Fensterkomparator

Ein einfacher Komparator beantwortet eine Frage: Liegt die Spannung über oder unter einer Schwelle? Oft willst du aber wissen, ob sie zwischen zwei Grenzen bleibt. Die Versorgung eines Mikrocontrollers darf weder zu tief sinken noch zu hoch steigen. Ein 4-20-mA-Sensor meldet mit weniger als 3,6 mA einen Leitungsbruch und mit mehr als 21 mA einen Kurzschluss. Ein Akku soll beim Laden in seinem Spannungsbereich bleiben. Dafür schaltest du zwei Komparatoren zusammen. Einer prüft die untere Grenze, der andere die obere, und gemeinsam bilden sie ein Spannungsfenster: den Fensterkomparator.

Das Beispiel hier überwacht die 5-V-Schiene einer Steuerung, die aus einem 12-V-Netzteil versorgt wird. Liegt sie außerhalb von 4,75 bis 5,25 V, also mehr als 5 % daneben, leuchtet eine rote LED.

Schaltplan

• R1, R2, R3 (15 kΩ, 1,6 kΩ, 15 kΩ): ein Spannungsteiler mit zwei Abgriffen. Der obere liefert einen etwas größeren Teil der Schienenspannung als der untere. Der kleine Widerstand R2 in der Mitte legt die Breite des Fensters fest.
• C1, 100 nF: ein Keramikkondensator gegen kurze Störspitzen auf der Schiene.
• IC2, TL431: eine Spannungsreferenz. Mit dem Referenzanschluss an der Kathode hält sie 2,495 V.
• R4, 4,7 kΩ: versorgt die Referenz aus 12 V mit gut 2 mA.
• IC1A, LM393: meldet Unterspannung. Plus am oberen Abgriff, Minus an der Referenz.
• IC1B, LM393: meldet Überspannung. Plus an der Referenz, Minus am unteren Abgriff.
• D1 mit R5, 2,2 kΩ: eine rote LED als Fehleranzeige zwischen +12 V und den verbundenen Ausgängen.

So funktioniert die Schaltung

Beide Komparatoren vergleichen einen Abgriff des Teilers mit derselben Referenz, aber mit vertauschten Eingängen.

Unterspannung. Sinkt die Schiene unter 4,75 V, fällt der obere Abgriff unter 2,495 V. Am Plus-Eingang von IC1A liegt dann weniger als am Minus-Eingang, sein Ausgang zieht nach Masse.

Überspannung. Steigt die Schiene über 5,26 V, steigt der untere Abgriff über 2,495 V. Jetzt liegt bei IC1B der Minus-Eingang höher als der Plus-Eingang, sein Ausgang zieht nach Masse.

Im Fenster. Dazwischen liegt der obere Abgriff über und der untere unter der Referenz. Beide Ausgangstransistoren sperren, durch die LED fließt kein Strom.

Der Trick ist der offene Kollektor des LM393. Die beiden Ausgänge lassen sich einfach verbinden: Sobald einer nach Masse zieht, ist der gemeinsame Ausgang low. Diese Verknüpfung heißt Wired-AND: High ist der Ausgang nur, wenn beide Komparatoren „in Ordnung“ melden. Gegentaktausgänge dürftest du so nicht verbinden, sie würden gegeneinander arbeiten.

Fällt die Schiene ganz aus, liegen beide Abgriffe auf 0 V. IC1A meldet Unterspannung, die LED leuchtet. Die Schaltung zeigt also auch einen Totalausfall an, weil sie aus den 12 V versorgt wird und nicht aus der Schiene, die sie überwacht.

Dimensionierung

1. Teilerverhältnisse. Der obere Abgriff muss bei der unteren Grenze U_u die Referenz erreichen, der untere Abgriff bei der oberen Grenze U_o. Mit der Gesamtsumme R_Σ = R₁ + R₂ + R₃ gilt:

2. Querstrom wählen. Rund 150 µA sind ein guter Wert. Der Teiler belastet die Schiene kaum, und die Eingangsströme des LM393 (höchstens 250 nA) spielen keine Rolle. Daraus folgt R_Σ ≈ 5 V / 150 µA ≈ 33 kΩ.

3. Widerstände. Für R_Σ = 31,6 kΩ ergeben sich R₃ = 0,4752 · 31,6 kΩ = 15,0 kΩ, R₂ = (0,5253 − 0,4752) · 31,6 kΩ = 1,58 kΩ und R₁ = 31,6 kΩ − 16,6 kΩ = 15,0 kΩ. Alle drei liegen sehr nah an Werten der E24-Reihe: 15 kΩ, 1,6 kΩ und 15 kΩ.

4. Referenz. Der TL431 braucht mindestens 1 mA Kathodenstrom:

5. Fehler-LED. Mit 2,0 V an der roten LED und 0,2 V am durchgeschalteten Ausgang:

6. Genauigkeit. Das Fenster ist nur ±0,25 V breit, Toleranzen fallen also ins Gewicht. Mit 1-%-Widerständen kann sich das Teilerverhältnis um knapp 1 % verschieben. Dazu kommen 1 % beim TL431A und höchstens 5 mV Offset des LM393, das sind 0,2 %. Im ungünstigsten Fall liegt die untere Grenze damit irgendwo zwischen 4,65 V und 4,85 V. Mit dem TL431B (0,5 %) und 0,1-%-Widerständen schrumpft das auf etwa ±0,04 V. Wie sich solche Fehler addieren, steht unter Messfehler.

Bauteilliste

Varianten

Meldung an den Mikrocontroller. Statt der LED hängt ein Pull-up von 10 kΩ an 3,3 V am gemeinsamen Ausgang. Der offene Kollektor macht den Pegel unabhängig von den 12 V des Komparators. Brauchst du getrennte Meldungen „zu hoch“ und „zu tief“, verbindest du die Ausgänge nicht, sondern gibst jedem einen eigenen Pull-up und einen eigenen Pin.

Einstellbares Fenster. Bei der klassischen Form liegt das Signal an beiden Komparatoren. Die beiden Schwellen kommen aus einem eigenen Dreifach-Teiler an der Referenz, dessen mittlerer Widerstand ein Potentiometer sein kann. So lassen sich Breite und Lage des Fensters von außen verstellen, etwa für einen Füllstand oder eine Temperatur.

Mit Hysterese. An der Grenze flackert die LED, solange die Spannung mit Brummen genau auf der Schwelle sitzt. Dagegen hilft eine Mitkopplung wie beim Komparator mit Hysterese. Weil die verbundenen Ausgänge beide Komparatoren gleichzeitig zurückkoppeln würden, bekommt dann jeder seinen eigenen Pull-up und seinen eigenen Rückführwiderstand. Zusammengeführt wird erst danach.

Fertige Bausteine. Spannungswächter wie der TPS3700 enthalten beide Komparatoren, eine Referenz und Hysterese in einem SOT-23-Gehäuse. Für eine einzelne Grenze genügt ein Unterspannungswächter. Wenn ohnehin ein Mikrocontroller misst, prüft er das Fenster per Software, siehe Spannung messen mit dem ADC.

Typische Fehler

• Eingänge vertauscht: Ist bei einem Komparator Plus und Minus verwechselt, leuchtet die LED genau im Fenster oder immer. Miss die beiden Abgriffe und die Referenz: Bei 5,0 V auf der Schiene sollten es etwa 2,63 V, 2,37 V und 2,495 V sein.
• TL431 falsch herum: Kathode und Anode verwechselt, liegt die Referenz bei 0,7 V statt 2,5 V. Beim TO-92 sind die Anschlüsse von vorn gesehen Ref, Anode, Kathode – andere Hersteller und SMD-Gehäuse weichen ab, also Datenblatt prüfen.
• Schaltung aus der überwachten Schiene versorgt: Dann fällt bei einem Ausfall auch die Anzeige aus. Versorge den Wächter aus einer Spannung, die länger lebt.
• Kondensator an der Referenz: Der TL431 kann mit bestimmten Kapazitäten zwischen etwa 10 nF und 1 µF schwingen. Lass die Referenz ohne Kondensator, wie hier, oder halte dich an die Stabilitätskurve im Datenblatt.
• Unbenutzte Ausgänge anderer Komparatoren: Bei einem LM339 mit vier Kanälen müssen die freien Eingänge auf festen Pegeln liegen, sonst schaltet ein offener Kanal den gemeinsamen Ausgang zufällig mit.

Selbsttest