|
Compareren betekent vergelijken. U kunt heel veel dingen met elkaar vergelijken, maar waar we het hier over gaan hebben is uiteraard het vergelijken van de grootte van twee spanningen. Een op-amp is, dank zij zijn hoge open lus versterking, een ideaal onderdeel voor het opbouwen van een dergelijke schakeling. |
Het principe van een comparator
Wat is een comparator?
Vergelijkers of comparators worden vrij vaak toegepast in de analoge elektronica, bijvoorbeeld voor het beëindigen van de cyclus van een trapspanning, maar ook voor het resetten van een zaagtandspanning of het omvormen van analoge signalen tot digitaal te verwerken spanningen. Ook in de regeltechniek kent men de comparator. De schakeling is ideaal voor het opwekken van alarmsignalen als een bepaalde spanning, die is afgeleid van een temperatuur, een druk of een vloeistofniveau, te hoog wordt.
Het basisschema van een comparator
Het basisschema van een comparator is getekend in onderstaande figuur. Wilt u vergelijken, dan hebt u twee grootheden nodig: eentje die u vergelijkt en eentje waarmee u vergelijkt. Vandaar dat een comparator altijd twee ingangsspanningen heeft. De spanning Uin is de spanning die u wilt vergelijken, de spanning Uref is een (meestal) constante spanning waarmee u de Uin vergelijkt. De ene spanning wordt aangelegd aan de positieve ingang van de op-amp, de andere aan de negatieve ingang. Er is geen terugkoppeling opgenomen tussen de uitgang en de ingangen.
 |
| Het basisschema van een comparator. (© 2017 Jos Verstraten) |
Door dit simpele feit is de werking van de schakeling in feite al duidelijk. In een van de vorige afleveringen uit deze serie leerde u dat een operationele versterker een verschilversterker is, die het spanningsverschil tussen zijn beide ingangen vele malen versterkt. De versterkingsfactor is zo groot, dat zelfs een spanningsverschil van een paar mV tussen de ingangen leidt tot een oversturing van de schakeling, dus tot het vastlopen van de uitgang tegen een van de voedingsspanningen.
Van deze eigenschap maakt u gebruik bij de comparator. Stel dat u Uref instelt op +5 V. Als de spanning op de positieve ingang lager is dan die waarde, dan bestaat er een negatief spanningsverschil tussen de positieve en de negatieve ingang van de op-amp. Dit spanningsverschil wordt tienduizenden malen versterkt, zodat de uitgang van de schakeling de negatieve voedingsspanning opzoekt. Als u nu de spanning op de positieve ingang langzaam laat stijgen, zal op een bepaald moment het spanningsverschil tussen beide ingangen van polariteit wisselen. De spanning op de positieve ingang wordt dan groter dan de spanning op de negatieve ingang. Ook dit spanningsverschil wordt tienduizenden malen versterkt, waardoor de uitgang van de schakeling opeens omschakelt van tegen de negatieve voedingsspanning naar tegen de positieve voedingsspanning.
Kortom: het overschrijden door Uin van de referentiespanning, al is het maar met een paar mV, wordt door de schakeling gedetecteerd en levert een forse spanningssprong op aan de uitgang.
De comparator grafisch verklaard
In onderstaande figuur hebben wij de werking van de schakeling grafisch voorgesteld. De bovenste grafiek geeft het verloop van de ingangsspanning, in dit voorbeeld driehoekvormig. In stippellijn is de referentiespanning Uref ingetekend. De onderste grafiek geeft de uitgangsspanning weer en u ziet dat deze positief is de ingangsspanning groter is dan de referentie.
 |
| De werking van de schakeling grafisch toegelicht. (© 2017 Jos Verstraten) |
Experimenteer mee met deze cursus!
U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:
Hobby-lab: bouw een analoge trainer
De comparator op uw experimenteerprint
In onderstaande figuur hebben wij het basisschema van de comparator op de universele op-amp trainer opgebouwd. U hebt nu al zoveel ervaring met het experimenteren met dit printplaatje, dat wij er zeker van zijn dat u zonder onze schriftelijke hulp aan de slag kunt met de zeer nuttige comparatorschakeling.
 |
| Het schema van de comparator op de trainer. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het enige dat u nodig hebt zijn twee instelbare gelijkspanningen. Die kunt u weer afleiden uit twee 9 V batterijtjes, waarover u twee potentiometers aansluit. Door de lopers van deze onderdelen te verdraaien kunt u de twee spanningen variëren tussen -9 V en +9 V.
 |
| Op deze manier genereert u de twee ingangsspanningen voor de comparator. (© 2017 Jos Verstraten) |
Toepassingen van een comparator
Van sinus naar blok
In onderstaande figuur maakt u kennis met een van de bekendste toepassingen van de comparator, het omzetten van een sinus in een blok. De goedkopere soort signaalgeneratoren, voor een tientje te koop als bouwpakket, zijn meestal opgebouwd rond een sinusgenerator. Zo'n sinusspanning is erg handig voor het testen van bijvoorbeeld versterkers, maar soms hebt u behoefte aan een vierkantgolf. Door gebruik te maken van een comparator kunt u dit signaal afleiden uit de sinus. De referentiespanning van de comparator wordt dan ingesteld op 0 V, de uitgang schakelt dan telkens om bij de nuldoorgang van de sinus. De sinus wordt omgezet in een mooie symmetrische blokspanning met dezelfde frequentie als de sinus. Door middel van de omschakelaar S1 kunt u kiezen tussen sinus of blok op de uitgang.
 |
| Het omzetten van een sinus in een blok. (© 2017 Jos Verstraten) |
In de laatste figuur van dit artikel ziet u een andere toepassing van de comparator. Als u de frequentie van een signaal digitaal wilt meten, dan moet u dat signaal eerst zo bewerken dat het geschikt is voor de digitale IC's in het meetsysteem. De analoge ingang wordt daarom eerst versterkt (signaal B) en nadien aangeboden aan een comparator.
Deze maakt van het ingangssignaal een puls en deze puls kan door de digitale schakelingen worden verwerkt. Omdat digitale signalen werken met spanningen van 0 V tot +5 V of tot +12 V, moet de negatieve uitgang van de comparator worden begrensd op 0 V. Vandaar de diode aan de uitgang, die gaat geleiden als de uitgang van de op-amp negatief wil worden. De meeste op-amp's kunnen deze kortsluiting van hun uitgang bij negatieve uitgangsspanningen zonder meer verdragen.
 |
| Het voorbereiden van een analoog signaal op de digitale verwerking ervan. (© 2017 Jos Verstraten) |
|
|