Spannungen vergleichen
Bei der einfachen elektronischen Sicherungen haben wir im Prinzip untersucht, ob eine Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Wenn der Strom im Messwiderstand eine Spannung erzeugte, die größer war als die Basis-Emitter-Spannung Transistors, löste dieser die elektronische Sicherung aus.
Wir waren also auf eine bestimmte Spannung, die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors, festgelegt. Natürlich brauchen wir Schaltungen, mit denen wir die Höhe einer Spannung etwas freier untersuchen können.
Die folgende Schaltung verwendet einen Operationsverstärker, um zwei Spannungen zu vergleichen.
LM358 unbenutzt
Die Eingänge unbenutzter Verstärker im LM358 oder LM324 dürfen nicht mit offenen sein, die Versorgungsspannung U+, U- oder Masse angeschlossen werden.
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
am - Eingang des Operationsverstärkers erzeugt.
Mit dem Potentiometer können wir die Spannung am + Eingang 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 niedrigeren Spannung (bis 0V) am Potentiometer, bleibt die LED aus.
- Die Spannung, bei der die LED umschaltet, beträgt 0,9V.
Vergleichsspannung
Die Spannung, bei der der Operationsverstärker umschaltet, entspricht offensichtlich der Spannung an seinem - Eingang. Sie wird mit dem Spannungsteiler eingestellt.
Variieren wir diese Spannung. Wenn wir R2=4,7kΩ setzen, wird die Spannung U-=1,6V.
Der Operationsverstärker schaltet nun, wie erwartet, bei 1,6V am + Eingang um.
- Die Vergleichsspannung können wir mit einem Spannungsteiler aus einer bekannten Spannung einstellen und an den - Eingang des Operationsverstärkers legen.
- In unserer Schaltung vergleicht der Operationsverstärker, ob die Spannung am + Eingang größer oder kleiner als am - Eingang ist.
- Wenn die Spannung am + Eingang größer ist als am - Eingang, erzeugt der Operationsverstärker eine hohe Spannung am Ausgang.
- Die Schaltung gibt ein digitales Signal aus, das anzeigt, ob die verglichene Spannung größer als die Vergleichsspannung ist.
- Diese Schaltung des Operationsverstärkers wird Komparator genannt.
Invertierender Vergleich
Vertauschen wir die beiden Eingänge des Operationsverstärkers. Am + Eingang liegt die Vergleichsspannung, am - Eingang die zu vergleichende Spannung vom Potentiometer.
- Ist in Bild 2 die Spannung am - Eingang kleiner als die Vergleichsspannung am + Eingang, so erzeugt der Operationsverstärker am Ausgang eine hohe Spannung.
- Die Schaltung gibt ein digitales Signal aus, das anzeigt, ob die verglichene Spannung kleiner als die Vergleichsspannung ist, also ob die verglichene Spannung nicht größer als die Vergleichsspannung ist.
- Die Schaltung in Bild 2 erzeugt am Ausgang eine invertierte Spannung.
- Die Schaltung in Bild 2 verhält sich logisch invertiert zu der Schaltung in Bild 1.
- Bild 2 zeigt einen invertierenden Komparator.
- Die Eingangsspannung liegt am - Eingang.
- Bild 1 zeigt einen nicht invertierenden Komparator.
- Die Eingangsspannung liegt am + Eingang.
Wir messen genauer
LM358
Die Messungen beziehen sich auf einen Operationsverstärker vom Typ LM358.
Andere Typen können abweichende Ergebnisse liefern.
Die Ausgangsspannung
- Wir stellen das Potentiometer so ein, dass die LED erlischt
- und messen die Ausgangsspannung:
- Die Ausgangsspannung ist 0V, wenn keine Last am Ausgang angeschlossen ist.
- Die Ausgangsspannung ist 0,8V, wenn die LED an +5V angeschlossen ist.
- Die Ausgangsspannung ist 0,7V, wenn zwischen dem Ausgang und +5V 10kΩ liegen.
- Die Ausgangsspannung ist 0,15V, wenn zwischen dem Ausgang und +5V 100kΩ liegen.
- Wir stellen das Potentiometer so ein, dass die LED leuchtet
- und messen die Ausgangsspannung:
- Die Ausgangsspannung ist 3,6V (3V bis 4V).
- Wir entfernen die LED und messen die Ausgangsspannung::
- Die Ausgangsspannung ist 3,8V (3V bis 4V).
- Die positive Ausgangsspannung beträgt maximal 3,8V.
- Unter Last ist die Ausgangsspannung nicht 3,8V, sondern niedriger.
- Die negative Ausgangsspannung erreicht minimal 0V.
- Unter Last ist die Ausgangsspannung nicht 0V, sondern etwas höher, z.B. 0,7V.
+ - Eingänge
- Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers ist positiv, wenn die Spannung am + Eingang größer als die Spannung am - Eingang.
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 Referenzspannung genannt.
- Der andere Eingang des Operationsverstärkers ist der tatsächliche Eingang, der Vergleichseingang der Komparatorschaltung.
- Wird die Eingangsspannung an den + Eingang angeschlossen,
- ist der Ausgang HIGH logisch 1, wenn die Eingangsspannung größer als die Referenzspannung ist.
- Dieser Komparator wird als nicht invertierend bezeichnet.
- Wird die Eingangsspannung an den - Eingang angeschlossen,
- ist der Ausgang LOW logisch 0, wenn die Eingangsspannung größer als die Referenzspannung ist.
- ist der Ausgang HIGH logisch 1, wenn die Eingangsspannung kleiner als die Referenzspannung ist.
- Dieser Komparator wird invertierend genannt.
1-Bit-A-D-Wandler
- Ein Komparator ist im Prinzip ein Analog-Digital-Wandler,,
- jedoch nur für 1 Bit.
Regeln LM358
Der LM358
- enthält zwei Operationsverstärker in einem DIL-8-Gehäuse
- liefert eine maximale Ausgangsspannung von 3,8V bei einer 5V-Versorgung,
- eine minimale Ausgangsspannung nahe 0V und
- 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 minimal 25µA sein.
- Der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers an 5V sollte maximal 200kΩ sein.
- Eingangsspannung des LM358 sollte bei 5V Versorgungsspannung maximal 4V betragen.
Wie LM358
Viele ICs mit zwei Operationsverstärkern im DIL-8-Gehäuse haben die gleiche Anschlussbelegung wie der LM358.
Verbesserter Komparator
Ein Komparator kann wechselnde Zustände am Ausgang erzeugen, wenn die Eingangsspannung fast genau der Referenzspannung entspricht. In diesem Fall können am Ausgang "flatternde" Zustände auftreten.
Betrachten wir den nicht invertierenden Komparator in Bild 1:
- Der Ausgang ist HIGH logisch 1, wenn die Eingangsspannung größer als die Referenzspannung ist.
- Der Ausgang ist LOW logisch 0, wenn die Eingangsspannung kleiner als die Referenzspannung ist.
- Kleine Änderungen der Eingangsspannung reichen aus, um den Ausgang zu umschalten.
Würden wir die Referenzspannung UrefH für HIGH logisch 1 am Ausgang höher legen, als die Referenzspannung UrefL für LOW logisch 0, könnten wir dieses Flattern des Ausgangs reduzieren oder verhindern.
Schmitt-Trigger
Am besten ist es, wenn wir einfach
UrefH = Uref + Uh UrefL = Uref - Uh
setzen. Die Spannung Uh wird Hysterese genannt.
Wir brauchen eine Schaltung, die die Referenzspannung umschaltet.
- Ist die Eingangsspannung größer als die Referenzspannung, wird UrefL = Uref - Uh verwendet.
- Ist die Eingangsspannung kleiner als die Referenzspannung, wird UrefH = Uref + Uh verwendet.
Diese Schaltung ist ziemlich einfach:
Wir verwenden einen invertierenden Komparator und führen einen Widerstand vom Ausgang zum + Eingang.
Ein solcher Komparator mit Hysterese wird Schmitt-Trigger genannt.
Die Schaltung in Bild 3 stellt einen invertierenden Komparator mit Schmitt-Trigger-Verhalten dar.
Der Widerstand R5 vom Ausgang zum + Eingang für die Referenzspannung bewirkt eine Mitkopplung.
- Wenn die Eingangsspannung größer als die Referenzspannung ist, erzeugt der Komparator LOW, d.h. 0V.
- Dann wird der Widerstand R5 parallel zu R2 gelegt und reduziert die Referenzspannung auf UrefL = Uref - Uh.
- Wenn die Eingangsspannung kleiner als die Referenzspannung ist, erzeugt der Komparator HIGH, d.h. auf Uv=5V.
- Dann wird der Widerstand R5 parallel zu R1 gelegt und erhöht die Referenzspannung auf UrefH = Uref + Uh.
Die Hysterese Uh beträgt mit den Werten in Bild 3 etwa 13mV, die Referenzspannung ist Uref = Uv / 2 ~ 2,5V.
Durch die Wahl des Widerstands R5 kann die Hysterese eingestellt werden.
Wir gehen davon aus, dass die Hysterese Uh im Vergleich zur Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers sehr klein ist. Außerdem nehmen wir an, dass die Ausgangsspannung für HIGH der Versorgungsspannung Uv entspricht.
mit R1 ≠ R2 ist Rr = (R1 * R2) / (R1 + R2) Uh = Uv * Rr / R5 R5 = Uv * Rr / Uh mit R1 = R2 Uh = Uv * ( R1 / 2 ) / R5 R5 = Uv * ( R1 / 2 ) / Uh mit R1 = R2 = 10kΩ Uh = Uv * 5kΩ / R5 R5 = Uv * 5kΩ / Uh
Hinweis
- Im Projekt Durchgangsprüfer für Elektronikschaltungen wird ein Operationsverstärker als Komparator verwendet.
- Der Timer 555 enthält zwei Komparatoren.