Dnes se budeme zabývat komparátory.
Komparátor
Operační zesilovač (OZ) se dá zapojit i tak, že výstup ovlivňuje napětí na jeho neinvertujícím vstupu. Když si představíte, že OZ půjde s výstupem připojeným k neinvertujícím vstupu ke kladnému napájecímu napětí, OZ tím bude mít ještě větší rozdíl mezi vstupy v tom smyslu, že bude výstup OZ nutit ještě více zvyšovat napětí. Pokud půjde výstup OZ k zápornému napájecímu napětí, sám svůj výstup bude nutit jít ještě více k zápornému napájení. Aby takové zapojení k něčemu bylo, musí být takové, aby bylo možno stav výstupu nějak z vnějšku změnit. Je potřeba si uvědomit, že OZ zde má jen kladnou zpětnou vazbu a na výstupu je tak buď plné kladné nebo plné záporné napětí.
Pro tuto nejjednodušší úlohu slouží zvláštní konstrukce OZ, kterým se říká komparátory. Dokáží obvykle zpracovat vyšší frekvence než standardní OZ a mívají na výstupu tranzistor NPN s otevřeným kolektorem. To umožňuje snadno připojit pull-up rezistor z kladného napájecího napětí a tím dosáhnout požadovaných logických úrovní.
Zde je příklad jednoho takového zapojení.
Obr. 7 – Komparátor
Pokud chceme komparátor použít pro porovnávání dvou napětí a výstup vést do nějakého nadřízeného mikrokontroleru (MCU), je celkem jasné, že vhodný obvod by měl být napájen ze stejného napájecího napětí jako MCU, a poskytovat na výstupu úrovně, které jsou bezpečně MCU rozpoznány jako H a L.
Možná se někomu bude zdát, že zjišťovat, které ze dvou napětí je větší nemá příliš velké využití, ovšem opak je pravdou. Porovnáním napětí ze světlocitlivého čidla s nějakým pevně nastaveným napětím lze zjistit, zda automaticky zapnout osvětlení. Porovnáváním signálu z teplotního čidla s trojúhelníkovým průběhem (mimochodem ten také mohou vytvářet zapojení s OZ) lze snadno generovat PWM a řídit tak otáčky motoru.
Integrovaný obvod LM393 obsahuje v jednom osmivývodovém pouzdře dva komparátory, má výstup s otevřeným kolektorem a je schopen svůj výstup stáhnout téměř až k zápornému napájecímu napětí, kterým je často zem. Díky své ceně, srovnatelné s horší žvýkačkou, ho lze jednoznačně doporučit pro první experimenty.
Konkrétní zapojení z obr. 7 je vhodné v situacích, kdy potřebujeme převést vstupní signál na požadované logické úrovně, zároveň si ale nepřejeme překlápění mezi logickými úrovněmi v situacích, kdy se vstupní signál pohybuje v blízkosti nějaké rozhodovací napěťové úrovně, ale až v okamžiku, kdy se jeho velikost bude od rozhodovací úrovně poněkud lišit.
V tomto zapojení přivádíme vstupní signál na invertující vstup, výstup tedy bude proti vstupu logicky negován. S konkrétními hodnotami součástek při napájecím napětí 5 V dosáhneme toho, že při vstupním napětí vyšším než 2,6 V se výstup nastaví na logickou úroveň L, na logickou úroveň H se nastaví při napětí nižším než 2,4 V. Pokud se vstupní napětí bude pohybovat v rozmezí 2,4 V až 2,6 V, stav výstupu se nezmění. Toto zapojení tedy má tzv. hysterezi (v tomto konkrétním přikladu je vejí velikost 2,6 – 2,4 = 0,2 V). V jejím rozsahu je zapojení necitlivé na změny vstupního napětí.
A k čemu je taková hystereze dobrá? Představme si situaci, kdy potřebujeme při určitém napětí, přivedeném například z teplotního čidla, spínat a rozpínat relé. Pokud bychom použili jen komparátor bez zavedené hystereze, při vstupním napětí blízkém s porovnávaným by mohlo spínané relé začít kmitat nebo zbytečně příliš často spínat při sebemenší změně výstupního napětí čidla. Zavedení hystereze takovým stavům zabrání a je jen na konstruktérovi, aby hysterezi pro daný účel správně nastavil.
Zaměníme-li v uvedeném zapojení rezistor 120k za 10k, změní se úrovně překlápění na zhruba 1,7 V a 3 V.
Ještě dodám, že protože v tomto případě jsme použili komparátor s otevřeným kolektorem, vysoká výstupní úroveň je zde vytvořena pull-up rezistorem, takže výstup ve vysoké úrovni zatěžujeme rezistorem kladné zpětné vazby tak, že při uvedených součástkách a 10k rezistoru ve zpětné vazbě bude výstupní úroveň H přibližně 4 V, zatímco při použití zpětnovazebního rezistoru 120k bude úroveň H přibližně 4,8 V. Je tedy zřejmé, že výstup takto zapojeného komparátoru si nemůžeme dovolit příliš zatěžovat, ale pro vstupy běžných MCU bude jeho výstupní proud více než dostatečný.
Závěr
V zapojeních s OZ se nejčastěji setkáte s rezistory v řádu jednotek až desítek kiloohmů a to z důvodu, že každý reálný OZ se ideálnímu se může jen více či méně přibližovat (například nemá nekonečnou vstupní impedanci, nelze jej jakkoli beztrestně zatěžovat atp.).
Rád bych podotknul, že OZ je možno zapojit se zpětnou vazbou, která různě přenáší různé kmitočty a tak lze vytvořit dolní, horní, nebo pásmové propusti. Právě tak lze s OZ vytvořit například analogový PID regulátor. S pomocí OZ můžeme provádět učiněná kouzla, pro která bychom v digitálním světě leckdy potřebovali slušný výpočetní výkon, přitom velmi efektivně a levně.
Návrh takových zapojení ale převyšuje znalosti, které jsem se Vám nyní snažil předat, a které byly jen úplnými základy práce s OZ.
Znovu jen zopakuji, že pokud si představíte, co se děje na výstupu OZ vzhledem k jeho vstupům, budete již schopni u mnoha zapojení s OZ jen zdravým úsudkem posoudit, proč a jak které zapojení pracuje.