Elektrolaboratoriet RAPPORT Oppgave nr.: 5 Tittel: Komparator Skrevet av: Espen Severinsen Klasse: 14HBIELEB Øvrige deltakere: Vegard Bakken. Faglærer: Ian Norheim Lab.ing: Oppgaven utført, dato 19.01.2015 Rapporten innlevert, dato: 7.01.2016 Faglærers kommentarer: Signatur og dato
Innhold 1.Innledning... 3 2. Måleutstyr og komponenter... 3 3. Komparatorer... 4 3.1 Operasjonsforsterker som komparator... 4 3.2 Analog komparator... 5 4. Mørke-detektor... 6 5. Polaritets-detektor... 7 6. signal monitor... 8 6.1 Effektforbruk... 10 7. Konklusjon... 11 Side 2 av 11
1. INNLEDNING I elektriske kretser er det ofte behov får å sammenligne forskjellige potensialer i ulike noder for å avgjøre hvilket av disse som har høyest verdi. I denne oppgaven skal det sees nærmere på hvordan vi kan gjøre dette med opperasjonsforsterkere og komparatorer, og hvordan vi kan utnytte dette i forskjellige kretser. Rapporten går nærmere inn på hvordan der er mulig å benytte en komparator for å løse tre praktiske tilfeller: 1) Slå på et lys når det blir mørkt. 2) Indikere om et nodepotensial er positivt eller negativt. 3) Vise om et digitalt signal har riktige spenningsverdier. 2. MÅLEUTSTYR OG KOMPONENTER Under følger en oversikt over instrumenter og komponenter som ble brukt under utførelsen av labboppgaven. Tabell 1. Instrumenter Oscillioscop: Tektronix TDS2002 EL5006 Signalgenerator: TTi TG550 EL3013 Spenningskilde: Rhode&Schwarz 06755 Multimeter: Fluke 37 RE02305 Tabell 2. Komponenter Opperasjonsforsterker LM 741 Komperator LM 311 Lysdioder Rød \ Grønn Motstander Div LDR 0,8kΩ (dagslys) 4,5MΩ Potensiometer 0 50kΩ Side 3 av 11
3. KOMPARATORER I elektronikken er en komparator en komponent som sammenlikner to spenningsnivåer og indikerer med et digitalt signal hvilket som har høyest potensial. Den har to innganger henholdsvis V + og V. Utgangen V o vil ideelt bli: 3.1 Operasjonsforsterker som komparator Teorien bak en opperasjonsforsterker (op-amp) brukt som en komparator er ganske enkel. En op-amp har en veldig høy «open-loop» forsterkning, noe som betyr at selv en liten differensiell inngangsspenning vil drive utgangspenningen til det ene ytterpunktet eller det andre. Disse ytterpunktene er gitt av spenningen tilkoblet op-ampen. I figur 1 under vil disse ytterpunktene være +15V og 0V. En av fordelene med en op-amp koblet på denne måten er at man fritt kan velge både nedre og øvre grense. En av utfordringene med bruk av en opamp til dette formålet er at den vil bruke noe tid på å endre spenningen på utgangen. Hvor raskt dette kan skje er oppgitt i databladet som «slew-rate» og er oppgitt i V/µs. Dette kan føre til at op-ampen ikke vil reagere raskt nok for en del applikasjoner der vi for eksempel operer med høye frekvenser. Siden det er forsterkeren selv som leverer all spenning vil det også være en del andre begrensinger når det kommer til praktisk bruk. Det vil for eksempel ikke være mulig å sammenkoble utgangene på flere forsterkere for å lage logiske betingelser. Figur 1. Operasjonsforsterker som komparator Side 4 av 11
3.2 Analog komparator En komparator er en spesialdesignet krets som ligner mye på en opperasjonsforsterker men en viktig forskjell er at utgangen på komparatoren er en elektronisk bryter. Denne bryteren ligger mellom utgangen og jord. Derfor har komparatorer ofte en egen jordpinne til motsetning til operasjonsforsterkere. Disse brukes oftest bare med en enkelt spenningskilde og jordpinnen blir derfor ofte koblet sammen med V EE. Se figur 2 og 3. Her må derfor en ekstern motstand brukes for å skaffe en spenning U4når bryteren er åpen. Denne motstanden blir ofte kalt «pull-up» motstand. Hvordan dette kan gjøres er vist i figur 2 under. VCC 10V 10V R1 2 3 4 8 5 1 6 7 LM311H R2 Figur 3. Pinneplassering for LM311 komparator Figur2. Komparator med pull-up motstand En av fordelene med dette er at du ikke er begrenset til spenningen som forsyner komparatoren. En annen fordel er at utgangene på flere komparatorer kan kobles sammen slik at utsignalet vil være gitt av en kombinasjon av innsignalene på komparatorene. Dette kan for eksempel brukes til å realisere ulike og avanserte digitale logiske funksjoner. Dette blir utnyttet i kapittel 5. En annen fordel er at komparatoren vil reagere raskere enn en opperasjonsforsterker brukt som en komparator. Dette skyldes i stor grad at det ikke er forsterkeren selv som leverer spenningen men den blir levert via en «pull-up» motstand. Parameteren «slew-rate» gir derfor liten mening for en komparator. Tiden det tar for komparatoren å bytte tilstand på utgangen i forhold til inngangen vil være mer nyttig her. Denne er ofte gitt som «response time» i databladet. Side 5 av 11
4. MØRKE-DETEKTOR Her skal det konstrueres en krets som skal tenne en lysdiode når det begynner å bli mørkt. Denne kretsen kan realiseres ved hjelp av enten en opperasjonsforsterker brukt som en komparator eller en ren komparator. Her velges det en opperasjonsforsterker siden responstiden ikke er av betydning og det ikke er aktuelt å sammenkoble flere utganger for å skape ytterlige betingelser. I tillegg til dette vil det ved å bruke en opperasjonsforsterker ikke forbrukes nevneverdig effekt når lysdioden er av. En komparator med pull-up motstand vil derimot bruke effekt også når lysdioden er slukket, da pull-up motstanden vil ligge med full kildespenning mot jord. Se figur 2. For å realisere denne kretsen tas det utgangspunkt i en lysavhengig motstand (LDR) og et potensiometer som brukes til å justere når det er ønskelig at lysdioden skal begynne å lyse. Disse brukes sammen med vær sin motstand for å danne to justerbare spenningsdelere som kobles inn på vær sin inngang som vist på figur 4 under. POTENSIOMETER 0-50KΩ LDR 0-4,5MΩ 50 % 100 % R3 12V 560Ω R1 25kΩ R2 40KΩ LM741CN Figur 4. Mørke-detektor Her tas det utgangspunkt i komponentplassering som vist i figur 4 over. Når lysnivået på den lysavhengige motstanden synker vil motstandsverdien øke dermed vil spenningen over R2 synke. Opperasjonsforsterkeren brukt i kretsen vist i figur 2 vil legge 12V på utgangen når spenningen på V + overstiger spenningen på V og 0V i motsatt tilfelle. Siden det er ønskelig at lysdioden skal begynne å lyse når lysnivået synker kobles V over R2 og V + over R1. For å finne verdiene på motstandene R1 og R2 tas det utgangspunkt i at den lysavhengige motstanden har en verdi på ca 40kΩ når den er lett tildekket. R2 velges derfor til 40kΩ slik at halve kildespenningen ligger over R2, i dette tilfelle 6V. Det tas videre utgangspunkt i at det er ønskelig å ha mulighet til å finjustere når man mener det er mørkt nok. R1 velges derfor til 25kΩ som er midtpunktet til potensiometeret. For å finne motstanden R3 tas det utgangspunkt i en dimensjonerende strøm gjennom lysdioden på 20mA med et tilhørende spenningsfall på 2V. Motstanden finnes da ved ohms lov: R 3 = V cc V D I = 12V 2V 20mA = 500Ω Det er også viktig å forsikre seg om at motstanden ikke er så liten at det blir utviklet for mye effekt i denne. Motstandene skal tåle 0.5W, men det er ønskelig med en motstandsverdi som er en del høyere enn hva dette vil tilsi. Side 6 av 11
Den minste motstanden finnes da ved hjelp av følgende utrykk: R min = V2 = 102 P max 0.5W = 200Ω Motstanden på 500Ω er godt over minimumskravet. Av praktiske årsaker ble det valgt en motstand på 560 Ω. Denne motstandsverdien vil bli brukt uten videre forklaring for alle diodene i resten av rapporten. Kretsen ble koblet opp i henhold til figur 4. Hvordan oppkobling kan se ut er vist i figur 5 under. Figur 5. Mørkedetektor 5. POLARITETS-DETEKTOR Det skal her konstrueres en krets som angir med lysdioder om det elektriske potensialet i en node i en elektrisk krets er positivt eller negativt. En rød lysdiode skal lyse når potensialet er positivt og grønn diode når potensialet er negativt. Igjen løses dette problemet med en opperasjonsforsterker brukt som en komparator som vist på figur 6 under. V kobles til jord altså 0V og spenningskilden som simulerer noden kobles til V +. Når potensialet her stiger over 0V vil opperasjonsforsterkeren legge +12V på utgangen og vil forspenne den røde dioden D1 i lederetning, denne vil dermed lyse. Den grønne dioden D2 vil bli forspent i sperreretning og vil forbli mørk. Derimot når potensialet i V + synker under 0V vil forsterkeren levere -12V på utgangen. I dette tilfelle vil jordpotensialet ligge høyere enn spenningen på utgangen og dioden D2 forspennes i lederetning mens dioden nå D1 vil sperre. Motstanden R1 vil i begge tilfeller fungere som en strømbegrenser etter samme prinsipp som i kapittel 4. Påtrykkes et periodisk signal vil diodene lyse vekselsvis, hastigheten vil være bestemt av frekvensen samt signalets form og størrelse. 12V R1 12V 5Vrms 2Hz 0 LM741CN 560Ω D1 D2 Figur 6. Polaritetsdetektor Side 7 av 11
Kretsen ble koblet opp som angitt på figur 6 og det ble benyttet en sinusspenning med lav frekvens for å teste detektoren. Hvordan en slik detektor kan se ut i praksis kan sees på figur 7 under. Figur 7. Oppkobling av polaritetsdetektoren 6. SIGNAL MONITOR Et binært signal har to «nivåer», et for «høy» og et for «lav» ofte representert ved henholdsvis 1 og 0. Et mye brukt spennings nivå er +5V for 1 og 0V for 0. For at det skal være lettere å registrere disse verdiene i praksis er det lagt inn soner hvor signalet defineres til å være enten høy eller lav. Disse er her gitt til å være +2.4V for øvre grense og +0.4V for nedre grense. Figur 8 illustrerer dette. Figur 7. Digitalt signal Figur 8. Digitalt signa med terskelverdier Her skal det lages en krets som overvåker et digitalt signal. En rød lysdiode skal indikere om signalet er innenfor det ulovlige vinduet. Dersom signalet er innenfor lovlige verdier skal en grønn lysdiode lyse. Når det er ønskelig at noe skal skje så lenge en verdi er innenfor et visst intervall må det benyttes en form for logiske funksjon. Det er tidligere argumentert for at utgangene på en opperasjonsforsterker ikke kan kobles sammen for å oppnå dette. Her må det derfor benyttes komparatorer. Komparatorer av typen LM 311 er brukt her. Nærmere teori rundt komparatoren er behandlet i kapittel 3.2. Det kan være hensiktsmessig å ta for seg det ulovlige område der den røde lysdioden skal lyse først. Denne skal lyse i et intervall, så vi starter med å konstruere en spenningsdeler som gir oss grenseverdiene. En enkel måte å gjøre dette på er å bruke en spenning på 10V og motstander på til sammen 10kΩ, der to motstander på 400Ω og 2kΩ inngår som vist på figur 9 på neste side. Side 8 av 11
VCC 10V R1 7.6KΩ R2 2kΩ R3 400Ω Probe3 V: 2.40 V Probe4 V: 400 mv Nedre grense for det ulovlige området er definert til 0.4V derfor tas det ut en spenning på 0.4V som vist på figur 9. Denne tilkobles V på en komparator. V + på den samme komparatoren kobles til signalet vi vil føle på. Så lenge signalet er under 0.4V vil V + < V, og komparatoren legger dermed bryteren til jord (logisk 0). Når signalet derimot overskrider denne vil bryteren være åpen (logisk 1). Siden en komparator ikke selv leverer noen spenning selv må dette som nevnt tidligere skaffes med en pull-up motstand, kobles det en diode etter denne mot jord vil denne nå lyse. For å skaffe oss en øvre grense bruker vi samme fremgangsmåte. Den øvre grensen 2.4V hentes som vist på figur 9 og kobles inn på V + på en ny komparator og det samme signalet kobles inn på V. Når signalet nå overstiger 2.4V vil V + < V og denne vil dermed ligge til jord. Figur 10 på neste side viser hvordan dette kan se ut. Begge komparatorene må dermed ligge høye for at dioden skal lyse. Dette kan derfor sees på som en logisk AND funksjon. Figur 9.. Spenningsdeler for grenseverdiene En grønn lysdiode skal indikere at signalet er innenfor lovlig område. Dette kan utføres på forskjellige måter. Får å unngå unødvendig komplisert logikk ansees det som rimelig å anta at signalet er innenfor lovlige verdier når det er utenfor det ulovlige området, altså når den røde lysdioden ikke lyser. Når dioden ikke lyser vil spenningen over den være 0V. For å indikere når dette inntreffer tas det i bruk en ny komparator. For å gjøre dette på en så pålitelig måte som mulig tas det utgangspunkt i at en rød diode har et typisk spenningsfall på 1.5V-2.0V når denne lyser. Når spenningen synker godt under dette nivået er det rimelig å anta at lysdioden er slukket, slik at den grønne lysdioden skal begynne å lyse. Til dette formålet brukes en allerede tilgjengelig spenning på 0.4V fra den tidligere konstruerte spenningsdeleren. Denne tilkobles V + på komparatoren som vist i figur 10 på neste side. V kobles over dioden. Når den røde lysdioden nå slukker vil V + > V og komparatoren vil da ikke legge bryteren til jord. Strømmen vil da føres gjennom R5 og den grønne lysdioden til jord. Motstandsverdiene fra tidligere kapitler er uendret selv om spenningen er redusert med 2V. Dette vil ikke ha noen praktisk betydning og ble gjort av praktiske årsaker. Side 9 av 11
V+ R1 7.6KΩ R4 560Ω Probe1 V: 2.40 V R2 2kΩ 2 3 4 8 5 1 6 U1 7 LM311H R5 560Ω V1 10V Probe2 V: 400 mv R3 400Ω 2 3 5V 1s V- V+ 4 8 1 5 6 U2 7 LM311H 2 3 LED1 4 8 5 1 6 U3 7 LM311H LED2 V- Figur 10. Komplett signalmonitor 6.1 Effektforbruk Når det gjelder effektforbruk i kretsen på figur 8 er det tydelig at mye effekt vil gå tapt i motstandene R4 og R5 siden disse alltid vil tilnærmet lik strøm, enten igjennom lysdiodene eller gjennom komparatoren til jord. Dette er effekter det er viktig å ta høyde for hvis kretsen skal benyttes til praktiske formål. Siden komparatoren U3 fungerer som en enkel bryter uten noen ekstra logikk vil det være mulig å bytte ut denne med en opperasjonsforsterker for å fjerne tomgangsstrømmen i R5. Dette kan utføres uten større endringer. Motstanden R5 legges i serie med utgangen på forsterkeren mens forsyningsspenningen og resten av tilkoblingene vil være uendret. Når LED1 ikke lyser vil V + > V og forsterkeren legger 10V på utgangen. I motsatt tilfelle vil V + < V, forsterkeren vil dermed legge 0V på utgangen. Side 10 av 11
7. KONKLUSJON En opperasjonsforsterker kan i mange applikasjoner brukes problemfritt som en komparator. Til noen helt enkle bruksområder kan til og med en opperasjonsforsterker være å foretrekke fremfor en komparator. Siden denne selv leverer utgangspenningen og kan dermed levere spenninger med forskjellig polaritet. En opperasjonsforsterker er laget for å forsterke et inngangssignal ikke for å hurtig skifte mellom spenningsnivåer. En opperasjonsforsterker vil derfor ikke klare å håndtere høye frekvenser og korte pulser. Den kan heller ikke brukes i mer kompliserte kretser som krever flere betingelser. En komparator kan brukes der det kreves kjapp responstid og der det er behov for ulik logikk for å påvirke et utsignal. Prisen som ofte må betales for dette er tomgangsstrømmer i pull-up motstander som ligger til jord når utsignalet er «lavt». Det er tydelig at selv om en opperasjonsforsterker kan brukes som en komparator i noen tilfeller er dette to forskjellige komponenter som er tiltenkt forskjellige bruksområder. Side 11 av 11