Was ist ein Komparator?
Ein Komparator ist ein Element, das zwei Eingangssignale vergleicht und je nach Ergebnis unterschiedliche Ausgänge erzeugt. Im Allgemeinen werden zwei Eingänge verwendet: der Eingang des zu messenden Signals und ein Referenzsignal.
Dies ermöglicht eine bedingte Verzweigung in der Schaltung, um beispielsweise eine bestimmte Operation durchzuführen, wenn ein Signal (Strom oder Spannung) eingegeben wird, das den Referenzwert überschreitet.
Komparator-Eingänge sind analog, aber die Ausgangssignale sind digital
Der Eingang eines Komparators ist analog, aber das Ausgangssignal ist digital. Komparatoren können daher als Schnittstelle zwischen analogen und digitalen Schaltungen verwendet werden.
Verwendungszwecke von Komparatoren
Komparatoren können zum Aufbau von Logikschaltungen verwendet werden, die Vergleiche zwischen Eingangssignalen (Strom und Spannung) und Referenzsignalen vornehmen. Sie können zum Beispiel übermäßige Spannungsanstiege oder -abfälle überwachen und Alarm schlagen, wenn sie außerhalb des Bereichs liegen, oder den Betrieb von Geräten steuern.
Auch andere bedingte Wenn-Dann-Zweige können verwendet werden, wie z. B. die automatische Anpassung der Temperatur eines Kühlschranks oder einer Klimaanlage oder die Begrenzung der Leistung eines Mobiltelefons oder PCs, wenn der Akku zur Neige geht.
Prinzip des Komparators
Komparatoren haben fünf Anschlüsse: einen positiven und einen negativen Stromversorgungsanschluss, zwei Eingänge und einen Ausgangsanschluss. Sie haben fast die gleiche Konfiguration wie ein Operationsverstärker, der einzige Unterschied besteht darin, ob eine invertierende Verstärkung durchgeführt wird oder nicht. Operationsverstärker haben ursprünglich die Eigenschaft, bei einer Differenz der Eingangsspannung die Spannung der Stromversorgung auszugeben, und Komparatoren machen sich diese Eigenschaft zunutze.
Umgekehrt kann eine Schaltung, die eine Rückkopplung von der Ausgangsklemme des Komparators zur negativen Eingangsklemme herstellt, als Operationsverstärker verwendet werden. Da Komparatoren nicht über einen Mechanismus zur invertierenden Verstärkung verfügen, bieten sie keine Phasenkompensation zur Vermeidung von Oszillationen wie Operationsverstärker.
Daher ist das Hauptmerkmal von Komparatoren, dass sie im Vergleich zu Operationsverstärkern ein besseres Ansprechverhalten haben. Wenn mehrere Komparatoren verwendet werden und der Referenzwert in Stufen eingestellt wird, können sie als AD-Wandler eingesetzt werden. AD-Wandler mit einer solchen Struktur können Hochgeschwindigkeitsumwandlungen durchführen.
Weitere Informationen über Komparatoren
Hysterese-Komparatoren
Wenn der Komparator einen einzigen Schwellenwert für den Vergleich hat, führt ein unerwartetes externes Rauschen, das dem Analogsignal überlagert wird, dazu, dass der Komparator als Reaktion auf das Rauschen den High/Low-Wert wiederholt. Dies führt zu einer Fehlfunktion, anstatt mit dem ursprünglichen Eingangswert zu schalten, weshalb ein Komparator mit der Bezeichnung Hysteresekomparator erfunden wurde.
Hysteresekomparatoren zeichnen sich durch zwei Schwellenwerte in Abhängigkeit vom Ausgangszustand aus. Sobald der Ausgang umschaltet, schaltet er auf einen anderen Schwellenwert um, der sich vom vorherigen unterscheidet, wodurch unerwartete, durch Rauschen verursachte Fehlfunktionen verhindert werden.
Bei der Schaltung eines Hysteresekomparators wird die Ausgangsklemme eines herkömmlichen Komparators über einen Widerstand o. ä. mit der Eingangsklemme rückgekoppelt. Diese Schaltung wird übrigens nach dem Namen des Erfinders (Otto Schmitt) als Schmitt-Trigger bezeichnet.
Schmitt-Trigger werden in der Regel in Kombination mit aktiven Elementen wie Zenerdioden verwendet, um Schwankungen der Versorgungsspannung zu verhindern, was die Schaltung vielseitiger macht. Die Schwellenwerte des Hysteresekomparators können entweder symmetrisch zu 0 V oder asymmetrisch eingestellt werden, wichtig ist jedoch, dass die Hysteresebreite nicht zu groß ist.
Denn eine Vergrößerung der Hysteresebreite verbessert zwar die Immunität gegen externes Rauschen, aber die Empfindlichkeit gegenüber dem ursprünglich zu beurteilenden Eingangswert wird verschlechtert. Daher sollte darauf geachtet werden, die Hysteresebreite nicht mehr als nötig über den tatsächlichen Rauschwert hinaus zu erhöhen. Für ein ausgewogeneres Design sollte auch das Verhältnis zwischen der Schwellenspannung und der Versorgungsspannung des Komparators berücksichtigt werden.