Praktická elektronika/Obvody/Komparátory

Komparátory jsou obvody, které porovnávají vstupní napětí a podle toho překlápí výstup. Dělí se na:

• komparátory bez hystereze
• komparátory s hysterezí (tzv. Schmittův klopný obvod)

Často se realizují pomocí operačních zesilovačů.

Komparátor bez hystereze

Komparátor

Komparátor porovnává napětí přivedená na vstupy + a -. Pokud je vyšší napětí na vstupu +, je na výstupu kladné saturační napětí operačního zesilovače, je-li vyšší napětí na vstupu -, je na výstupu záporné saturační napětí operačního zesilovače. U normálních operačních zesilovačů je saturační napětí výstupu řádově o jeden nebo několik voltů nižší než napětí napájecí. Speciální tzv. rail-to-rail operační zesilovače jsou ovšem konstruovány tak, aby výstupní napětí mohlo dosahovat téměř hodnot napětí napájecího.

$U_{vyst}={\begin{cases}U_{S+}&{\mbox{if }}U_{+}>U_{-}\\U_{S-}&{\mbox{if }}U_{+}<U_{-}\end{cases}}$

Tester autobaterie

Schéma zapojení

Tento obvod je určený k otestování klasické autobaterie pomocí zapalovače mezi sedadly. Obvod obsahuje dva komparátory v jednom pouzdře (čip Q) a překlápí se mezi třemi stavy. Kondenzátor C slouží ke stabilizaci vstupního napětí. Stabilizátor tvořený rezistorem R1 a diodou D4 vytváří referenční napětí pro oba komparátory. Toto napětí je porovnáno se vstupním napětím, které je na vstupy přiváděno přes trimry R2 a R3. Jejich seřízením jsou nastaveny prahové hodnoty, kdy ten který komparátor překlápí výstupy a podle toho se rozsvěcí LED.

Nastavení

• nastavit U_MIN na cca 10-11V pomocí R₂
• nastavit U_MAX na cca 14-15V pomocí R₃

Hotový obvod zabudovaný v krabičce; pojistka je uvnitř vidlice do autozásuvky

Seznam součástek

• u_IN = U_N ≈ 12-14V
• Q – a) LM358 b) LM393
• F:I_N ≈ 50 mA (6,3x32 mm)
• C = 100 nF
• R₁ = 22 kΩ
• R_2,3 = 47 - 220 kΩ/N
• R₄ = 1,5 kΩ
• D_1,2,3 – LED 2 V/20 mA
• D₄ – ZD 2,7 – 6,2 V/0,5 W

a)

Napětí	Stav	D1	D2	D3
$u_{IN}>U_{MAX}$	Přebíjení	OFF	OFF	ON
$U_{MIN}<u_{IN}<U_{MAX}$	Nabitá/Nabíjení	OFF	ON	OFF
$u_{IN}<U_{MIN}$	Vybitá	ON	OFF	OFF

b)

Napětí	Stav	D1	D2	D3
$u_{IN}>U_{MAX}$	Přebíjení	ON	ON	ON
$U_{MIN}<u_{IN}<U_{MAX}$	Nabitá/Nabíjení	ON	ON	OFF
$u_{IN}<U_{MIN}$	Vybitá	ON	OFF	OFF

Komparátor s hysterezí

Schmittův klopný obvod

Hysterezní diagram Schmittova klopného obvodu

Schmittův klopný obvod je speciální komparátor, který má hysterezi. To znamená, že jeho výstup je závislý nejen na hodnotě vstupu, ale i na jeho původním stavu. Podobně jako obyčejný komparátor s operačním zesilovačem, i Schmittův klopný obvod dosahuje na výstupu kladného nebo záporného saturačního napětí. Pokud je na výstupu například kladné napětí, nedojde k překlopení Schmittova obvodu při pouhém splnění podmínky $U_{+}<U_{-}\,$ jako u komparátoru, ale teprve až rozdíl obou napětí dosáhne prahové hodnoty $H_{-}\,$.

Podobně pokud je nyní na výstupu záporné saturační napětí, může dojít ke zpětnému překlopení Schmittova obvodu teprve až v momentě, kdy je $U_{+}>U_{-}\,$ o více než $H_{+}\,$.Oba tyto děje jsou znázorněny na obrázku hysterezního diagramu. Je z něj vidět, že Schmittův klopný obvod se v mezích ${\pm }H\,$ chová jako paměť minulého stavu.

Velikost hystereze se u Schmittova klopného obvodu s operačním zesilovačem vypočítá podle vztahu:

${\pm }H=\pm U_{S}\left({\frac {R_{1}}{R_{2}}}\right)$