Idea działania komparatora napięcia

Doskonałym przykładem zastosowania komparatora napięcia w praktyce jest nieskomplikowany termostat, którego zadaniem jest sterowanie temperaturą grzejnika pokojowego lub – co zdecydowanie lepiej nadaje się do zilustrowania zagadnienia początkującym elektronikom – grzałki wbudowanej w kolbę lutowniczą. Do wysterowania elementu załączającego zasilanie grzałki (przekaźnika, tranzystora lub triaka) potrzebna jest prosta informacja dwustanowa (binarna): jeżeli temperatura jest za niska, trzeba włączyć element grzejny, jeżeli za wysoka – wyłączyć i pozwolić na samoczynne schłodzenie się gorącego uzwojenia.

Aby zrealizować taki układ, potrzebujemy – oczywiście oprócz czujnika temperatury i ewentualnego układu wejściowego, wzmacniającego lub linearyzującego odczyty z czujnika (więcej na temat parametrów sensorów przeczytasz w artykule na temat czujników analogowych) – układu, który zaklasyfikuje wynik pomiaru do jednego z dwóch obszarów: poniżej oraz powyżej nastawionej wartości (np. 300 oC). Do ustawienia pożądanej temperatury użyjemy potencjometru z odpowiednio narysowaną skalą temperatury.

W tym momencie mamy dwa napięcia, które będzie trzeba ze sobą porównać: napięcie panujące na suwaku potencjometru oraz napięcie wyjściowe układu pomiaru temperatury. Chcemy, by element sterujący grzałką załączył się, gdy napięcie z układu pomiarowego będzie niższe, niż nastawa potencjometru i wyłączył, gdy napięcie to przewyższy potencjał suwaka naszego rezystora zmiennego. Idealnym kandydatem na układ realizujący nasze zadanie jest komparator napięcia.

Budowa komparatora napięcia

Komparator napięcia ma najczęściej postać układu scalonego, wykorzystującego przynajmniej pięć końcówek:

• dwa wyprowadzenia zasilania (oznaczane np. V+ i V- bądź VDD i VSS),
• dwa wejścia (tzw. nieodwracające, oznaczane symbolem „+” i odwracające „-”),
• jedno wyjście.

Idea działania komparatora ściśle realizuje w praktyce zagadnienie, które przedstawiliśmy w poprzednim akapicie – komparator porównuje (stąd też pochodzi jego nazwa, od angielskiego compare) napięcia na obu wejściach i jeżeli potencjał wejścia nieodwracającego przekracza potencjał wejścia odwracającego, ustawia na swoim wyjściu stan wysoki. W przeciwnym przypadku na wyjściu panuje stan niski.

W dawniej stosowanych komparatorach wyjście najczęściej miało postać pojedynczego tranzystora, którego kolektor nie był podłączony do żadnych elementów (pomijamy tutaj wewnętrzne obwody zabezpieczające) – stąd też pochodzi nazwa tego rodzaju wyjścia: otwarty kolektor (ang. open collector). Aby uzyskać odpowiednie napięcia (stany logiczne: wysoki i niski), należało podciągnąć wyjście rezystorem do dodatniej szyny zasilania. Zwarcie kolektora do masy sygnalizowało stan niski (napięcie wyjściowe było równe napięciu saturacji kolektor-emiter, czyli ułamkowi wolta), a stan wysoki manifestował się odcięciem tranzystora – wtedy „do akcji” wchodził rezystor podciągający, który wymuszał na takim wyjściu napięcie równe napięciu zasilania układu. Przykładem jest popularny układ LM311, zawierający jeden komparator w 8-nóżkowej obudowie. W handlu dostępne są także komparatory podwójne (np. LM393), a nawet poczwórne (LM239). Dziś wiele komparatorów wyposażonych jest w wyjścia typu push-pull – niewymagające podciągania, czyli oferujące „na gotowo” napięcie odpowiednie do stanu logicznego.

Histereza, czyli o trudnych wyborach, dokonywanych przez komparator

Może zastanawiasz się w tym momencie, co stanie się, gdy do obu wejść komparatora doprowadzimy dokładnie takie samo napięcie (np. zewrzemy je ze sobą)? Przecież w takiej sytuacji nie zajdzie żadna z opisanych wcześniej sytuacji. Czy komparator ustawi na swoim wyjściu napięcie równe połowie zasilania? Na pierwszy rzut oka miałoby to sens. Ale zaraz, zaraz… przecież wcześniej powiedzieliśmy, że wyjście komparatora pracuje binarnie, zatem pomiędzy stanem niskim i wysokim nie powinno być żadnych stanów pośrednich?

Masz rację! Komparator będzie musiał ustawić wyjście na któryś z dwóch dozwolonych stanów. Być może intuicyjnie wyczuwasz, że część komparatorów „zdecyduje się” na stan niski, a część – na wysoki. Tak będzie w istocie! Wynika to z niedoskonałości i rozrzutów produkcyjnych – każdy komparator ma pewne napięcie niezrównoważenia (ang. offset voltage), które określa, przy jakiej różnicy napięć „uzna” on, że obydwa wejścia znajdują się na tym samym potencjale. Dla większości popularnych komparatorów napięcie to nie przekracza od kilku do kilkunastu miliwoltów. Co jednak się stanie, jeżeli „przypadkowo” trafimy na taki układ napięć, który – z uwzględnieniem napięcia niezrównoważenia – doprowadzi komparator do progu przełączania? Na wyjściu pojawią się wtedy losowe impulsy, krótkotrwałe drgania – minimalne różnice napięć, wynikające choćby z nieuniknionych szumów i zakłóceń spowodują, że komparator będzie „miotał się” pomiędzy stanem niskim i wysokim, nie mogąc ustalić jednego, stabilnego stanu wyjściowego.

W celu uniknięcia takich niekorzystnych (i często niebezpiecznych) sytuacji stosujemy pewien trik układowy. Dodajemy dwa rezystory, jeden pomiędzy wyjściem a wejściem nieodwracającym, drugi – pomiędzy tym wejściem a źródłem napięcia, które ma być porównywane z napięciem na wejściu odwracającym (np. scalonym źródłem napięcia odniesienia). Taki układ daje możliwość „oszukania” komparatora, który przełączy się na inny stan nie w momencie „mijania” progu przełączania, ale nieco dalej. Jeżeli przyjmiemy, że na wejściu odwracającym panuje potencjał równy dokładnie 2 V, a napięcie na wejściu nieodwracającym rośnie od niższej wartości, to wyjście zmieni stan na wysoki nieco „za” wartością 2 V, np. przy napięciu 2,1 V. Z kolei przy obniżaniu napięcia na wejściu nieodwracającym, komparator przełączy się, dopiero gdy osiągnie ono 1,9 V. Różnica pomiędzy tymi dwoma nowymi progami przełączania nosi nazwę szerokości pętli histerezy i w przykładzie wynosi 0,2 V. Natomiast samo zjawisko przełączania w różnych punktach w zależności od „kierunku” zmian danej wielkości fizycznej nazywamy histerezą. Histereza jest najlepszą metodą poprawiania stabilności pracy komparatora i pozwala na pewne i jednoznaczne przełączanie wyjścia, niezależnie od szybkości zmian różnicy napięć wejściowych.