystereze v komparátorech - co stojí za to o ní vědět?
Některé komparátory využívají jevu hystereze, tj. zpoždění změn na výstupu systému vůči změnám na vstupu. Jeho úkolem je minimalizovat tzv. výstupní blikání,ke kterému dochází, když se napětí na vstupech blíží prahové hodnotě. Při použití hystereze se zavádí další prahové napětí, které musí být překročeno, aby se výstup komparátoru změnil.
Hystereze tedy zavádí určitý rozdíl napětí mezi hodnotami zapnuto a vypnuto, které představují příslušné horní a dolní prahové hodnoty. Rozdíl mezi nimi je tzv. oblast hystereze. Přítomnost hystereze v komparátorech minimalizuje vliv výkyvů na vstupech, které jsou natolik malé, že by neměly změnit stav výstupu obvodu. Díky tomu se můžete spolehnout na maximální stabilitu přístroje a spolehlivé měření.
Hysterezní komparátory se nejčastěji používají v případech, kdy je vstupní signál velmi náchylný na rušení, šum nebo oscilace. Jedná se o faktory, které se mohou vyskytnout v různých elektronických systémech v závislosti na jejich konstrukci a použití, a proto se jedná o systémy, které stojí za zvážení bez ohledu na situaci.
Kde se používají komparátory?
Komparátory napětí jsou univerzální zařízení, která se používají především v systémech, kde je třeba převést analogový signál na binární. Používají se mimo jiné v řídicích systémech, detekci prahových hodnot, zpracování signálů, vstupních a výstupních rozhraních, jakož i v systémech alarmů a měření. Digitální komparátory naproti tomu umožňují rychlé porovnání dvou čísel pomocí několika jednoduchých, malých prvků, což mimo jiné umožňuje úspora místa a zdrojů v malých elektronických systémech.
Příkladem aplikací komparátorů jsou reflexní senzory pro mobilní roboty. Další, o něco běžnější aplikací jsou termostaty. Pomocí napěťových komparátorů lze snadno vytvářet i jiné typy regulátorů fyzikálních veličin – v tomto případě budete potřebovat další senzor, který převádí jinou hodnotu (např. hluk, světlo nebo hladinu kapaliny) na napětí. Oba komparátory a mnoho dalších užitečných obvodů najdete v obchodech s robotikou a elektronikou – podívejte se na stránky Botland.
