../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Spannungen vergleichen

In der einfachen elektronischen Sicherungen haben wir im Prinzip untersucht, ob eine Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Wenn der Strom in dem Messwiderstand eine Spannung erzeugte, die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors überschritt, löste dieser die elektronische Sicherung aus.

Wir waren damit auf eine bestimmte Spannung, die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors, festgelegt. Natürlich benötigen wir Schaltungen, mit denen wir etwas freier die Höhe einer Spannung untersuchen können.

Die folgende Schaltung verwendet einen Operationsverstärker, um zwei Spannungen zu vergleichen.

Spannungen-vergleichen.png
Bild 1: Ein Operationsverstärker vergleicht zwei Spannungen

Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler, der

U- = 5V * R2 / (R1+R2)
U- = 5V * 2,2kΩ / ( 10kΩ + 2,2kΩ )
U- = 5V * 2,2kΩ / 12,2kΩ
U- = 0,9V

erzeugt.

Mit dem Potentiometer können wir die Spannung am + Anschluss des Operationsverstärkers zwischen 0V und 5V variieren.

  • Ist die Spannung am Potentiometer hoch (5V), leuchtet die LED.
  • Bei einer bestimmten Stellung des Potentiometers, erlischt die LED.
  • Bei einer noch geringeren Spannung (bis 0V) am Potentiometer, bleibt die LED aus.
  • Die Spannung, bei der die LED umschaltet ist 0,9V.

Vergleichsspannung

Die Spannung, bei der Operationsverstärker umschaltet, entspricht offensichtlich der Spannung an seinem - Eingang. Sie wird durch den Spannungsteiler eingestellt.

Variieren wir diese Spannung. Wenn wir R2=4,7kΩ setzen, wird die Spannung U-=1,6V.

Der Operationsverstärker schaltet jetzt, wie erwartet, bei 1,6V am + Eingang um.

  • Wir können die Vergleichsspannung über einen Spannungsteiler aus einer bekannten Spannung einstellen und sie an den - Eingang des Operationsverstärkers legen.
  • In unserer Schaltung vergleicht der Operationsverstärker, ob die Spannung am + Eingang höher oder geringer ist.
  • Wenn die Spannung + Eingang höher als am - Eingang ist, erzeugt der Operationsverstärker am Ausgang eine hohe Spannung.
  • Die Schaltung gibt ein digitales Signal ab, ob die verglichene Spannung höher als die Vergleichsspannung ist.

Invertierender Vergleich

Vertauschen wir die beiden Eingänge des Operationsverstärkers. Am + Eingang liegt Vergleichsspannung, am - Eingang die zu vergleichende Spannung am Potentiometer.

  • Wenn die Spannung - Eingang geringer als am + Eingang mit der Vergleichsspannung ist, erzeugt der Operationsverstärker am Ausgang eine hohe Spannung.
  • Die Schaltung erzeugt eine invertierte Spannung am Ausgang.
  • Die Schaltung gibt ein digitales Signal ab, ob die verglichene Spannung nicht höher als die Vergleichsspannung ist.

Wir messen genauer

Die Ausgangsspannung

  • Das Potentiometer so einstellen, das die LED erlischt.
  • Die Ausgangsspannung messen
  • Die Ausgangsspannung ist 0V.
  • Die Ausgangsspannung ist 0,8V, wenn die LED an +5V angeschlossen wird.
  • Die Ausgangsspannung ist 0,7V, wenn 10kΩ zwischen dem Ausgang und +5V liegen.
  • Die Ausgangsspannung ist 0,15V, wenn 100kΩ zwischen dem Ausgang und +5V liegen.
  • Das Potentiometer so einstellen, das die LED leuchtet.
  • Die Ausgangsspannung messen
  • Die Ausgangsspannung ist 3,6V (3V bis 4V).
  • Die Ausgangsspannung messen, wenn die LED entfernt wurde
  • Die Ausgangsspannung ist 3,8V (3V bis 4V).
  • Die positive Ausgangsspannung erreicht maximal 3,8V.
  • Bei Belastung liegt die Ausgangsspannung nicht bei 3,8V, sondern niedriger.
  • Die negative Ausgangsspannung erreicht minimal 0V.
  • Bei Belastung liegt die Ausgangsspannung nicht bei 0V, sondern etwas höher, z.B. 0,7V.

Regeln

Komparator

  • Ein Operationsverstärker kann Spannungen vergleichen, als Komparator arbeiten.
  • Ein Komparator liefert als Ergebnis ein digitales Signal.
  • Die Vergleichsspannung wird an einen Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen,
  • die zu vergleichende Spannung an den anderen.
  • Die Vergleichsspannung wird als Referenzspannung bezeichnet.
  • Der andere Eingang des Operationsverstärkers ist der (Gesamt-)Eingang der Komparatorschaltung.
  • Wird die Referenzspannung an den - Eingang angeschlossen, ist der + Eingang der Eingang der Komparatorschaltung.
  • Dann ist der Ausgang High logisch 1, wenn die Eingangsspannung höher als die Referenzspannung ist.
  • Wird die Referenzspannung an den + Eingang angeschlossen, ist der - Eingang der Eingang der Komparatorschaltung.
  • Dann ist der Ausgang Low logisch 0, wenn die Eingangsspannung höher als die Referenzspannung ist.
  • Dann ist der Ausgang High logisch 1, wenn die Eingangsspannung geringe als die Referenzspannung ist.
  • Der Komparator liefert dann ein logisch invertiertes Ergebnis.

Regeln

LM358

Der LM358

  • enthält zwei Operationsverstärker in einem DIL-8-Gehäuse
  • liefert eine maximale Ausgangsspannung von 3,5V bei einer 5V-Versorgung
  • eine minimale Ausgangsspannung nahe 0V
  • bei Belastung mit 10kΩ ist sie minimal 0,7V.
  • Der in jeden der beiden Eingänge fließende Strom ist maximal 250nA
  • Der Strom im Spannungsteiler für die Vergleichsspannung sollte mindestens 25µA sein.
  • Der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers an 5V sollte maximal 200kΩ sein.
  • Eingangsspannung des LM358 sollte bei 5V Versorgungsspannung maximal 4V betragen.

Verbesserter Komparator

Die Schaltung in Bild 1 kann dann, wenn die Eingangsspannung fast genau der Vergleichsspannung entspricht, wechselnde Zustände am Ausgang erzeugen.

Besser ist es, wenn der Komparator ein Schmitt-Trigger-Verhalten hat.

Diese kann einfach durch eine Mitkopplung erreicht werden. (Siehe: Elektronische Sicherung mit Abschaltung).

Komparator.png
Bild 2: Komparator mit Schmitt-Trigger-Verhalten

Die Schaltung in Bild 2 bildet einen invertierenden Komparator.

Die Mitkopplung wird durch den Widerstand R5 vom Ausgang auf den + Eingang für die Vergleichsspannung erreicht.

Die Hysteresis beträgt mit den Werten in Bild 2 etwa 13mV.