View source for Komparator (Analogtechnik)

Ein '''Komparator''' ist eine [[Integrierte Schaltung|elektronische Schaltung]], die zwei [[Elektrische Spannung|Spannungen]] vergleicht. Der Ausgang zeigt in [[Digitaltechnik|binärer/digitaler]] Form an, welche der beiden Eingangsspannungen höher ist. Damit handelt es sich praktisch um einen 1-Bit-[[Analog-Digital-Umsetzer]].

== Funktion ==
[[Datei:Op-amp symbol.svg|rechts|miniatur|Schaltsymbol eines analogen Komparators]]
Am Ausgang des Komparators steht ein Signal zur Verfügung, das anzeigt, welche der beiden Eingangsspannungen höher ist. Wenn die Spannung am positiven, ''nicht-invertierenden'' Eingang höher ist als die Spannung am negativen, ''invertierenden'' Eingang, so nähert sich die Ausgangsspannung der positiven Versorgungsspannung. Bei umgekehrten Verhältnissen geht die Ausgangsspannung gegen die negative Versorgungsspannung.

Ist die Eingangsspannung mit einer [[Rauschspannung]] „verunreinigt“ oder hat sie nur geringe [[Flankensteilheit]], wird eine [[positive Rückkopplung]] ([[Mitkopplung]]) eingesetzt, die bewirkt, dass sich die Vergleichsspannung in Abhängigkeit vom vorherigen Zustand ändert. Dadurch wird bei sehr geringen Schwankungen der Eingangsspannung vermieden, dass die Ausgangsspannung zu häufig und irregulär umschaltet. Diese spezielle Schaltung eines Komparators ''mit'' [[Hysterese]] heißt auch [[Schmitt-Trigger]].

Ein [[Fensterkomparator]] wird aus zwei Komparatoren mit gemeinsamem Ausgang gebildet, der anzeigt, ob das Eingangssignal zwischen zwei definierten Minimal- und Maximalwerten (die das „Fenster“ bilden) liegt.

== Innenschaltung ==
[[Datei:Komparator innen.svg|miniatur|Innenschaltung eines Komparators]]
Ein Komparator ist immer ein [[Differenzverstärker]] (gelb) mit nachfolgendem Verstärker (orange) und einer Ausgangsstufe (blau). Er enthält – im Gegensatz zum [[Operationsverstärker]] – absichtlich keine [[Frequenzkompensation]], um am Ausgang eine hohe [[Flankensteilheit]] zu erzielen. Deshalb kann er nicht mit [[Gegenkopplung]] betrieben werden, er würde als [[Oszillator]] mit schwer definierbarer Frequenz wirken.

Herkömmliche Operationsverstärker, welche auf den linearen Betrieb ''mit'' Gegenkopplung ausgelegt sind, sollten nicht als Komparator verwendet werden, da deren Erholzeiten aus der Sättigung meist zu lange bzw. undefiniert sind. Außerdem besitzen fast alle Operationsverstärker intern einen Kondensator zur Frequenzgangskompensation, der die Verstärkung bei hohen Frequenzen reduziert. Genau das ist bei Komparatoren unerwünscht. Integrierte Schaltungen wie ''LM339'' oder ''LM393'' besitzen mehrere Komparatoren auf einem Chip und haben oft einen [[Open Collector]] Ausgang. Dabei ist der Ausgangstransistor durchgeschaltet, wenn der invertierende Eingang ein höheres Potenzial hat als der nicht invertierende Eingang.

{| class="wikitable"
! Eingänge !! Ausgang
|-
| − > + || geschlossen, 0
|-
| + > − || offen, 1
|}

== Anwendungen ==
[[Datei:Lm393n.png|mini|LM393: Ein weit verbreiteter 2-fach-Komparator<br /><small>(Zwei Komparatoren in einem [[Integrierter Schaltkreis|IC]])</small>]]
[[Datei:Basic Measuring Instruments - Math Processor 83002190 - RCA LM339N-3929.jpg|mini|LM339 – 4-fach-Komparator mit [[Offener Kollektor|OC-Ausgängen]]<ref>[http://www.ti.com/lit/ds/snosbj3e/snosbj3e.pdf Datenblatt LMx39-N, LM2901-N, LM3302-N Low-Power Low-Offset Voltage Quad Comparators], [[Texas Instruments|TI]], Dokument:SNOSBJ3E, November 1999, Revision Dezember 2014</ref>]]
Ein Komparator ist die einfachste Schaltung, um ein Analogsignal – beispielsweise das Signal eines [[Sensor]]s – zu digitalisieren, also eine ja/nein-Entscheidung zu treffen. Damit prüft man, ob ein Ton da ist oder eine vorgewählte Temperatur überschritten oder die notwendige Betriebsspannung eines Gerätes unterschritten wird. [[Mikrocontroller]] besitzen oft Komparatoreingänge, um externe Schaltungen überflüssig zu machen. Beispiele aus der Bildverarbeitung werden in [[Schwellenwertverfahren]] genauer erklärt.

[[Analog-Digital-Umsetzer]] enthalten oft ganze Ketten von Komparatoren, um auch kleine Änderungen von Analogsignalen entdecken zu können.

Komparatoren sind häufig eingesetzte Bausteine bzw. Schaltungselemente, z.&nbsp;B.

* [[Zweipunktregler|Zweipunkt-]] und [[Dreipunktregler]], z.&nbsp;B. [[Temperaturschalter]]/Thermostate
* [[Trigger (Elektronik)|Triggerschaltungen]], z.&nbsp;B. in [[Frequenzzähler]]n und [[Oszilloskop]]en
* in [[Analog-Digital-Umsetzer]]n
* in analogen Zeitgebern, z.&nbsp;B. Treppenhauslicht
* in [[Schaltnetzteil]]en zur Regelung und Strombegrenzung
* als [[Pulsweitenmodulation|Pulsweitenmodulator]]
* als Schutzschaltungen vor Über-/Unterspannung

== Weblinks ==
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1016fc.pdf Datenblatt des LT1016] (PDF; 983&nbsp;kB)
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0311261.htm Komparator-Erklärung beim "Elektronik-Kompendium"]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/wincst.htm Vom Fensterkomparator zum Präzisions-Schmitt-Trigger]

== Literatur ==
* Ulrich Tietze, Christoph Schenk: ''Halbleiter-Schaltungstechnik'', Berlin: Springer 2002. ISBN 3-540-42849-6

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektronische Schaltung]]