|
Deze schakeling vergelijkt twee spanningen met elkaar. Zoals iedere goede comparator heeft ook deze schakeling een hysteresis. Zo'n schakeling heeft in en om uw huis talrijke toepassingen, wij geven u aan het slot van dit artikel een uitgewerkt voorbeeld, een trappenhuis automaat. |
Een comparator met hysteresis
Inleiding
Een universele comparator heeft veel praktische toepassingen. Met een comparator kunt u immers een vaste referentiespanning (een drempelspanning) vergelijken met een variërende spanning. Wordt de variërende spanning gelijk aan de drempel, dan schakelt de comparator om. Het is dus heel eenvoudig om met een dergelijke schakeling tijdvertragingen te realiseren. Het volstaat immers de vaste referentie te vergelijken met een langzaam stijgende spanning. Een dergelijke spanning kunt u opwekken door een condensator via een weerstand te laden. Vandaar dan ook dat u deze schakeling ook een 'universele comparator met tijdvertraging' kunt noemen, want bij de meeste toepassingen zult u wel iets in functie van de tijd moeten in- of uitschakelen.
Toepassingen van een dergelijke schakeling
Enige praktische toepassingen van de beschreven schakeling in en om uw huis zijn:
- Trappenhuis verlichting.
Een verlichting, waarbij u op ieder etage een drukknop hebt waarmee u het volledige trappenhuis kunt verlichten. Natuurlijk moet er dan een tijdschakelaar ingebouwd worden die er voor zorgt dat het licht na enige tijd weer automatisch uitgaat. Daarvoor volstaat het de vaste drempelspanning van de comparator te vergelijken met een langzaam dalende spanning. - Thermostaat regeling.
Waarbij de spanning die wordt opgewekt door een temperatuursensor wordt vergeleken met de drempel van de comparator. - Tijdschakelingen.
Allerlei tijdschakelingen, die allemaal werken volgens het beschreven principe van vergelijken van een vaste spanning met een langzaam stijgende of dalende spanning. - Automatische buitenverlichting.
De vaste drempelspanning van de comparator wordt vergeleken met een spanning die door een LDR of een foto-diode wordt gegenereerd.
Het blokschema
Het blokschema van de universele comparator is getekend in onderstaande figuur. De schakeling is de eenvoud zelve. Hart van het ontwerp is een schmitt-trigger die de ingangsspanning vergelijkt met een ingebouwde drempel. Vóór de schmitt-trigger is een ingangsschakeling opgenomen, die zo universeel mogelijk van opzet is. U moet namelijk zélf deze ingangsschakeling verzinnen en hoe die ingangsschakeling er uit ziet is uiteraard afhankelijk van de toepassing van de comparator. Om zo universeel mogelijk te kunnen werken is de ingangskring wel voorzien van een emittervolger, zodat de ingang van de schakeling zo min mogelijk belast wordt.
De schmitt-trigger stuurt een relaistrap met een omschakelcontact. Ook daarmee kunt u alle kanten op! Bovendien levert deze uitgangstrap een terugkoppelsignaal naar de ingang. Dit signaal wordt laag als de ingangsspanning groter wordt dan de drempel van de comparator.
Tot slot is er uiteraard een voeding aanwezig, die niet alleen de eigen schakeling van de comparator voedt, maar ook gebruikt kan worden voor het voeden van de zelf te ontwerpen ingangskring.
 |
| Het blokschema van de schakeling. (© 2019 Jos Verstraten) |
In de meeste toepassingen zult u aan de universele comparator een zeer langzaam variërende spanning aanbieden. Deze wordt vergeleken met een vaste referentiespanning, een zogenaamde 'drempel'. In theorie gaat dan zonder problemen. Maar hoe is de praktijk? Vaak zal de ingangsspanning niet geheel en al zuiver zijn, maar verontreinigd met bijvoorbeeld een beetje brom van de voeding of ruis. Op het moment dat de ingangsspanning gelijk wordt aan de referentiespanning zal de schakeling iedere kleine positieve rimpel of ruis opvatten als het overschrijden van de drempel. Het uitgangsrelais klapt om. Maar als even later de brom negatief wordt zal de ingangsspanning weer onder de drempel zakken. Het relais valt af. Zonder speciale maatregelen zal het relais dus gaan klapperen, iets dat niet zo handig is. Een en ander is nog eens (overdreven) toegelicht in de linker grafieken van onderstaande figuur. In het interval t1 tot en met t2 is de ingangsspanning gelijk aan de referentiespanning, maar door de getekende verontreiniging op het ingangssignaal zal de schakeling gaan klapperen.
 |
| Het nut van twee verschillende drempels grafisch verklaard. (© 2019 Jos Verstraten) |
Een schmitt-trigger
Voor een dergelijk systeem hebt u een schmitt-trigger nodig. Zo'n schakeling kan opgebouwd worden met een operationele versterker, met een TTL-IC of met twee transistoren. Om de schakeling bestand te maken tegen de meest gruwelijke externe condities is gekozen voor een transistorschakeling. Deze is het best bestand tegen overspanningen of allerlei andere kwalijke ingangscondities, die een TTL-IC of een op-amp zouden kunnen beschadigen.
De praktische schakeling van deze schmitt-trigger is getekend in onderstaande figuur. De schakeling bestaat uit twee transistortrappen, die onderling teruggekoppeld zijn via een gemeenschappelijke emitterweerstand. En dat laatste is heel belangrijk, want de schmitt-trigger werking van de schakeling is een gevolg van deze gemeenschappelijke weerstand.
 |
| De schakeling van een schmitt-trigger. (© 2019 Jos Verstraten) |
Stel dat de ingangsspanning 0 V is. Transistor T1 is dan uiteraard gesperd en zijn collectorspanning is hoog. De tweede transistor wordt uit deze hoge spanning gevoed via de weerstanden R4 en R5. Deze transistor wordt in verzadiging gestuurd. Zijn collectorstroom wordt voornamelijk bepaald door de waarde van de collectorweerstand R2. Deze stroom wekt over de gemeenschappelijke emitterweerstand R1 een bepaalde spanning op, die UREF1 wordt genoemd.
Stel nu dat de ingangsspanning gaat stijgen. Als deze spanning ongeveer 0,6 V groter wordt dan deze UREF1 gaat transistor T1 geleiden. De spanning op de collector daalt, de basis van T2 ontvangt minder stroom en T2 begint te sperren. De stroom door de keten R2-T2-R1 daalt, met als gevolg dat de spanning over de gemeenschappelijke emitterweerstand gaat afnemen. Maar hierdoor wordt het spanningsverschil tussen de basis en de emitter van T1 groter. Deze halfgeleider gaat dus meer geleiden, met als gevolg nog minder sturing voor T2.
Er ontstaat een lawine-effect dat tot gevolg heeft dat transistor T1 in verzadiging wordt gestuurd en transistor T2 in sper. De spanning over de gemeenschappelijke emitterweerstand wordt nu bepaald door de collectorstroom van T1. En deze is op zijn beurt weer afhankelijk van de grootte van de collectorweerstand R3. Als u er voor zorgt dat deze weerstand groter is dan R2 zal de emitterspanning lager zijn dan in de eerste stabiele toestand van de schakeling. Deze nieuwe drempel wordt UREF2 genoemd.
Op deze heel eenvoudige manier hebt u dus voldaan aan de voorwaarde van twee verschillende drempelspanningen.
De werking van de schakeling wordt grafisch verduidelijkt aan de hand van de rechter grafieken. Hieruit blijkt duidelijk dat de uitgang van de schakeling 'H' is als de ingangsspanning groter wordt dan de bovenste referentiespanning UREF1 en weer 'L' wordt als de ingangsspanning kleiner wordt dan de onderste referentiespanning UREF2.
Let er echter wél op dat dit 'L'-niveau niet gelijk is aan 0 V. De collector van T2 kan immers nooit naar massapotentiaal schakelen, zelfs niet bij volledige verzadiging van de transistor. De collector staat minstens op een spanning die minstens gelijk is aan UREF2. Maar dat kleine euvel is gemakkelijk te verhelpen in de uitgangstrap.
Het volledig schema van de schakeling
Het volledig schema van de universele comparator is getekend in onderstaande figuur. De voeding is dubbel uitgevoerd. Van een trafo met twee secundaire wikkelingen van 12 V worden met behulp van de dioden D1 en D2 twee voedingsspanningen van ongeveer 15 V afgeleid. De voeding D1/C1 stuurt de ingangsschakeling en de schmitt-trigger. De voeding D2/C2 wordt alleen gebruikt voor de relaistrap. Op deze manier ontstaat een ideale scheiding en zal het inschakelen van het relais de schmitt-trigger minimaal beïnvloeden.
De ingangsschakeling bestaat uit niets meer dan de emittervolger T1. De ingangsspanning wordt aangesloten op de basis, dus op punt B en deze moet natuurlijk gerefereerd worden naar de massa op punt D. Ook de voeding van 15 V staat ter beschikking voor het opbouwen van de ingangsschakeling (punt A).
Na de emittervolger komt de reeds beschreven schmitt-trigger. Deze wordt gestuurd vanuit de emitter van T1 via een basisweerstand van 10 kΩ. Let op het verschil in weerstandswaarde tussen de twee collectorweerstanden R6 en R7. Met de gekozen waarden is de bovenste drempel UREF1 ongeveer gelijk aan 3,75 V en de onderste drempel UREF2 aan 3,33 V. U kunt deze verhouding en ook de waarde van de drempels aan de eigen toepassingen aanpassen.
De uitgangstrap bestaat uit de transistor T4 die het relais stuurt. Vanwege het feit dat de collectorspanning van T3 nooit naar 0 V gaat is een zenerdiode D3 tussen de collector van T3 en de basis van T4 geschakeld. Deze zorgt ervoor dat T4 alleen kan geleiden als T3 volledig spert.
De weerstand R9 is noodzakelijk omdat in het prototype een relais met een spoelspanning van 5 V werd gebruikt. De collectorspanning van T4 wordt teruggekoppeld naar de ingang en staat op punt C ter beschikking. De drie relaiscontacten staan ter beschikking op de printpennen I, H en G.
 |
| Het volledig schema van de schakeling. (© 2019 Jos Verstraten) |
De bouw van de schakeling
De print en de componentenopstelling
De bouw van de schakeling is probleemloos. Op de plekken die zijn aangeduid met de lettercodes, namelijk A, B, C, D, E, F, G en H moet u in dit stadium niets solderen behalve printsoldeerlipjes. Daar kunnen, afhankelijk van de toepassing, extra componenten op worden aangebracht.
 |
| De print voor de schakeling. (© 2019 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2019 Jos Verstraten) |
Toepassingen van de schakeling
Het equivalent schema
De universele comparator kan voorgesteld worden door het equivalent schema van onderstaande figuur. De lettercodes A tot en met H op de print zijn hier in hun schakeltechnisch verband ingevoegd, zodat u onmiddellijk kunt zien wat waar terecht komt als u een extra onderdeel op de print soldeert. Bij alle toepassingen van de universele comparator moet u voor ogen houden dat de schakeling de spanning tussen de punten B en D (B positief ten opzichte van de massa D) vergelijkt met de twee interne drempels van 3,33 V en 3,75 V. Als de spanning op punt B ten opzichte van punt D groter wordt dan 3,33 V slaat het relais om en wordt de spanning op punt C gelijk aan 0 V. In ruststand staat op punt C een spanning van ongeveer +15 V. Deze kan belast worden met een paar mA, bijvoorbeeld voor het in verzadiging sturen van een ontlaadtransistor die over een externe condensator is geschakeld. Op punt A staat een voedingsspanning van ongeveer +15 V ter beschikking.
Aan de hand van deze korte bespreking kan iedereen met een beetje praktische elektronica ervaring zélf toepassingen verzinnen en uitwerken.
 |
| Het equivalent schema van de schakeling. (© 2019 Jos Verstraten) |
Voor de niet zo ervaren bezoeker/ster van dit blog wordt een voorbeeldje uitgewerkt. Stel dat u in een studentenhuis woont en er steeds problemen ontstaan doordat de bewoners/sters een of meerdere lichtpunten in het trappenhuis nachten lang laten branden. De oplossing is het aanbrengen van een automatische trappenhuis verlichting met op iedere etage een of meerdere drukknoppen, die alle lichtpunten in het trappenhuis gedurende een bepaalde tijd inschakelen. Voor zo'n toepassing is de print van de universele comparator uitermate geschikt! Wat er aan extra elektronica rond de print moet komen is geschetst in onderstaande figuur.
Tussen de aansluitpunten A (de voeding), B (de ingang) en D (de massa) wordt een serieschakeling opgenomen van een drukknopje S1 en een elco C1. Over de elco wordt bovendien een instelbare weerstand R1 + R2 geschakeld. De drukknop stelt de inschakelknoppen in het trappenhuis voor. De relaiscontacten kunnen gebruikt worden voor het besturen van de lichtpunten La1 in het trappenhuis. De werking van de schakeling wordt toegelicht aan de hand van de rechter grafieken.
 |
| Een trappenhuis-automaat rond de schakeling. (© 2019 Jos Verstraten) |
Hoe deze toepassing in de praktijk in de print van de universele comparator moet worden ingepast is getekend in onderstaande figuur. De condensator C1 kan op plaats A op de print worden gesoldeerd. Op plaats C wordt een draadbruggetje gesoldeerd. De vaste weerstand R2 kan opgenomen worden op B, de potentiometer wordt aangesloten tussen de soldeerlipjes F. De drukknop, tenslotte, wordt aangesloten tussen de pennetjes D. E en G worden niet gebruikt.
 |
| De trappenhuis-automaat op de print. (© 2019 Jos Verstraten) |
Alle drukknoppen op de etages en ook alle lampen staan parallel. Let er echter wel op dat de meeste relais maar 2 A kunnen schakelen en dat dus het maximale lichtvermogen niet meer mag bedragen dan 440 W.
 |
| De trappenhuis-automaat gemonteerd in een behuizing. (© 2019 Jos Verstraten) |
60 W Digital Display Soldering Station
