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Ein Komparator (von engl. "compare" = vergleichen) ist eine Schaltung, die zwei Eingangsspannungen miteinander vergleicht. Abhängig davon, welche der beiden Spannungen größer ist, wird am Ausgang entweder ein logisches „High“ oder „Low“ geliefert.

Beschreibung

Bei einer solchen elektronischen Komparator-Schaltung entsteht bei hinreichend großer Verstärkung ein rechteckförmiges (digitales) Ausgangssignal. Der Ausgangspegel ist davon abhängig, ob das Eingangssignal größer oder kleiner als das Vergleichssignal ist. Das Vergleichssignal selber kann eine feste oder einstellbare Spannung sein, oder auch das Signal eines Sensors. So könnte beispielsweise ein analoger Entfernungssensor benutzt werden, um ab einer bestimmten Entfernung, die über Poti einstellbar wäre, einen Roboter zum Abbremsen bewegt.

Komparatoren ähneln Operationsverstärkern, sind aber optimiert für Anwendungen ohne Rückkopplung und nicht als lineare Verstärker geeignet.

Komparatoren können mit einer Hysterese versehen werden. Eine Hysterese sorgt dafür, dass der Komparator erst ab einer bestimmten Differenz der Eingangsspannungen seinen Ausgang umschaltet. Dies kann z.B. bei störungsbehafteten Signalen helfen, im Umschaltbereich des Komparators häufiges Schalten zu vermeiden. Außerdem wird sichergestellt, dass nur gültige Ausgangsspannungen (z.B. nur +5V oder GND, keine Spannungen dazwischen) anliegen können. Eine Hysterese wird durch Mitkopplung erzeugt, hier geschieht dies durch das Einbauen eines (hochohmigen) Widerstandes zwischen Ausgang und nichtinvertierendem (+) Eingang des Komparators.

Einen Komparator mit Hysterese nennt man Schmitt-Trigger. Es gibt auch ICs wie z.B. den 74LS14, wo "fertige" Schmitt-Trigger integriert sind, jedoch lassen sich dabei Schaltschwelle und Hysterese meist nicht nachträglich beeinflussen.

Schaltungsbeispiel

Eine Schaltung könnte beispielsweise wie folgt aussehen:

Komparator.png

Die Schaltschwelle kann mit dem Potentiometer eingestellt werden. Das digitale Signal wird am Ausgang des Komparators abgegriffen. Die Hysterese wird hier im Wesentlichen von R3 und R5 festgelegt und beträgt hier etwa 50mV (bei 5V Betriebsspannung).

Manche Komparatoren vertragen nur eine geringe Differenzspannung am Eingang. Um diese Differenz zu begrenzen, werden dann zwei Dioden antiparallel zwischen die Eingänge geschaltet.

Gängige Komparatoren

Gängige Komparator-ICs sind: LM311 (1-fach, schnell), LM393 (2 fach) , LM339 (4 fach).

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Der Ausgang eines Komparators schaltet oft nur gegen GND, was auch als open-Collector-Ausgang bezeichnet wird. Dann muss der Ausgang mit einem Pullup-Widerstand versehen werden, um auch "High" ausgeben zu können.

Werden nicht alle Komparatoren in einem IC benutzt, sollten die freien Eingänge auf GND geschaltet werden.

Anwendungsgebiete

  • Analog-Digital-Wandler
  • Erzeugung vom PWM-Signalen
  • Netzteil zur Regelung (Schaltregler)
  • Triggerschaltungen
  • Akkuspannungsanzeige
  • Digitalisierung von Signalen

Siehe auch