Komparator

Ist die Batterie schon zu leer? Ist es dunkel genug für die Außenbeleuchtung? Fließt mehr Strom als erlaubt? Hinter all diesen Ja-Nein-Fragen steckt derselbe Vorgang: Eine Spannung wird mit einer Schwelle verglichen. Genau das macht der Komparator. Er hat zwei analoge Eingänge und einen digitalen Ausgang, der nur zwei Zustände kennt. Du findest ihn als eigenen Baustein wie den LM393, eingebaut in den Timer 555, in fast jedem Mikrocontroller und vielfach in schnellen AD-Wandlern.

Aufbau und Funktionsweise

Innen ähnelt ein Komparator einem Operationsverstärker: Ein Differenzverstärker vergleicht die Spannungen an den Eingängen + und −, dahinter folgt eine hohe Verstärkung. Der Unterschied liegt in der Bestimmung:

• Ein OPV soll mit Gegenkopplung linear arbeiten. Er ist deshalb intern frequenzkompensiert und reagiert vergleichsweise träge, wenn sein Ausgang an die Grenze stößt.
• Ein Komparator soll ohne Gegenkopplung so schnell wie möglich umschalten. Er hat keine Kompensation, erholt sich sofort aus der Übersteuerung und liefert am Ausgang Logikpegel.

Die Regel ist einfach: Liegt der +-Eingang höher als der −-Eingang, ist der Ausgang High. Liegt er tiefer, ist der Ausgang Low. Schon wenige Millivolt Unterschied reichen zum vollen Umschalten.

Ausgangsarten

Die meisten klassischen Komparatoren wie LM393 und LM339 haben einen Open-Collector-Ausgang (bei CMOS-Typen Open-Drain): Ein Transistor kann den Ausgang nach Masse ziehen, für High sorgt aber erst ein externer Pull-up-Widerstand. Das hat Vorteile:

• Der Ausgang kann an eine andere Spannung angehoben werden als die Versorgung des Komparators, etwa 3,3 V für einen Mikrocontroller bei 12 V Versorgung.
• Mehrere Ausgänge lassen sich direkt verbinden. Sobald einer Low zieht, ist die gemeinsame Leitung Low (Wired-AND).

Neuere Typen wie der TLV3201 haben einen Gegentakt-Ausgang (Push-Pull), der aktiv High und Low treibt und keinen Pull-up braucht. Welche Pegel ein Logikeingang als High und Low erkennt, steht unter Logik-Familien.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist dasselbe Dreieck wie beim OPV, mit + und − am Eingang. Manche Zeichner setzen ein kleines Stufensymbol hinein, um den Komparator vom OPV zu unterscheiden. Bei Open-Collector-Typen gehört der Pull-up-Widerstand in den Plan, sonst ist die Schaltung unvollständig.

Kennlinie und Kennwerte

Die Übertragungskennlinie ist eine Stufe: Unterhalb der Schwelle ist der Ausgang Low, oberhalb High. Der Umschaltpunkt liegt nicht exakt bei 0 V Differenz, sondern um die Offsetspannung verschoben.

Der LM393 enthält zwei Komparatoren im DIP-8 oder SOIC-8, der LM339 vier im 14-poligen Gehäuse. Der TLV3201 kommt einzeln im SOT-23-5.

Die Laufzeit gibt an, wie lange es vom Überschreiten der Schwelle bis zum Umschalten dauert. Sie wird bei einer bestimmten Übersteuerung (Overdrive) gemessen; liegt das Signal nur knapp über der Schwelle, schaltet der Komparator langsamer.

Durchgerechnet: Batteriewächter

Ein 12-V-Bleiakku soll nicht unter 11,5 V entladen werden. Eine Spannungsreferenz TL431 liefert 2,5 V an den +-Eingang des LM393. Ein Spannungsteiler aus R₁ und R₂ bringt die Akkuspannung an den −-Eingang. Solange der Akku voll ist, liegt der −-Eingang höher, der Ausgang ist Low. Sinkt die Akkuspannung unter die Schwelle, gibt der Transistor den Ausgang frei, und der Pull-up zieht ihn auf High: Alarm.

Die Schwelle ergibt sich aus dem Teiler:

Für das Teilerverhältnis kannst du den Rechner nutzen:

Diese einfache Schaltung hat einen Haken: Liegt die Akkuspannung genau an der Schwelle, reichen schon Millivolt Störung, und der Ausgang flattert zwischen High und Low hin und her. Die Lösung ist eine kleine Rückkopplung vom Ausgang auf den +-Eingang. Sie schafft zwei getrennte Schaltschwellen; das ist der Schmitt-Trigger.

Weitere Anwendungen

• Fensterkomparator: Zwei Komparatoren mit verbundenen Open-Collector-Ausgängen prüfen, ob eine Spannung zwischen zwei Grenzen liegt. Der Ausgang ist nur dann High, wenn keiner der beiden Low zieht.
• Überstromabschaltung: Ein Komparator vergleicht die Spannung an einem Shunt-Widerstand mit einer Schwelle und schaltet in Mikrosekunden ab – schneller als jede Software.
• Nulldurchgangserkennung: Ein Wechselsignal am Eingang, der andere Eingang auf Masse – heraus kommt ein Rechteck im Takt des Signals.
• Dämmerungsschalter: Ein Fotowiderstand im Teiler gegen einen festen Widerstand, die Schwelle über ein Potentiometer einstellbar.
• Flash-ADC: Eine Kette von Komparatoren mit gestaffelten Schwellen ist der schnellste Analog-Digital-Wandler.

Auswahl und Praxistipps

Für Batteriewächter, Thermostate und Schwellwertschalter mit 5–24 V ist der LM393 oder LM339 die günstige Standardwahl. Für 3,3-V-Schaltungen, schnelle Signale oder wenige Mikroampere Stromaufnahme greifst du zu modernen CMOS-Typen mit Push-Pull-Ausgang. Brauchst du nur einen Vergleich und ein Mikrocontroller ist ohnehin da, prüfe dessen eingebauten Komparator.

Häufige Fehler:

• Pull-up vergessen: Ein Open-Collector-Ausgang ohne Pull-up liefert nie High. Bei Messungen scheint der Ausgang dann „irgendwie“ zu schweben.
• Eingangsbereich überschritten: Beim LM393 muss mindestens ein Eingang unter U_B − 1,5 V bleiben, damit das Ergebnis stimmt. Ein Eingang direkt an der Versorgung ist bei solchen Typen eine Falle.
• Keine Hysterese bei langsamen Signalen: Temperatur, Licht oder Akkuspannung ändern sich langsam. Ohne Hysterese schwingt der Ausgang beim Durchlaufen der Schwelle.
• OPV statt Komparator: Ein OPV schaltet aus der Sättigung heraus träge, sein Ausgang passt nicht immer zu Logikpegeln. Umgekehrt taugt ein Komparator nicht als linearer Verstärker – er schwingt mit Gegenkopplung.
• Unbenutzte Komparatoren offen: Lege beide Eingänge auf feste, verschiedene Spannungen innerhalb des Eingangsbereichs, zum Beispiel − an Masse und + über einen Widerstand an die Versorgung. Offene Eingänge können schwingen und Störungen erzeugen.

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