Temel OPAMP devreleri 3 (karşılaştırıcı, comparator)

[malazgirt]

Temel opamp devreleri serisinin bu konusunda, opamp'in karşılaştırıcı (comparator) olarak kullanılışını ele alacağız. Peki bir karşılaştırıcı devre ne işe yarar? Şu örnekler üzerinden gidelim:

- 12V akü ile çalışan bir cihazımız var. Aküdeki voltaj seviyesini takip etmek istiyoruz ve voltaj seviyesi 10.5V seviyesine düşünce bir uyarı vermek istiyoruz. Bu işlemi, bir opamp karşılaştırıcı devre ile yapabiliriz.

- Şebeke voltajının çok dalgalanma yaptığı bir kırsal bölgede, bu dalgalanmaları ortadan kaldırmak istiyoruz. Bunun için bir motor ile ayarlanabilen oto transformatör kullanacağız. Şebeke voltajını sürekli ölçeceğiz. Eğer voltaj ayarlanmış değerden fazla ise, oto transformatör çıkışını azaltacağız. Eğer voltaj ayarlanmış değerden az ise, oto transformatör çıkışını artıracağız. Bu işlemi, bir opamp karşılaştırıcı devre ile çok etkili bir şekilde yapabiliriz.

 

[malazgirt]

Opamp'li bir karşılaştırıcı devresi, opamp'in eviren ve evirmeyen girişindeki voltaj seviyelerini karşılaştırır. Bu karşılaştırmanın sonucuna göre, opamp çıkışı ya +Vcc değerine, yada -Vcc değerine yaklaşır. Esasında, opamp karşılaştırıcı devreleri, temelde birer eviren veya evirmeyen yükselteçlerdir. Tek fark, karşılaştırıcı devrelerinde opamp kazancı, geri besleme ile düşürülmez ve dolayısıyla, çok yüksek bir kazanç değerine sahip birer yükselteçdirler. Opamp girişlerindeki en ufak bir fark, hemen opamp çıkışının ya +Vcc yada -Vcc değerine dayanmasına sebep olur.

Aynen eviren ve evirmeyen yükselteçlerde olduğu gibi, karşılaştırıcılar da da eviren ve evirmeyen yapıda geliştirilebilir. Evirmeyen yapıdaki bir karşılaştırıcı, + giriş, - girişten yüksek ise çıkışı +Vcc yapar. Eviren yapıdaki bir karşılaştırıcıda, + giriş, - girişten yüksek ise çıkışı -Vcc yapar. Yani değişen ne? Karşılaştırma sonucunun ifade ediliş şekli değişiyor.

Öncelikle, evirmeyen yapıdaki karşılaştırıcıyı kuralıım. Bunun için yaptığımız devre şu:

Bu devreyi, prototip amaçlı bir epoksi baskı devre üzerinde gerçekleştirdim. Devrede bir soket var, böylece değişik opamp'ler için değişik devreler kurma şansımız olacak. Giriş ve çıkışlar, bir BNC konnektöre bağlı, böylece girişe sinyal jeneratörü, çıkışa da osiloskobu rahatlıkla bağlayabiliyoruz.

 

[malazgirt]

Devrenin işlevi, Vref referans voltajı ile Vin voltajını karşılaştırmak.

Eğer Vin > Vref ise, Vout = +Vcc olur.
Eğer Vin < Vref ise, Vout = -Vcc olur.

Devredeki RV1 potansiyometresi ile, Vref referans voltajını ayarlıyoruz. Sonra da devreye değişik Vin değerleri veriyoruz ve karşılaştırma sonucunu da Vout olarak görüyoruz. Bu arada şunu da belirtelim, gerçek bir opamp kullandığımız için, Vout hiçbir zaman tam olarak +Vcc veya -Vcc olmaz, ama bu değerler olabildiğince yaklaşır. Örneğin +/- 9V ile beslediğimiz opamp'in çıkışı +/- 7V veya biraz daha fazla olabilir, bu da karşılaştırma amacı için yeterlidir.

 

[malazgirt]

Devrenin gerçek zamanlı olarak çalışmasını görmek için, şöyle bir deney yapıyoruz:

Evirmeyen karşılaştırıcı devremizi +/- 9V ile besliyoruz. Vref değerini potansiyometre ile +2V yapıyoruz. Sonra da girişe, 14Vpp genliğine sahip bir üçgen dalga sinyal uyguluyoruz. Şunu bekliyoruz:

Üçgen dalga sinyali, +2V un üstüne çıktığı anda, Vout = +Vcc
Üçgen dalga, +2V un altına düştüğü anda, Vout = -Vcc

Bu şekilde sinyali uygulayınca aldığımız sonuç şu:

Burada mavi sinyal Vref, yeşil sinyal Vin, sarı sinyal de Vout. Her üç sinyalin de şase noktaları aynı ve dikey kademeleri de aynı, yani sinyalleri birebir karşılaştırabiliriz. Gerçek sonuç, beklediğimiz sonuç ile örtüşüyor.

 

[malazgirt]

Şimdi aynı deneyi, Vref değerini -2V yaparak tekrarlıyoruz ve şu sonucu görmeyi bekliyoruz:

Üçgen dalga sinyali, -2V un üstüne çıktığı anda, Vout = +Vcc
Üçgen dalga, -2V un altına düştüğü anda, Vout = -Vcc

Beklediğimiz sonucu burada da alıyoruz.

 

[malazgirt]

Şimdiye kadar, evirmeyen karşılaştırıcı ile deneyler yaptık. Bizim devreyi, eviren bir karşılaştırıcıya dönüştürmek için, tek yapmamız gereken, Vref sinyalini + girişe, Vin sinyalini de - girişe uygulamak. Yani mevcut devrede Vin ve Vref'in yerini değiştirmek. Bunu yaptığımızda, devre gene aynı işlevi görecek, ama Vout artık karşılaştırma sonucunu ters olarak ifade etmiş olacak.

İlk devrede Vin ve Vref'in yerlerini değiştiriyoruz, Vref = +2V yapıyoruz ve şu sonucu görüyoruz. Bunu ilk çıktı ile karşılaştırdığımızda, Vout'un karşılaştırma sonucunu ters olarak ifade ettiğini, onun dışında devrenin aynı çalıştığını görüyoruz.

 

[malazgirt]

Şimdi kısaca özel bir opamp karşılaştırıcı devresine daha değinelim. Bu devrenin gerekliliğini de şu örnek ile açıklayalım. Şimdiye kadar deneylerini yaptığımız karşılaştırıcılarda diyelim Vin = Vref yaptık. Ama gerçek bir devrede, hiçbir zaman Vin mükemmel bir şekilde Vref'e eşit olmayacaktır. Ortam gürültüsü nedeniyle bu iki voltaj değeri birbirlerine göre sürekli değişecektir. Bazan Vin > Vref, bazan da Vin < Vref olacaktır. Bu durumda da, karşılaştırıcı çıkışı sürekli olarak değer değiştirecek ve sağlıklı bir karşılaştırma sonucu alamayacağız.

Karşılaştırıcının çok küçük farkları görmezden gelip, aradaki fark bir eşik değeri aştığında reaksiyon göstermesini isteriz. Bu özellik birçok durumda işe yarar. Örneğin dijital devrelerde, belirsiz voltajları, belirli lojik seviyelere dönüştüren schmitt trigger devreleri, bu şekilde çalışır.

Bu özelliği elde etmek için, opamp'i tamamen geri beslemesiz değil de, pozitif geri besleme ile yapılandırırız. Buradaki dirençlerin değerleri de burada bahsettiğimiz eşik değerini belirler. Bu şekilde eşik değerli çalışan, evirmeyen bir karşılaştırıcı devreyi kuralım:

 

[malazgirt]

Yukarıdaki devreye yüzeysel olarak bakarsanız, sanki kazancı ayarlanmış eviren bir yükselteç gibi görünebilir. Ama bu doğru değil. Burada negatif değil, pozitif geri besleme var, dolayısıyla kazanç gene çok yüksek ve gene opamp'i lineer olmayan bir modda kullanıyoruz.

Bu devrenin eşik değerlerinin hesabına şu aşamada girmeyeceğiz, gerektiğinde bunun için ayrı bir konu açabiliriz. Ama 2V luk bir eşik değeri sağlayan R1 = 10 KΩ ve R2 = 90 KΩ ile devreyi kuruyoruz. Sonra da gene aynı üçgen dalga sinyali verip Vref = +2V yapıyoruz.

Görüldüğü üzere, Vin, Vref değerinin 1V üzerine çıktığı anda (yani 3V olduğu anda), Vout = +Vcc oluyor. Aynı şekilde, Vin, Vref değerinin 1V altına indiği anda (yani 1V olduğu anda), Vout = -Vcc oluyor. Ekranda da görüldüğü üzere, Vref etrafında 2V luk bir histeresis aralığı var. Vin, bu aralıkta olduğu süre, Vout'ta herhangi bir değişim olmuyor.

 

[malazgirt]

Günümüzde, iki sinyalin karşılaştırılması için özel olarak optimize edilmiş opamp entegreleri mevcuttur. Örneğin, içerisinde 4 tane bağımsız karşılaştırıcı bulunan LM339.

 

[Omega]

Merhaba

Bir güç kaynağına akım sınırlama özelliği eklemek istesek bunu OPAMP karşılastırıcı olarak kullanarak yapabilirmiyiz ?.
Cevabınız evet ise örnek bir devre çizebilirmisiniz?

 

[taydin]

Bir güç kaynağına akım sınırlama özelliğini sonradan eklememek lazım. Akım sınırlama özelliği, baştan zaten güç kaynağının tasarımında olması lazım. Neden? Çünkü güç kaynağı, akım sınırlama moduna girdiğinde, normal voltaj regülasyon modundan çıkması lazım, yani tamamen farklı davranmaya başlaması lazım. Bunu da sonradan monte bir devre ile yapmak hiç de akıllıca olmaz. Bu özellik başından itibaren sistem tasarımına dahil olmalı.

Ama kısa devre koruması diyorsan, bunu sonrada ilave edebilirsin. Yüke seri olarak 1Ω'dan daha az olan bir şönt direnç bağlarsın. Sonra da bir komparatör ile bu şönt direnç üzerinde düşen gerilimi belli bir referans değer ile karşılaştırırsın. Referans değerin üzerine çıktığı anda güç kaynağının çıkışını kesersin. İnternet "low side current sensing" ve "high side current sensing" diye arat, bolca bilgi var.

 

[Omega]

Teşekkürler

Bu arada şunu söylemek de istiyorum elektronik bilginiz son derece yüksek ve çok güzel izah ediyorsunuz.Bu forum sitesi çok büyüyeciğine inanıyorum

 

[taydin]

Güzel yorum için teşekkürler. Forumdaki tek amaç bilgi paylaşımı yoluyla ülkemizin yükselmesi!

 

[Elektronik hobim]

Üstadım merhaba
Size sormak istediğim iki devre var

1. 12 volt bir akünun kaynak olarak kullanıldığı bir devrede akü geriliminin belirlenen bir seviyeye düşmesi ile yüke giden akımı keserek akünün derin deşarja maruz kalmaması sanırım opamp uygulamasi ile mümkün.Bu şekilde bir devrenin çalışma mantığı ve çizimi nasıl olmalidir.

2. Piyasada satılan bir takim akü şarj adaptörleri üzerinde ikaz ledleri bulunmaktadır.sarj adaptörü boşta iken yeşil LED yanmakta , aküye baglandigi zaman akü gerilimi belirli bir seviyenin altında ise şarj adaptöründe kırmızı LED yanarak şarj işleminin başladığını , akü gerilimi belirli bir seviyeye yükseldiği zaman ise yeşil LED yanmaktadır.Bu durumda da opamp karşılaştırma mi yapmaktadır.Biz bu devreyi nasıl yapabiliriz ve sonradan ilave edebilirmiyiz

Temel opamp devreleri serisinin bu konusunda, opamp'in karşılaştırıcı (comparator) olarak kullanılışını ele alacağız. Peki bir karşılaştırıcı devre ne işe yarar? Şu örnekler üzerinden gidelim:

- 12V akü ile çalışan bir cihazımız var. Aküdeki voltaj seviyesini takip etmek istiyoruz ve voltaj seviyesi 10.5V seviyesine düşünce bir uyarı vermek istiyoruz. Bu işlemi, bir opamp karşılaştırıcı devre ile yapabiliriz.

- Şebeke voltajının çok dalgalanma yaptığı bir kırsal bölgede, bu dalgalanmaları ortadan kaldırmak istiyoruz. Bunun için bir motor ile ayarlanabilen oto transformatör kullanacağız. Şebeke voltajını sürekli ölçeceğiz. Eğer voltaj ayarlanmış değerden fazla ise, oto transformatör çıkışını azaltacağız. Eğer voltaj ayarlanmış değerden az ise, oto transformatör çıkışını artıracağız. Bu işlemi, bir opamp karşılaştırıcı devre ile çok etkili bir şekilde yapabiliriz.

 

[Mikro Step]

Sinyaller hic bir zaman temiz degildir. Ornegin 10V karsilastirmasi yapilmak istenirken 9.9 v uzerine binmis bir gurultu histersiz ozelligi olmayan karsilastirici cikisinda surekli high low gecisleri yapilmasina neden olur.

Buna onlem icin yukaridaki hiysteresis ozelligi eklenmis karsilastirma devresi kullanilir.

Cikis 10V'a ulastiysa cikis H olur fakat cikisin L olmasi icin ornegin sinyalin 9.5V esik degerinin altina inmesi istenir. Buradaki fark R1 ve R2 ile belirlenir.

Bu tip devreler esitlik degilde esit yada buyuk karsilastiricilar sinifina girer.

Esitlik ozelligi icin pencereli karsilastirma yontemi kullanilir. Bunun icin ornegin sinyal 10v degerine ulastiginda cikis vermek icin pencere araligi belirlenir. Mesela 9.9V ile 10.1V araliginda sinyal 10V olmustur anlamina gelir. Bunlarin disi cikisin low olmasina neden olur.

Bu tip devrelerre ornek olarak