LM293 Dual-Differenzialkomparator – Funktion & Schaltung

Was ist ein LM293 Dual-Differenzialkomparator?

Der LM293 ist ein Dual-Differenzialkomparator, der zwei unabhängige, präzise Spannungsvergleiche ermöglicht. Der LM-293 kann sowohl mit einer einzelnen Spannungsquelle als auch mit geteilten Spannungsversorgungen betrieben werden. Sein Design erlaubt einen gemeinsamen Modusbereich bis zum Erdpotential, selbst wenn nur eine einzige Spannungsquelle verwendet wird. Aufgrund seiner hohen Leistungsfähigkeit und Kosteneffizienz ist der LM-293 heutzutage eines der am häufigsten eingesetzten Bauteile in der Elektronik. Dieses Bauteil gilt als ideal für zahlreiche Anwendungen, da es unter anderem folgende Merkmale aufweist:

• Niedrige Eingangsoffset-Spannung
• Niedriger Eingangsoffset-Strom
• Niedriger Eingangsvorwärtsstrom
• Breite Versorgungsspannungsbereiche
• Eine Versorgungsspannung, die dem differentiellen Eingangsspannungsbereich entspricht
• Bleifreie Bauweise
• Und vieles mehr

Der LM-293 findet in vielfältigen Anwendungen Verwendung, beispielsweise in Gassensoren, chemischen Sensoren, Waagen, Wechselstrominduktionssystemen sowie in Personal Computern. Weitere Details zum LM293 werden in diesem Tutorial erläutert.

Einführung in den LM293

Der LM293 ist im Wesentlichen ein Dual-Differenzialkomparator, der seine Funktionen sowohl über eine einzelne als auch über geteilte Spannungsversorgungen ausführen kann. Er ist ein kostengünstiges Gerät, das heute leicht erhältlich ist. Neben den breiten Versorgungsspannungsbereichen überzeugt er durch einen niedrigen Eingangsoffset-Strom und einen niedrigen Eingangsvorwärtsstrom. Zudem ist er in Anwendungen wie chemischen Sensoren und Personal Computern einsetzbar.

Die Hauptfunktion eines Differenzialkomparators besteht darin, zwei Eingangsspannungen zu vergleichen und abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs einen digitalen Ausgang zu liefern. Der LM293 bietet zwei unabhängige Komparatoren in einem einzigen Gehäuse, was ihn zu einer platzsparenden und kosteneffizienten Lösung für viele elektronische Schaltungen macht.

Der LM293 gehört zur Familie der LM2xx-Komparatoren, zu der auch andere Varianten wie der LM193, LM293 und LM393 gehören. Diese unterscheiden sich hauptsächlich in ihren Betriebstemperaturbereichen und einigen elektrischen Charakteristiken. Der LM293 ist für einen Temperaturbereich von -25°C bis +85°C ausgelegt, was ihn für die meisten industriellen und kommerziellen Anwendungen geeignet macht.

Die interne Struktur des LM-293 ist so konzipiert, dass sie eine hohe Präzision bei der Spannungserkennung bietet. Jeder der beiden Komparatoren verfügt über einen differentiellen Eingang und einen Open-Collector-Ausgang. Diese Konfiguration ermöglicht es, den Ausgang mit externen Pull-up-Widerständen an verschiedene Logikpegel anzupassen, was dem LM293 eine große Flexibilität in unterschiedlichen Schaltungsumgebungen verleiht.

LM293 Pins & Pin-Funktionen

Der LM-293 verfügt über insgesamt acht Pins, von denen jeder eine eigene Funktion besitzt. Alle Pins des LM-293 sind in einer übersichtlichen Tabelle zusammengefasst.

Jeder dieser Pins erfüllt eine kritische Funktion für die Gesamtleistung des Bauteils. Die Eingangspins (INPUT A+, INPUT A-, INPUT B+, INPUT B-) nehmen die zu vergleichenden Signale auf. Die Ausgangspins (OUTPUT A, OUTPUT B) liefern das Ergebnis des Vergleichs. Die Versorgungspins (VCC und GND) stellen die für den Betrieb erforderliche Energie bereit.

LM293 Pinbelegung

Das Pinout-Diagramm eines elektronischen Bauteils hilft dabei, die Pin-Konfigurationen für den richtigen Einsatz zu verstehen. Bei der Arbeit mit dem LM-293 ist es entscheidend, die korrekte Pinbelegung zu kennen, um Fehler bei der Schaltungsgestaltung zu vermeiden.

Die typische Pinbelegung des LM293 im 8-Pin-DIP-Gehäuse (Dual Inline Package) folgt dem industrieüblichen Standard für Dual-Komparatoren. Die Pins sind symmetrisch angeordnet, wobei sich die Eingänge und Ausgänge des ersten Komparators auf einer Seite und die des zweiten Komparators auf der anderen Seite befinden.

Diese Anordnung erleichtert das Layout von Leiterplatten und minimiert die Wahrscheinlichkeit von Signalinterferenzen zwischen den beiden Komparatoren.

LM293 Gehäuseformen

Unterschiedliche Gehäuse werden angeboten, um verschiedene Modelle desselben Bauteils darzustellen. Die verfügbaren Gehäuse des LM-293 sind:

1. SOIC-8 (Small Outline Integrated Circuit): Ein flaches, rechteckiges SMD-Gehäuse mit acht Pins, das für automatisierte Bestückung und Oberflächenmontage optimiert ist.
2. DIP-8 (Dual Inline Package): Ein traditionelles durchsteckbares Gehäuse mit zwei parallelen Reihen von jeweils vier Pins, das sich leicht in Steckplatinen oder Sockel einsetzen lässt.
3. SOP-8 (Small Outline Package): Ähnlich dem SOIC, jedoch mit etwas anderen Abmessungen und oft für spezifische Anwendungen oder Hersteller.
4. TSSOP-8 (Thin Shrink Small Outline Package): Eine dünnere Version des SOP mit reduziertem Pin-Abstand, ideal für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.
5. VSSOP-8 (Very Thin Shrink Small Outline Package): Eine noch dünnere Variante des TSSOP, die für extrem platzkritische Designs verwendet wird.

Die Wahl des Gehäuses hängt von Faktoren wie verfügbarem Platz auf der Leiterplatte, Montagemethode (SMD vs. THT) und den thermischen Anforderungen der Anwendung ab.

Abmessungen der LM293-Gehäuse

Um die verschiedenen Gehäuse voneinander unterscheiden zu können, werden ihnen unterschiedliche Abmessungen zugeordnet. Diese Abmessungen sind entscheidend für die korrekte Gestaltung des PCB-Layouts und die Einhaltung der erforderlichen Toleranzen bei der Montage.

Diese Abmessungen können je nach Hersteller leicht variieren, daher ist es ratsam, vor der finalen Schaltungsgestaltung die genauen Spezifikationen des verwendeten Bauteils zu überprüfen.

LM293 Schaltplan

Der Schaltplan des LM-293 veranschaulicht das interne Schaltbild des Bauteils und erleichtert das Verständnis des Aufbaus. Die interne Struktur jedes der beiden Komparatoren besteht aus:

1. Eingangsdifferenzverstärker: Dieser vergleicht die Spannungen an den invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen und verstärkt den Unterschied.
2. Spannungsreferenz: Eine präzise interne Referenz, die für stabile Vergleichsoperationen sorgt.
3. Ausgangstreiber: Ein Open-Collector-Ausgang, der den Anschluss von externen Pull-up-Widerständen ermöglicht.
4. Schutzschaltungen: Interne Schutzstrukturen gegen elektrostatische Entladungen und Überspannungen.

Die beiden Komparatoren teilen sich die Versorgungsleitungen, sind aber ansonsten vollständig unabhängig voneinander. Dies ermöglicht den simultanen Betrieb für unterschiedliche Anwendungen innerhalb derselben Schaltung.

Der folgende Schaltplan zeigt den LM293 Dual-Differenzialkomparator mit seiner internen Struktur und typischen Anwendungsbeispielen.

Hier sind die wichtigsten Elemente:

1. IC-Gehäuse: Der LM293 im 8-Pin DIP/SOIC-Gehäuse mit Pinbelegung:
   • Pin 1: OUT 1 (Ausgang von Komparator 1)
   • Pin 2: IN 1- (Invertierender Eingang von Komparator 1)
   • Pin 3: IN 1+ (Nicht-invertierender Eingang von Komparator 1)
   • Pin 4: GND (Masseanschluss)
   • Pin 5: IN 2+ (Nicht-invertierender Eingang von Komparator 2)
   • Pin 6: IN 2- (Invertierender Eingang von Komparator 2)
   • Pin 7: OUT 2 (Ausgang von Komparator 2)
   • Pin 8: VCC (Positive Versorgungsspannung)
2. Interne Struktur beider Komparatoren:
   • Eingangsdifferenzverstärker: Vergleicht die Signale an den nicht-invertierenden (+) und invertierenden (-) Eingängen
   • Spannungsreferenz: Sorgt für stabile interne Referenzspannungen
   • Ausgangstreiber: Verstärkt das Differenzsignal
   • Open-Collector-Ausgangsstufe: Ermöglicht flexible Ausgangsspannungspegel durch externe Pull-up-Widerstände
   • Schutzschaltungen: Gegen elektrostatische Entladungen und Überspannungen
3. Anwendungsbeispiele für beide Komparatoren:
   • Typische Beschaltung mit Pull-up-Widerständen an den Ausgängen
   • Anschluss der Eingangssignale für den Vergleich
4. Versorgung und Entkopplung:
   • VCC-Anschluss (2-36V Versorgungsspannung)
   • GND-Anschluss
   • 100nF Entkopplungskondensator zwischen VCC und GND

Die Funktionsweise des LM293 wird im unteren Teil des Diagramms zusammengefasst:

• Die Komparatoren vergleichen die Spannungen an den Eingängen
• Wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang (IN+) höher ist als am invertierenden Eingang (IN-), ist der Ausgang offen (High, wenn ein Pull-up-Widerstand angeschlossen ist)
• Wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang (IN+) niedriger ist als am invertierenden Eingang (IN-), ist der Ausgang niederohmig (Low)
• Die Open-Collector-Ausgänge erfordern externe Pull-up-Widerstände (typischerweise 1-10 kΩ)
• Beide Komparatoren arbeiten unabhängig voneinander, teilen sich jedoch die Versorgungsspannung

Der Schaltplan verdeutlicht, wie die beiden Komparatoren innerhalb des LM293 als separate Einheiten funktionieren und wie sie in typischen Anwendungen beschaltet werden.

LM293 Symbolische Darstellung

Das symbolische Diagramm zeigt die vereinfachte interne Struktur des LM-293. In elektronischen Schaltplänen wird der LM293 typischerweise als zwei separate Dreiecksymbole dargestellt, die die beiden unabhängigen Komparatoren repräsentieren. Jedes Symbol verfügt über:

• Einen nicht-invertierenden Eingang (häufig mit einem „+“-Zeichen gekennzeichnet)
• Einen invertierenden Eingang (häufig mit einem „-„-Zeichen gekennzeichnet)
• Einen Ausgang (üblicherweise als Linie mit Pfeil dargestellt)

Die Versorgungspins werden entweder explizit gezeigt oder implizit vorausgesetzt, je nach den Konventionen des verwendeten Schaltplanzeichenprogramms.

LM293 Leistung – Strom & Spannung

Die Kennwerte geben Auskunft über die benötigte Spannung, den Strom und die Leistung des Bauteils. Die spezifischen Kennwerte des LM-293 sind:

Diese Parameter sind entscheidend für die korrekte Dimensionierung der Schaltung und die Gewährleistung eines zuverlässigen Betriebs innerhalb der spezifizierten Grenzen.

LM293 Eigenschaften

Die Eigenschaften des LM-293 umfassen Parameter, die das Gerät besonders attraktiv machen. Die wichtigsten Merkmale sind:

• Verfügbarkeit in verschiedenen Gehäuseformen: Bietet Flexibilität für unterschiedliche Montage- und Layoutanforderungen.
• Weiter Versorgungsspannungsbereich: Der LM-293 kann mit Versorgungsspannungen von 2V bis 36V betrieben werden, was ihn für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet macht.
• Niedrige Eingangsoffset-Spannung: Mit typischerweise nur 2mV Offset-Spannung bietet der LM293 eine hohe Präzision bei Spannungsvergleichen.
• Geringe Stromaufnahme: Mit nur etwa 0,4mA pro Komparator ist der LM-293 energieeffizient und für batteriebetriebene Anwendungen geeignet.
• Common-Mode-Bereich bis zur negativen Versorgungsspannung: Der Eingangsspannungsbereich erstreckt sich bis zur negativen Versorgungsspannung, was den Einsatz in Schaltungen mit Bodenreferenz ermöglicht.
• Differentieller Eingangsspannungsbereich gleich der Versorgungsspannung: Dies maximiert die Flexibilität bei der Signalverarbeitung.
• Open-Collector-Ausgänge: Ermöglichen das Anschließen an verschiedene Logikpegel und das Implementieren von Wired-OR-Verbindungen.
• Schnelle Ansprechzeit: Mit typisch 300ns reagiert der LM293 schnell auf Änderungen am Eingang.
• Zwei unabhängige Komparatoren in einem Gehäuse: Spart Platz und Kosten in elektronischen Designs.
• Industriestandard-Pinbelegung: Erleichtert den Austausch mit ähnlichen Bauteilen und die Integration in bestehende Designs.

LM293 Anwendungen

Der LM-293 wird in zahlreichen realen Anwendungen eingesetzt. Einige der wichtigsten Einsatzgebiete sind:

1. Spannungsüberwachung und Schwellwertdetektion: Der LM293 kann verwendet werden, um zu erkennen, wann eine Spannung einen vordefinierten Schwellwert über- oder unterschreitet. Dies ist nützlich für Batterieüberwachung, Schutzschaltungen und Alarmsysteme.
2. Schmitt-Trigger-Schaltungen: Durch Hinzufügen einer positiven Rückkopplung können mit dem LM293 Schmitt-Trigger-Schaltungen realisiert werden, die Hysterese bieten und dadurch störungsunempfindlicher bei verrauschten Signalen sind.
3. Signalkonvertierung: Der LM-293 wird häufig verwendet, um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln, indem er prüft, ob ein Signal einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
4. Oszillatoren: In Verbindung mit RC-Netzwerken kann der LM293 zur Generierung von Rechtecksignalen und Schwingungen eingesetzt werden.
5. Sensorschnittstellen: Der LM293 eignet sich hervorragend für die Anbindung von Sensoren an Mikrocontroller, indem er analoge Sensorausgänge in digitale Signale umwandelt.
6. Temperaturüberwachung: In Kombination mit Thermistoren oder anderen temperaturabhängigen Widerständen dient der LM293 zur Temperaturüberwachung und -steuerung in verschiedenen Geräten.
7. Motorsteuerung: In Motorsteuerkreisen wird der LM293 für die Überwachung von Strom- und Spannungswerten sowie für die Implementierung von Schutzfunktionen eingesetzt.
8. Analogfilter: Der LM293 kann in aktiven Filterkreisen verwendet werden, um bestimmte Frequenzbereiche zu isolieren oder zu unterdrücken.
9. Pulsweitenmodulation (PWM): In PWM-Schaltungen dient der LM293 zur Erzeugung von präzisen Steuersignalen für Motoren, LED-Dimmer oder andere leistungsgesteuerte Geräte.
10. Gassensoren und chemische Sensoren: Der LM293 wird in der Signalanpassung und Verstärkung für verschiedene Umweltsensoren eingesetzt, die Gase oder chemische Substanzen erkennen.
11. Messgeräte und Instrumentierung: In Messgeräten hilft der LM293 bei der präzisen Ermittlung von Messwerten durch Vergleich mit Referenzspannungen.
12. Digitale Logikschaltungen: Durch seine Fähigkeit, mit verschiedenen Logikpegeln zu arbeiten, wird der LM293 in gemischten analog-digitalen Schaltungen eingesetzt.

LM293 Äquivalent & Alternativen

Der LM293 ist ein weit verbreiteter Dual-Differenzialkomparator, aber es gibt mehrere Alternativen und Äquivalente, die je nach Anwendungsfall, Verfügbarkeit oder spezifischen Anforderungen eingesetzt werden können. Diese Alternativen unterscheiden sich in Parametern wie Betriebstemperaturbereich, Stromaufnahme, Geschwindigkeit oder spezifischen Eigenschaften. Beim Austausch des LM293 durch eine Alternative sollte unbedingt die Kompatibilität der Pinbelegung und der elektrischen Charakteristiken überprüft werden, um eine reibungslose Funktionalität zu gewährleisten.

Insbesondere bei kritischen Anwendungen wie Präzisionsmessungen oder Sicherheitssystemen empfiehlt es sich, die jeweiligen Datenblätter gründlich zu vergleichen. Hier sind einige gängige Alternativen zum LM293:

• LM393: Sehr ähnlich zum LM293, aber mit erweitertem Temperaturbereich von 0°C bis +70°C
• LM193: Militärversion mit Temperaturbereich von -55°C bis +125°C
• LM2903: Version mit verbesserter Leistung und geringerer Stromaufnahme
• LM339: Vierfach-Komparator mit ähnlichen Eigenschaften, aber vier statt zwei Komparatoren
• LM311: Präzisions-Einzelkomparator mit höherer Geschwindigkeit
• LM397: Komparator mit integrierter Referenzspannung
• LT1016: Hochgeschwindigkeits-Komparator für zeitkritische Anwendungen
• TL331: Einzelkomparator mit geringem Stromverbrauch
• MAX903: Komparator mit extrem schneller Schaltgeschwindigkeit
• MC3423: Spezialisierter Komparator für Überwachungsfunktionen

Zusammenfassung

Dieses Tutorial „Einführung in den LM293“ bietet eine detaillierte Übersicht über die grundlegenden Einsatzmöglichkeiten des integrierten Schaltkreises LM-293. Es wurden alle notwendigen Informationen zu diesem speziellen IC zusammengetragen. Der LM293 Dual-Differenzialkomparator zeichnet sich durch seine Vielseitigkeit, Kosteneffizienz und Leistungsfähigkeit aus, was ihn zu einem Standardbauteil in der modernen Elektronik macht.

Seine Fähigkeit, mit einer breiten Palette von Versorgungsspannungen zu arbeiten, macht ihn besonders flexibel für verschiedene Anwendungsbereiche. Die niedrigen Offsetwerte und geringen Stromaufnahmen sorgen für präzise Messungen und energieeffiziente Schaltungen. Die Verfügbarkeit in verschiedenen Gehäuseformen ermöglicht den Einsatz in unterschiedlichen Konstruktionen, von Hobbyschaltungen bis hin zu industriellen Anwendungen.

Die vorgestellten Anwendungsbeispiele demonstrieren die enorme Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten des LM-293, von einfachen Spannungskomparatoren bis hin zu komplexen Sensorschnittstellen. Durch die Kenntnisse über Pinbelegung, technische Spezifikationen und Funktionsweise können Elektronikentwickler und Hobby-Elektroniker den LM293 optimal in ihren Projekten einsetzen.

Für weiterführende Informationen empfiehlt sich ein Blick in die Datenblätter der Hersteller, die detaillierte elektrische Charakteristiken und Anwendungshinweise enthalten.

LM293 Datenblatt

Weitere Informationen gibt es in dem LM293 Datenblatt zum Download.

Letztes Update des Artikels: 19. März 2025