LM393 » Aufbau, Funktion und Schaltung des Komparator-ICs anschaulich erklärt
Sehr oft ist es in der Technik erforderlich, zwei unterschiedliche Spannungen zu vergleichen. Für diese Aufgaben sind sogenannte Komparatoren hervorragend geeignet. Je nachdem, welche der beiden Spannungen den höheren Wert aufweist, ändert der Komparator seinen Schaltzustand. Diese Information braucht eine nachgeschaltete Elektronik für bestimmte Steuerungsaufgaben.
Oder man überprüft mit Hilfe eines fest eingestellten Referenzsignals ob z.B. der Spannungswert eines Sensors vorhanden ist oder nicht. Weitere Einsatzmöglichkeiten von Komparatoren sind die Erzeugung von PWM-Signalen, Netzteilregelungen, Triggerschaltungen oder auch Anwendungen in der Digitaltechnik.
Die integrierte Schaltung LM393 beinhaltet gleich zwei dieser praktischen Komparatoren, die wir hier genauer vorstellen wollen.
Bei dem Integrierten Schaltkreis LM393 befinden sich zwei unabhängig voneinander arbeitende Komparatoren in einem Gehäuse. Demzufolge sind die Eingänge und Ausgänge der Komparatoren auch einzeln mit den IC-Anschlüssen (Pin 1 - 3 und 5 - 7) verbunden. Dadurch sind sechs der acht Anschlüsse bereits belegt.
Die beiden verbleibenden Anschlüsse (Pin 4 und 8) dienen zur Spannungsversorgung des integrierten Schaltkreises.
Aufmerksame Leser unserer Artikelserie werden sofort bemerken, dass das Anschlussschema mit dem Operationsverstärker-IC LM358 absolut identisch ist. Und genau das ist richtig. Doch beim LM393 handelt es sich nicht um zwei integrierte Operationsverstärker sondern um zwei integrierte Komparatoren. Deshalb wird das IC LM393 oft auch als Dual Comparator bezeichnet. Den integrierten Schaltkreis gibt es sowohl im klassischen DIP-Gehäuse für IC-Fassungen als auch als platzsparendes SMD Bauteil zur direkten Montage auf der Platine.
Ein Komparator ist quasi ein Vergleicher. Ebenso wie ein Operationsverstärker (OPV) besitzt ein Komparator zwei Eingänge. Ein Eingang ist invertiert und wird mit einem Minuszeichen (-) gekennzeichnet.
Der andere Eingang ist nicht invertiert und wird mit einem Pluszeichen (+) gekennzeichnet. Je nachdem, welcher Eingang das höhere Spannungspotential aufweist, wird der Ausgang des Komparators umgeschaltet. Deshalb kann ein Komparator auch als 1Bit Analog-/Digital-Wandler angesehen werden.
Diese Funktion ist im Prinzip auch mit einem Operationsverstärker realisierbar. Und zum Teil werden Operationsverstärker auch als Komparatoren genutzt. Allerdings gibt es feine Unterschiede, die wir in einem nachfolgenden Kapitel noch genauer betrachten werden.
Komparatoren und Operationsverstärker haben im Prinzip die gleichen Schaltzeichen.
Das Prinzip-Schaltbild eines Komparators mit farbig markierten Transistorstufen.
Die Transistoren Q1 und Q2 (Grün) dienen als Eingangsstufe für den nicht invertierten Eingang. Die Eingangsstufe für den invertierten Eingang besteht aus den Transistoren Q3 und Q4 (Gelb). Die Transistoren Q5 und Q6 (Grau) arbeiten als Stromspiegel. Die beiden Transistoren Q7 und Q8 (Rot) stellen die Schaltstufe dar. Die jeweiligen Transistorstufen werden über Konstantstromquellen versorgt.
Sobald die Eingangsspannung am nicht invertierten Eingang (+) höher als am invertierenden Eingang (-) ist, sperrt der Transistor (Q8) am Ausgang des Komparators. Wenn der Ausgang über einen Widerstand (RL) mit einer Spannung von 5 V versorgt wird, kann man einen „High“-Impuls abgreifen.
Wenn die Spannung am nicht invertierten Eingang gleichgroß oder kleiner als am invertierten Eingang ist, leitet der Transistor am Ausgang. Der Ausgang des Komparators wird in Richtung des negativen Potentials der Versorgungsspannung geschaltet. Dadurch kann ein "Low"-Impuls abgegriffen werden.
Ob sich die Spannung am invertierten oder am nicht invertierten Eingang ändert, spielt für die Schaltfunktion keine Rolle. Wichtig ist lediglich der Spannungsunterschied zwischen den beiden Eingängen. Zur besseren Veranschaulichung haben wir in den nachfolgenden Schaltbeispielen die unterschiedlichsten Spannungsänderungen (blauen Pfeile) separat dargestellt.
Spannungsanstieg am nicht invertierten
Eingang
Ein Spannungsanstieg am nicht invertierten Eingang hat einen Spannungsanstieg am Ausgang zu Folge.
Spannungsrückgang am nicht invertierten
Eingang
Ein Spannungsrückgang am nicht invertierten Eingang hat einen Spannungsrückgang am Ausgang zu Folge.
Spannungsanstieg am invertierten
Eingang
Ein Spannungsanstieg am invertierten Eingang hat einen Spannungsrückgang am Ausgang zu Folge.
Spannungsrückgang am invertierten
Eingang
Ein Spannungsrückgang am nicht invertierten Eingang hat einen Spannungsrückgang am Ausgang zu Folge.
Hinweis:
Sollte sich die Spannung an beiden Eingängen zeitgleich, also im selben Moment, in die gleiche Richtung und mit der identischen Stärke ändern, wird am Ausgang des Comperators keine Spannungsänderung erfolgen.
Zur besseren Übersicht haben wir die Prinzipschaltbilder eines Operationsverstärkers und eines Komparators gegenüber gestellt.
Operationsverstärker
Prinzipschaltbild des Operationsverstärkers LM324.
Komparator
Prinzipschaltbild des Komparators LM393.
Wenn man sich den grundsätzlichen Aufbau eines Operationsverstärkers im LM324 anschaut, wird man in der Mitte der oberen Hälfte einen Kondensator CC erkennen. Dieser Kondensator dient zur Frequenzkompensation, bei der die Verstärkung hoher Frequenzen reduziert wird. Gleichzeitig wird eine stabile Funktion des Operationsverstärkers erreicht und die Tendenz zum Aufschwingen (Oszillation) oder zum Überschwingen unterdrückt.
Allerdings macht dieser Kondensator den Operationsverstärker „langsam“. Zudem dauert es bei einem Operationsverstärker länger, bis die Endstufe aus dem voll durchgeschalteten Zustand (Sättigung) wieder sperrt. Deshalb sollten OPVs nur dann als Komparatoren genutzt werden, wenn es nicht auf die Schaltgeschwindigkeit ankommt. Dies kann z.B. in der Analogtechnik der Fall sein.
Bei Komparatoren ist der Kondensator zur Frequenzkompensation nicht vorhanden. Es sind auch keine internen Verstärkungsstufen eingebaut. Demzufolge können Komparatoren auch mit höheren Frequenzen arbeiten. Sie weisen dadurch auch eine höhere Flankensteilheit am Ausgang auf. Zudem kann man Komparatoren nicht gegenkoppeln und als Verstärker nutzen.
Stromversorgung
Ebenso wie ein Operationsverstärker kann das Komparator-IC LM393 auf zwei verschiedene Arten mit Strom versorgt werden. Wichtig dabei ist, dass die Speisespannungen nahe am IC mit induktionsarmen Chip-Kondensatoren (ca. 100 nF) gegen Masse abgeblockt werden.
Einzelversorgung
Bei der Einzelversorgung darf die Betriebsspannung laut Beschreibung im Datenblatt von +2 V bis +36 V betragen.
An Pin 8 wird mit dem Plusanschluss (+) der Betriebsspannung verbunden und an Pin 4 wird der Minusanschluss (-) der Betriebsspannung angeschlossen.
Doppelversorgung
Bei der Doppelversorgung darf sich laut Datenblatt die Betriebsspannung im Bereich von ±1 V und ± 18 V bewegen. Die angegeben Werte beziehen sich auf Masse. Die positive Spannung wird an Pin 8 angeschlossen und die negative Betriebsspannung wird an Pin 4 angeschlossen.
Eingangsbeschaltung
Die beiden Eingänge können individuell beschaltet werden. In den meisten Fällen wird an einem Eingang das Eingangssignal (USign.) angelegt und am anderen Eingang eine Referenzspannung (URef).
Die Referenzspannung stellt quasi den Schwellenwert dar, bei dem der Komparator umschaltet. Die Referenzspannung kann je nach Schaltungsauslegung über Spannungsteiler-Widerstände (R1 und R2) und/oder Potentiometer (P1) erzeugt werden.
Alternativ dazu kann der Referenzeingang auch auf Masse geschaltet werden.
Eine von vielen möglichen Eingangs-beschaltungen.
Ausgangsbeschaltung
Im Gegensatz zum Operationsverstärker LM358 dient der Ausgang des Komparators im LM393 nicht als Spannungsquelle bzw. Stromquelle.
Beim Komparatorausgang handelt es sich um eine sogenannte „offene Kollektorschaltung“. Das bedeutet: Es muss von außen eine Spannung angelegt werden, die der Komparator gegen Masse bzw. das Minuspotential der Versorgungsspannung schaltet.
Wichtig:
Der Strom über den Schalttransistor Q8 im Komparator darf max. 16 mA betragen.
Der Vorwiderstand RV ist wichtig für die Strombegrenzung.
Weitere Informationen sowie Details zu den technischen Spezifikationen und Details können dem Datenblatt entnommen werden.
Durch elektronisches Rauschen können Störsignale an den Eingängen des Komparators entstehen. Die Störsignale bzw. deren Spannungsänderungen können den Komparator unter Umständen ungewollt umschalten. Dies wird dadurch verhindert, dass in der Schaltungstechnik mit einer Hysterese gearbeitet wird.
Ohne Hysterese gibt es eine Schwellspannung (rote Linie), die gleichzeitig als Einschaltspannung und als Ausgangsspannung fungiert. Wird die Schwellspannung von der Signalspannung (Sign.) am nicht invertierenden Eingang überschritten, sperrt der Schalttransistor im Komparator. Am Ausgang kann bei entsprechender Spannungszufuhr ein High-Impuls gemessen werden.
Wird die Schwellspannung unterschritten, wird der Ausgang auf Low geschaltet. In Abhängigkeit der Signalspannung am Eingang ergibt das einen binären Code in Form der Ausgangsspannung A.
Wenn mit einer Hysterese gearbeitet wird, haben die Einschaltspannung und die Ausschaltspannung unterschiedliche Werte. Erst wenn die Einschaltspannung (blaue Linie) überschritten und die Ausschaltspannung (grüne Linie) unterschritten wird, löst der mit Hysterese arbeitende Komparator einen Schaltvorgang aus.
Am Ausgangssignal B ist ersichtlich, dass Spannungsänderungen innerhalb der Hysterese-Grenzwerte keinen Schaltvorgang auslösen.
Bei dem gezeigten Eingangssignal (Sign.) gibt ein Komparator das Signal A aus und ein Schmitt-Trigger das Signal B.
Die unterschiedlichen Spannungswerte für das Einschalten und das Ausschalten werden durch eine Rückkopplung bzw. eine gezielte Mitkopplung erzeugt. Dazu wird ein Teil des Ausgangssignals auf den nicht invertierten Eingang des Komparators zurückgekoppelt.
Dadurch verhält sich der Komparator wie ein Schmitt-Trigger. Das Verhältnis der beiden Widerstände R1 und R2 zueinander definiert dabei die Höhe der beiden Schaltschwellen.
In der Praxis werden Schmitt-Trigger unter anderem auch zur Signal-Rückgewinnung genutzt. Dies wird erforderlich, wenn z.B. digitale Informationen über lange Leitungen geschickt werden müssen. Durch die induktiven und kapazitiven Eigenschaften von Leitungen werden die Signale verfälscht und es kommt am Empfänger kein sauberes Rechtecksignal mehr an. Mit einem Schmitt-Trigger kann die ursprüngliche Signalform wieder leicht hergestellt werden.
Ein Komparator mit Mitkopplung arbeitet als Schmitt-Trigger.
Weitere Anwendungszwecke oder auch Schaltbeispiele geben die Hersteller in ihren technischen Datenblättern mit an. Somit eignet sich das Komparator-IC LM393 auf perfekte Weise für die Ausbildung in Schule und Beruf. Die unterschiedlichen Schaltungen können leicht nachgebaut und umfassend vermessen werden.