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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik [Kondensator laden] Schaltung mit Komparator - geht das so?


Autor: Иван S. (ivan)
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Guten Tag,

ich habe praktisch keine Erfahrung mit Komparatoren und meine 
allgemeinen Analogtechnikkenntnisse sind auch nicht die Besten. Generell 
habe ich die Elektronik im letzten Jahr vernachlässigt bzw. 
vernachlässigen müssen.

Naja, vielleicht hilft mir trotzdem Eine(r).

Folgendes Szenario: Ein Kondensator soll auf eine gegebene 
Referenzspannung geladen werden. Der Kondensator ist nicht ideal, 
sprich: Selbstentladung vorhanden. Der Kondensator soll also geladen 
werden und die angelegte Spannung soll erhalten bleiben. Ich habe mir 
also folgendes überlegt:

                      U_Lade

     U_Referenz         |
                       .-.
       |               | | R_Begrenz
       |               | |
       |   Comp.       '-'
       |                |
       |   |\|          |
       +---|-\        |/
           |  >-------|    NPN
       +---|+/        |>
       |   |/|          |
       |                |
       +----------------o
                        |
                        | +
            Kapazität: ---
                        -
                        |
                     GND
(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

Die Versorgung für den Komparator habe ich zwecks der Übersichtlichkeit 
eingespart. U_Referenz soll die Referenzspannung darstellen, U_Lade die 
Quelle zum Laden und R_Begrenz eine Ladebegrenzungswiderstand.

Bisherige Annahmen meinerseits: Ist der Kondensator entladen, so liegt 
am nichtinvertierenden Eingang des Kompss eine geringere Spannung als am 
Invertierenden an, der Ausgang wird positiv, der Transistor steuert 
durch, der Kondi wird geladen.

Fragen:
1.) Funktioniert das grundsätzlich so, theoretisch als auch praktisch?
2.) Sind die üblichen Komparatoren in der Lage, den Transistor zu 
treiben?
3.) Geht es besser/eifacher?

Mit Dank und Gruß,
Iwan

Autor: Simon Huwyler (simi)
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Die beiden Op-Amp-Eingänge musst Du vertauschen. Du willst ja eine 
Gegenkopplung, keine Mitkopplung.

Desweiteren solltest Du die Ströme noch ein wenig begrenzen 
(Widerstände), wonst brädt Dir der Transistor durch. Im 
Steady-State-Fall passiert nichts, aber was, wenn am Anfang der Kondi 
noch leer ist? Dann legst Du die volle Versorgungsspannung hart über 
Basis-Emitter.

Grundsätzlich funktioniert das aber schon.

Autor: Иван S. (ivan)
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Simon Huwyler schrieb:
> Die beiden Op-Amp-Eingänge musst Du vertauschen. Du willst ja eine
> Gegenkopplung, keine Mitkopplung.

Stimmt, da hab' ich mich anscheinend etwas verschaut. Dabei hab' ichs 
mir extra noch auf Papier aufgeschrieben.

> Desweiteren solltest Du die Ströme noch ein wenig begrenzen
> (Widerstände), sonst brädt Dir der Transistor durch.

Also den Widerstand besser zwischen Emitter und den Abzweig zum 
Komparator einbauen. Dafür kann ich mir den Kollektortransistor dann 
eigentlich sparen.

> Dann legst Du die volle Versorgungsspannung hart über Basis-Emitter.

Stimmt, daran hab' ich nicht gedacht. Danke für den Hinweis.

> Grundsätzlich funktioniert das aber schon.

Cool! Damit hast Du mir eine große Freude gemacht.

Herzlicher Gruß, Iwan

Autor: Michael Roek (mexman) Benutzerseite
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> Also den Widerstand besser zwischen Emitter und den Abzweig zum
> Komparator einbauen. Dafür kann ich mir den Kollektortransistor dann
> eigentlich sparen.
>

Nein, einen vor die Basis. Da Du aber wahrscheinlich (je nach Typ) fuer 
den Komparator sowieso einen Pull-Up-Widerstand benutzt (also KEIN 
OPAmp), dann brauchst Du das nicht.

Gruss

Michael

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Ich würde keinen Komparator, sondern einen Operationsverstärker nehmen.
Der Komparator ist nicht frequenzkompensiert und wird deswegen durch die
starke Gegenkopplung wahrscheinlich schwingen.

Autor: Иван S. (ivan)
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Hmm, jetzt bin ich etwas verwirrt, wegen OPV und Komperator. Schwingen 
soll das ganze eigentlich nicht nicht, also doch einen OPV nehmen? Ich 
dachte immer, gerade für solche Spannungsvergleiche sei ein Komparator 
(Vergleicher) ja eigentlich gemacht. Und zum Widerstand: Also Pull-Up 
für Komparator und Basisvorwiderstand für OPV?

Ach ja, eine Leuchtdiode die anzeigt, daß geladen wird, wäre auch nicht 
schlecht. Hier einmal ein schnell zusammengeschusterter Vorschlag mit 
OPV und Ladeanzeige.

Gut so?

               o U_Referenz                  o  5V
               |                             |
               |                             |
               |                             |
               |                             |
               |    LM258                    |  2STN1360
               |                             |
               |    |\|             220R     |
               +----|+\             __      |/
                    |  >-----+-----|___|- -|
               +----|-/      |             |>
               |    |/|     .-.              |
               |            | | 2k2          |
               |            | |              +---------+
               |            '-'              |         |
               |             |               |         V LeuchtD.
               |             |              .-.        -
               |            ===             | |        |
               |            GND        0R82 | |        |
               |                            '-'        |
               |                             |         |
               +-----------------------------+        .-.
                                             |        | |R_LED
                                            ---       | |
                               Ladeobjekt:   -        '-'
                                             |         |
                                             |         |
                                            ===       ===
                                            GND       GND
(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Иван S. schrieb:
> Hmm, jetzt bin ich etwas verwirrt, wegen OPV und Komperator. Schwingen
> soll das ganze eigentlich nicht nicht, also doch einen OPV nehmen?

Vielleicht habe ich auch nicht ganz verstanden, was du genau machen
möchtest. Willst du

1. dass die Schaltung zu jedem Zeitpunkt gerade so viel Strom liefert,
   dass der Leckstrom des Kondensators ausgeglichen wird oder

2. dass die Schaltung bei Unterschreiten der Sollspannung am Kondensator
   den Stromhahn kurzzeitig kräftig aufdreht, bis der Kondensator wieder
   ausreichend geladen ist, und dann den Strom wieder abstellt?

Für (1) ist ein Operationsverstärker, für (2) ein Komparator das Richti-
ge. Bei (2) solltest du dem Komparator eine Hysterese verpassen, um zu
verhindern, der Strom bereits bei der kleinsten Spannungsabweichung mit
hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet wird.

> Ich dachte immer, gerade für solche Spannungsvergleiche sei ein
> Komparator (Vergleicher) ja eigentlich gemacht.

Der Komparator vergleicht, der Operationsverstärker bildet eine Span-
nungsdifferenz, was beides etwas Ähnliches ist. Der Unterschied liegt in
dem, was am Ausgang geliefert wird:

Beim Komparator will man ein Digitalsignal, also ein High, wenn die
Spannung am nichtinvertierenden Eingang größer als die Spannung am
invertierenden ist, sonst ein Low.

Beim Operationsverstärker will man ein analoges Signal, das sich aus der
Differenz der beiden Eingangsspannungen, verstärkt um einen möglichst
großen Faktor, ergibt.

Autor: Иван S. (ivan)
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Yalu X. schrieb:
> Иван S. schrieb:
>> Hmm, jetzt bin ich etwas verwirrt, wegen OPV und Komperator. Schwingen
>> soll das ganze eigentlich nicht nicht, also doch einen OPV nehmen?
>
> Vielleicht habe ich auch nicht ganz verstanden, was du genau machen
> möchtest. Willst du
>
> 1. dass die Schaltung zu jedem Zeitpunkt gerade so viel Strom liefert,
>    dass der Leckstrom des Kondensators ausgeglichen wird oder
> 2. dass die Schaltung bei Unterschreiten der Sollspannung am Kondensator
>    den Stromhahn kurzzeitig kräftig aufdreht, bis der Kondensator wieder
>    ausreichend geladen ist, und dann den Strom wieder abstellt?

Wenn der Kondensator leer ist oder die Sollspannung unter dem 
Referenzwert liegt, soll der Hahn aufgedreht werden. Also eher 2. Wenn 
der Kondesator geladen ist, hätte ich aber nichts gegen eine 
Leckstromausgleichung nach Punkt 1. Hauptsache, es wird nicht großartig 
über U_Ref überladen.

> Für (1) ist ein Operationsverstärker, für (2) ein Komparator das Richti-
> ge. Bei (2) solltest du dem Komparator eine Hysterese verpassen, um zu
> verhindern, der Strom bereits bei der kleinsten Spannungsabweichung mit
> hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet wird.

Macht das denn was? Beginnt das System dann zu schwingen? Und wie die 
Hysterese einbauen? Ein zusätzliches Schmitt-Trigger-Bauteil möchte ich 
eigentlich so gut wie möglich vermeiden.

> Beim Komparator will man ein Digitalsignal, also ein High, wenn die
> Spannung am nichtinvertierenden Eingang größer als die Spannung am
> invertierenden ist, sonst ein Low. Beim Operationsverstärker will man
> ein analoges Signal, das sich aus der Differenz der beiden
> Eingangsspannungen, verstärkt um einen möglichst großen Faktor, ergibt.

Hmm, irgendwie komme ich nicht weiter. Erst dachte ich, ein Komparator 
wäre besser, dann habe ich mich für einen OP entschieden, jetzt bin ich 
wieder am Zweifeln. Ich hoffe, der von mir ausgewählte OPV LM258A 
(http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/2163.pdf) eignet sich 
einigermaßen.

Michael schlägt übrigens einen zusätzlichen Pull-Up bei Verwendung eines 
Komparators vor. Dessen Notwendigkeit ist mir auch noch nicht wirklich 
klar.

Danke jedenfalls einstweilen,
Gruß, Iwan

Autor: HildeK (Gast)
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Иван S. schrieb:
> Hmm, irgendwie komme ich nicht weiter. Erst dachte ich, ein Komparator
> wäre besser, dann habe ich mich für einen OP entschieden, jetzt bin ich
> wieder am Zweifeln. Ich hoffe, der von mir ausgewählte OPV LM258A
> (http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/2163.pdf) eignet sich
> einigermaßen.

Nein, der OPA  ist schon das richtige BE.
Bei leerem C wird auch der OPA voll aufdrehen, während der Komparator 
bei vollem C dauernd zwischen AUS und maximal EIN schalten würde.


> Michael schlägt übrigens einen zusätzlichen Pull-Up bei Verwendung eines
> Komparators vor. Dessen Notwendigkeit ist mir auch noch nicht wirklich
> klar.

Schaue dir mal im DB die Ausgangsstufe eines typischen Komparators an: 
dort ist nur ein Open-Kollektor-Transistor. Der braucht schließlich 
einen Arbeitswiderstand, sonst wäre niemand da, der deinen Transistor 
mit Basisstrom versorgen könnte. In dem Fall kann man dann auf den 
Basisvorwiderstand verzichten.
Vermutlich gibt es auch Komparatoren mit Push-Pull-Stufe (mir ist gerade 
keiner im Gedächtnis), hier erübrigt sich dann der Arbeitswiderstand, 
nicht aber der Basisvorwiderstand.

Autor: Иван S. (ivan)
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Danke, HildeK.

Jetzt habe ich das ganze wohl verstanden und werde einen OP verwenden. 
Nun bleibt praktisch nur noch die Frage, ob es an meinem oben 
gezeichneten Schaltplan noch etwas zu verbessern gibt. Und soll ich 
lieber besser einen LL-MOSFET als Transistor nehmen, oder ist ein BJT 
hier ausreichend?

Zwischenzeitlich einmal ein ordentlicher Dank an alle Beteiligten!

Gruß, Iwan

Autor: Simon Huwyler (simi)
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Vielleicht wiederhole ich bereits Geschriebenes, wär' ja auch egal:

Grundsätzlich zu OpAmp <--> Komparator:

Du hast schon recht, Komparatoren vergleichen Spannungen. Die werden 
eingesetzt, wenn Du herausfinden willst, ob Ua > Ub ist oder Ua < Ub

Einen OpAmp nimmst Du, wenn Du mittels Gegenkopplung Ua = Ub haben 
willst.
(Exkurs: So gehe ich übrigens auch immer an eine OpAmp-Schaltung heran: 
Der OpAmp will, dass Ua = Ub ist. Was muss er an den Ausgang legen, 
damit das so ist? Wenn ich das weiss, dann schaue ich mal, was denn 
passiert, wenn Ua oder Ub wegdriftet. Reagiert der OpAmp-Ausgang dann 
so, wie es sinnvoll ist?)

Ok, was ist denn nun der Unterschied zwischen OpAmp und Komparator? 
Grundsätzlich keiner. In ihrer Idealform wären die eigentlich identisch. 
Aber der Komparator ist darauf "getrimmt", sehr schnell zu reagieren und 
sofort in den "Anschlag" zu knallen. Ua = Ub gibt es für den eigentlich 
gar nicht.
Der OpAmp dagegen ist darauf getrimmt, die Sache genug "gemütlich" 
anzugehen, dass (wie oben angedeuetet" die ganze chause nicht zu 
schwingen beginnt, sondern sich eben einregelt. Dafür fühlt er sich im 
Anschlag eben nicht so wohl. Das äussert sich dadurch, dass er "kleben 
bleibt", bis hin zum Abrauchen, wenn es zu lange dauert.

Oder: Der OpAmp hasst es, wenn Ua != Ub. Der Komparator hasst es, wenn 
Ua = Ub

(Zusätzlich ist es noch so, dass viele (nicht alle) Komparatoren keinen 
Push-Pull-Ausgang haben, sondern open Drain).


Zu Deiner Frage: BJT ist tiptop für diese Anwendung.

Gruäss
Simon

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