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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Analogkomparator aus einfachen Bauteilen


Autor: Christian M. (charlie)
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Hallo zusammen,

ich arbeite mich zur Zeit selbstständig in das große Gebiet der 
Analogelektronik ein, hab auch schonmal hier und da was kleineres 
zusammengebastelt. Nun möchte ich mal einen Komparator "bauen" (könnte 
man sinnvoll mit in Kombination mit MCU einsetzen).

Natürlich könnte ich jetzt bei Farnell einfach einen kaufen, gibts ja 
wie Sand am Meer. Das ist aber nicht Sinn der Sache, es geht für mich 
eher um das Verstehen.
So: also wenn ich da jetzt zum Beispiel einen Temperatursensor (oder ein 
DAC oder sonst was) drannschließe, dann ist das jetzt meiner Vorstellung 
nach ein Transistor, der erst bei einer bestimmten Eingangsspannung 
schalten darf. Ich weiß allerdings nicht genau, wie man die Referenz 
festlegen kann.
Man muss ja die Spannung so lange von der Basis "fern halten", bis > 
VRef anliegt. Vielleicht irgend eine Art von Spannungsteiler? Zumindest 
bei fester Referenz? Der Rest sollte nur noch der eine Transistor sein, 
oder funktioniert das gar nicht so einfach?

Ich setze die Referenz einfach mal auf 3,3V / 2, wobei am Ausgang vom 
Komparator dann 3,3V anliegen sollen.

Hat schonmal jemand sowas gebaut, also möglichst einfach?

Viele Grüße
Christian

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Christian M. wrote:
> oder funktioniert das gar nicht so einfach?
Nein, das funktioniert nicht so einfach. Übliche Analog-Komparatoren 
(die brauchbare Schalteigenschaften haben) sind nichts anderes als 
Operationsverstärker, die speziell für einen Betrieb in der Sättigung 
(also ohne Rückkopplung, eine geringfügige Potenzialdifferenz an den 
Eingängen sorgt bereits für Vollaussteuerung) vorgesehen sind. Ein 
normaler OPV würde durch das Aufsteuern in die Sättigung sehr langsam, 
so dass bei dedizierten Komparatoren maßnahmen dagegen getroffen werden, 
um die Schaltgeschwindigkeit zu optimieren.

Du könntest Dir aber in einem Datenblatt eines handelsüblichen 
Analog-Komparators mal den internen Aufbau ansehen und ansatzweise 
versuchen, ihn zu verstehen. Es ist nicht ganz trivial, es gibt aber 
einfache Grundschaltungen, die für "anspruchslose" Anwendungen 
ausreichen, wenn es nicht auf Dinge wie saubere Schaltflanken, 
Geschwindigkeit ankommt. Such mal nach Verstärker-Grundschaltungen...

EDIT:
OK, Klaus2 hat ja schon den Link gepostet. Da sind besagte 
"Grundschaltungen" recht gut beschrieben.

Autor: Klaus2 (Gast)
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Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Schau mal nach "Schmitt-Trigger", die Grundversion besteht aus 2 
Transistoren.

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Andrew Taylor wrote:
> Schau mal nach "Schmitt-Trigger", die Grundversion besteht aus 2
> Transistoren.
Richtig, für seine Anwendung mit einem Sensor ist natürlich eine 
Hysterese von Vorteil...

Autor: Jens G. (jensig)
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Muß die Genauigkeit hoch sein? Wenn nicht, und der Übergang auch nicht 
scharf ausgeprägt sein muß, dann ist eigentlich  schon ein einfacher 
Transistor bereits ein Comparator. Z.B. Z-Diode von E gegen Masse, so 
daß Schaltspannung=Ube+Uz. Und C über einen R paar kOhm) gegen +.
Ansonsten das Prinzip, wie von Klaus2 vorgeschlagen ...

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Jens G. wrote:
> Z.B. Z-Diode von E gegen Masse, so
> daß Schaltspannung=Ube+Uz. Und C über einen R paar kOhm) gegen +.
> Ansonsten das Prinzip, wie von Klaus2 vorgeschlagen ...
Naja, ob er jetzt zwei Transistoren oder einen Transistor und eine 
Z-Diode nimmt, macht nicht den großen Unterschied. Und Variante 1 
(Verstärker-Grundschaltung) schaltet doch deutlich sauberer...

Autor: Jens G. (jensig)
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die zwei Updates vor mir hatte ich noch gar nicht gesehen - war also 
nicht als Antwort darauf gedacht.
Wollte eigentlich damit nur andeuten, daß man auch mit einfachsten 
Prinzipien "komparieren" kann - irgendwelche Grund-Eigenschaften wurden 
ja nicht vorausgesetzt ;-)
Achja, um bei meinem Beispiel zu bleiben: ein über Basis-R 
nachgeschalteter pnp-Transistor mit Collector-R gegen Masse ergibt ein 
ordentliches masse-bezogenes Ausgangssignal. Und mit einem hochohmigen R 
(hochohmig gegenüber dem Quellen-Widerstand) vom 2. Collector zurück zur 
ersten Basis ergibt einen Comp. mit Triggerverhalten.

Autor: Christian M. (charlie)
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wow, 3 stunden weg und schon so viele Antworten ;) Danke!

die Genauigkeit spielte erstmal keine Rolle, ich wollte mich eigentlich 
nur mal mit der Materie auseinadersetzen, genauer gesagt wollte ich 
endlich mal Wissen, wie das alles im Detail funktioniert. Zum Beispiel 
wie ein ADC intern arbeitet, das ist für mich momentan einfach ein IC 
mit dem ich viel zu tun hab, wo ich ein Signal reingebe und 8/10/12 Bit 
rausbekomm (so grob). Traurig, aber leider wahr..

Aber da brauch ich nicht mit OpVerstärker anfangen wenn ich nicht weiß 
was das genau ist. Ich komm aus der 0/1  Welt (Informatikstudent) und 
kenn mich mit Digitalelektronik gut aus, nur im analogen haperts leider 
sehr.

Ziel war es für mich, klein anzufangen. Also kleine, überschaubare 
Schaltungen aus Widerständen, Kondensatoren und Transistoren und was man 
sonst noch so als "Grundbausteine" bezeichnen mag, aufzubauen und zu 
verstehen, und damit größeres zu Bauen, wie jetzt den Komparator. Aber 
naja, wenn man schon aus "Variante 1" nicht im Ansatz deuten kann wie 
man den bauen soll, ist das mehr als schlecht. Sry, so trivial eure 
Vorschläge auch sein mögen, ich kanns leider nicht umsetzen...

Trotzdem Danke.

Grüße

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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OK, um die zwei-Transistor-Verstärker-Grundschaltungen zu verstehen muss 
man natürlich erst verstanden haben, wie ein Transistor funktioniert. 
Dann ist das kein Problem mehr...

Das Elektronik-Kompendium bietet aber auch zu dem Thema Informationen.

Autor: Christian M. (charlie)
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Naja, also die Funktionsweise eines Transistors ist ja schon klar, wir 
alle haben ja das typische Bild mit p oder n dotierten Source und Drain, 
der dünnen Schicht Gateoxid und dem Gate an sich im Kopf, wobei das Oxyd 
eine Isolation zwischen Source und Drain darstellt und durch das Anlegen 
von elektr. Ladung am Gate.... Das muss ich nicht weiter Ausführen.

Nur die Frage ist: was Gewinn ich aus der Schaltung? Was ist der Witz 
dabei, wenn ich an E1 Spannung anlege und E2 gegen Masse. Klar, dann 
fließt primär erst einmal Strom von +Ub über RC1, T1, RE nach -UB. Woher 
die Differenzspannung Ua kommt ist auch klar, wenn man bedenkt, dass T2 
sperrt und somit keine direkte Verbindung zu -UB besteht und somit 
Potentialunterschied entsteht. Nur: Wo ist der Witz bei der Sache? Wie 
kann ich das effektiv nutzen?

Autor: Christian M. (charlie)
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Editieren geht wohl nicht...

aso, ich kann ja A0 und A1 nutzen.. wenn beide Transistoren gleiche 
Spannung am Gate haben und schalten, dann hab ich da kein 
Potentielunterschied, also E1 = E2. in dem vorherigen Fall war E1 > E2 
und ich kann das an A erkennen, je nach dem "in welche Richtung der 
Strom fließt", oder?
Und da die Verstärkung der Transistoren da auch noch mit einspielt, 
müsste das ja schon fast ein Komparator sein, ich muss nur noch den 
Strom begrenzen, also schauen dass ich keine negative Spannung am Pin 
vom Controller habe

Autor: HildeK (Gast)
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Es wäre jetzt sehr hilfreich, wenn du deiner Beschreibung noch eine 
passende Skizze hinzufügen könntest.

Autor: Christian M. (charlie)
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ich meinte den Aufbau vom E-Kompendium

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0209091.htm

Autor: HildeK (Gast)
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>Nur: Wo ist der Witz bei der Sache? Wie
>kann ich das effektiv nutzen?
Wenn du die Spannung an E1 kleiner als GND machst, dann wird das 
Potential an den Ausgängen vertauscht, d.h. A1 geht auf HIGH und A2 auf 
LOW. Das ist schon dein Komparator.
Immer wenn sich die Potentialdifferenz von E1 zu E2 umkehrt, tut dies 
auch die Differenz von A1 und A2.

>wenn beide Transistoren gleiche
>Spannung am Gate haben und schalten,dann hab ich da kein
>Potentielunterschied, also E1 = E2.
Das ist ein Sonderfall, dann kommst du in den linearen Bereich. In 
letzter Konsequenz gilt das für jeden Komparator. Wie empfindlich das 
ist, hängt von der verfügbaren Verstärkung (mehrstufiger Aufbau) ab. Bei 
käuflichen Komparatoren ist diese so hoch, dass bereits das geringste 
Rauschen ein ständiges Umschalten bewirkt. Deshalb gibt man dem auch 
eine Hysterese, indem man eine geringe Mitkopplung einführt.

Vielleicht solltest du dir doch die Komparatorschaltungen mit den ICs 
anschauen - z.B. die Applikationsbeispiele in den Datenblättern. Ein 
Vergleich zu der Schaltung im Link wäre dann z.B.
+  -->  E1  (E2)
-  -->  E2  (E1)
Out-->  A2  (A1)

Wenn du an E1 einen Ausgang eines Sensors anschließen willst, dann musst 
du die gewünschte Schwelle an E2 festlegen. Das ist der Referenzpunkt 
für das Umschalten.

Autor: Christian M. (charlie)
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ok, danke erstmal, ich denke ich versteh schon einiges mehr als vorher. 
Ich werds mal Aufbauen und mal mit dem Oszi messen, wie sich das so 
verhält.

Mich würde noch interessieren, wie die ein-Transistor-Lösung genau 
aussehen würde, also wie man da dann eine Referenz bestimmen kann.

Viele Grüße

Christian

Autor: Christian M. (charlie)
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Jens G. wrote:
> Z.B. Z-Diode von E gegen Masse, so
> daß Schaltspannung=Ube+Uz. Und C über einen R paar kOhm) gegen +.
> Ansonsten das Prinzip, wie von Klaus2 vorgeschlagen ...


Sry, nochmal Doppelpost, hab mir das grad selbst erarbeitet, das müsste 
ja dann so sein:

      +V
      |
      -
     | |
     | |
      -
      |
      |---- OUT
    |/
IN--|
    |\
      |
    ----
     /\'    <--- ZDiode
     --
      |
      |
     -V

Gibts da irgendwelche Formeln wie man die Bauteile am geschicktesten 
wählen soll oder basiert das im wesentlichen auf Try n' Error?

Autor: PillePalle (Gast)
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Moin

dank PNP -Transe einfacher oder besser nur trickreicher ?

Autor: Christian M. (charlie)
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das ist natürlich sehr trickreich mit dem pnp.

Welchen zweck erfüllt die Diode (D7) in Sperrrichtung am Drain?

Autor: PillePalle (Gast)
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No Drain no pain :-)

Das ist ein bipolarer Tr. kein Fet.
D7 ist die Freilaufdiode für das Relais.
Das Relais wird bestromt wenn die Schwellspannung  Ube + Uz 
überschritten wird.
Geht in dem Fall nur mit PNP Tr. da über den emitter aus der Basis Strom 
fließt .

Autor: Jens G. (jensig)
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@Christian M. (charlie)

>Jens G. wrote:
>> Z.B. Z-Diode von E gegen Masse, so
>> daß Schaltspannung=Ube+Uz. Und C über einen R paar kOhm) gegen +.
>> Ansonsten das Prinzip, wie von Klaus2 vorgeschlagen ...


>Sry, nochmal Doppelpost, hab mir das grad selbst erarbeitet, das müsste
>ja dann so sein:
> ...

jo, so meinte ich es (noch ein R vor die Basis zur Strombegrenzung). 
Aber wie gesagt, das Ausgangssignal ist nicht direkt massebzogen - es 
schaltet nur zw. H=+V und L=Uz+Ucesat (ucesat ist die Sättigungsspannung 
des T - meist nur ganz wenige 100mV).
Achja, wenn Du die Z-Diode (+Schutz-R) in die Basis mit einschleifst 
(und nicht in die Basis), ist das Problem mit dem relativ hohen 
L-Ausgangspegel auch gelöst (warum ich nicht eher drauf kam - nun ja 
.... ;-)
Die Schaltung von Pillepalle ist auch ganz simple. Ist eigentlich nicht 
trickreich, sondern einfach ein T in Basisschaltung. D.h., das zu 
vergleichende Eingangssignal (U+) am Emitter muß letztendlich auch den 
Ausgangsstrom tragen (also den Erregerstrom des Relais)

Autor: Christian M. (charlie)
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Ok, danke, ich werde die genannten Möglichkeiten bei nächster 
Gelegenheit mal genauer analysieren. Der Uni-Prüfungsstress überwiegt 
nun leider langsam die bastlerei.

Viele Grüße

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