Hysteresis Opamp - Calcule și considerații de proiectare

În majoritatea circuitelor de încărcare automată a bateriei din acest blog s-ar putea să fi văzut un opamp cu o caracteristică de histerezis inclusă pentru o funcție crucială. Următorul articol explică semnificația și tehnicile de proiectare pentru funcția de histerezis în circuitele opamp.

Pentru a afla exact ce este o histerezis, puteți consulta acest articol care explică histerezisul printr-un exemplu de releu

Principiul de funcționare

Figura 2 demonstrează un design convențional pentru un comparator fără a utiliza histerezisul. Acest aranjament funcționează utilizând un divizor de tensiune (Rx și Ry) pentru a stabili tensiunea minimă de prag.

Comparatorul va evalua și compara semnalul de intrare sau tensiunea (Vln) cu tensiunea prag stabilită (Vth).

Tensiunea de alimentare a intrării comparatorului care urmează să fie comparată este conectată la intrarea inversă, ca rezultat ieșirea va prezenta o polaritate inversată.

De fiecare dată când Vin> Vth, ieșirea se apropie de alimentarea negativă (GND sau logică scăzută pentru diagrama prezentată). iar când Vln

Această soluție ușoară vă permite să decideți dacă un semnal autentic, de exemplu temperatura, depășește o anumită limită de prag decisivă.

Chiar și așa, utilizarea acestei tehnici poate avea o situație dificilă. Interferența la semnalul de alimentare de intrare ar putea determina intrarea să treacă peste și sub pragul stabilit, declanșând rezultate de ieșire inconsistente sau fluctuante.

Comparator fără histerezis

Figura 3 ilustrează răspunsul de ieșire al unui comparator fără histerezis cu un model de tensiune de intrare fluctuant.

În timp ce tensiunea semnalului de intrare ajunge la limita setată (de către rețeaua de divizare a tensiunii) (Vth = 2,5V), aceasta se reglează mai sus, precum și sub pragul minim, un număr de instanțe.

Ca rezultat, ieșirea fluctuează prea în funcție de intrare. În circuitele reale, această ieșire instabilă poate provoca cu ușurință probleme nefavorabile.

Ca o ilustrare, gândiți-vă că semnalul de intrare este un parametru de temperatură și răspunsul de ieșire este o aplicație crucială bazată pe temperatură, care se întâmplă să fie interpretată de un microcontroler.

Răspunsul fluctuant al semnalului de ieșire poate să nu contribuie la o informație fidelă a microcontrolerului și ar putea produce rezultate „confuze” pentru microcontroler la nivelurile de prag cruciale.

În plus, imaginați-vă că ieșirea comparatorului este necesară pentru a acționa un motor sau o supapă. Această comutare neconcordantă în timpul limitelor de prag ar putea forța supapa sau motorul să fie pornite / oprite de mai multe ori în situațiile de prag cruciale.

Dar o soluție „cool” printr-o modificare modestă a circuitului de comparare vă permite să includeți histerezis care, la rândul său, elimină complet ieșirea nervoasă în timpul schimbărilor de prag.

Histerezisul profită de câteva limite distincte de tensiune prag pentru a rămâne departe de tranzițiile fluctuante așa cum se vede în circuitul discutat.

Alimentarea semnalului de intrare trebuie să treacă peste pragul superior (VH) pentru a genera o trecere a unei ieșiri scăzute sau sub limita pragului inferior setat (VL) pentru a trece la o ieșire ridicată.

Comparator cu histerezis

Figura 4 indică histerezisul unui comparator. Rezistorul Rh se blochează la nivelul pragului de histerezis.

De fiecare dată când ieșirea este la un nivel logic (5V), Rh rămâne în paralel cu Rx. Acest lucru împinge curentul suplimentar în Ry, ridicând tensiunea limită de prag (VH) la 2,7V. Semnalul de intrare va trebui probabil să depășească VH = 2,7V pentru a solicita răspunsul de ieșire să treacă la un nivel logic scăzut (0V).

În timp ce ieșirea este la nivel logic (0V), Rh este setat paralel cu Ry. Acest lucru reduce curentul în Ry, reducând tensiunea de prag la 2,3V. Semnalul de intrare va dori să coboare sub VL = 2,3V pentru a regla ieșirea la un nivel logic ridicat (5V).

Ieșire Compartaor cu intrare fluctuantă

Figura 5 semnifică ieșirea unui comparator cu histerezis cu o tensiune de intrare fluctuantă. Nivelul semnalului de intrare ar trebui să se deplaseze peste limita superioară a pragului (VH = 2,7V) pentru ca ieșirea opamp să alunece în jos la logică (0V).

De asemenea, nivelul semnalului de intrare trebuie să se deplaseze sub pragul inferior pentru ca ieșirea opamp să urce ușor la un nivel logic ridicat (5V).

Perturbarea din acest exemplu poate fi neglijabilă și, prin urmare, poate fi ignorată, datorită isterezei.

Acestea fiind spuse, în cazurile în care nivelurile semnalului de intrare au fost peste intervalul calculat de histerezis (2,7 V - 2,3 V) ar putea rezulta generarea de răspunsuri de tranziție de ieșire fluctuante suplimentare.

Pentru a remedia acest lucru, setarea intervalului de histerezis trebuie să fie extinsă suficient pentru a elimina perturbarea indusă în modelul de circuit specific dat.

Secțiunea 2.1 vă oferă o soluție pentru determinarea componentelor care fixează pragurile în conformitate cu cerințele aplicației selectate.

Proiectarea comparatorului de histerezis

Ecuațiile (1) și (2) pot fi de ajutor pentru a decide rezistențele care doresc să creeze tensiunile de prag de histerezis VH și VL. O singură valoare (RX) este necesară pentru a fi aleasă în mod arbitrar.

În cadrul acestei ilustrații, RX a fost determinat la 100k pentru a ajuta la reducerea consumului de curent. Rh a fost calculat pentru a fi 575k, în consecință a fost implementată valoarea standard imediată 576k. Confirmarea pentru ecuațiile (1) și (2) este prezentată în apendicele A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Discutarea histerezisului cu un exemplu practic

Luăm exemplul unui circuit de încărcare a bateriei IC 741 și învățăm cum rezistorul de histerezis de feedback permite utilizatorului să seteze întreruperea încărcării complete și restabilirea încărcării reduse a releului în afară de o diferență de tensiune. Dacă histerezisul nu a fost introdus, releul s-ar opri rapid la OPRIT la nivelul de întrerupere, provocând o problemă gravă cu sistemul.

Întrebarea a fost ridicată de unul dintre cititorii dedicați ai acestui blog, domnul Mike.

De ce este utilizat Reference Zener

Întrebare:

1) Bună, acest circuit este foarte genial!

Dar am câteva întrebări despre opamps-ul comparator

De ce se utilizează 4,7 zeneri pentru tensiunea de referință? Dacă nu dorim ca cei 12 volți să scadă sub 11 pentru descărcare, de ce o valoare zener atât de mică?

Rezistentul de reacție se îndreaptă spre punctul de împământare virtual un rezistor de 100K? Dacă da, de ce a fost aleasă această valoare?

Vă mulțumim pentru orice ajutor!

2) De asemenea, îmi cer scuze, am uitat de ce sunt 4.7 zeneri la bazele tranzistoarelor BC 547?

3) De asemenea, ultima mea întrebare de astăzi pentru acest circuit. LED-urile de indicație roșu / verde cum se aprind? Adică LED-ul roșu este conectat prin rezistorul său la partea superioară + șină, se conectează la ieșirea OPAMP, apoi coboară în serie spre LED-ul verde.

S-ar părea că ar fi ambele pornite în același timp, deoarece sunt în serie, în ambele circuite.

Are ceva de-a face cu circuitul de feedback și terenul virtual? Oh, cred că pot vedea. Deci, atunci când OPAMP este oprit, LED-ul roșu superior

Curentul trece prin rezistorul de feedback (deci este „pornit”) la punctul de masă virtual? Dar cum se oprește când OPAMP are o ieșire? Când OP AMP obține o ieșire, văd că coborâ la LED-ul verde, dar cum, în această stare, LED-ul roșu se stinge apoi?

Vă mulțumim din nou pentru orice ajutor!

Răspunsul meu

4.7 nu este o valoare fixă, poate fi modificată și cu alte valori, pinul # 3 presetat ajustează și calibrează în cele din urmă pragul conform valorii selectate zener.

Întrebare

Deci, tensiunea de referință este zenerul este la pinul 2 (vedere de sus opamp) corect? Rezistența de feedback de 100K și potul creează valoarea histerezisului (adică, diferența dintre pinul 2 și 3 pentru a face opampul să se balanseze până la tensiunea sa + șină)?

Opampul din această configurație încearcă întotdeauna să facă pinii 2 și 3 să ajungă la aceeași valoare prin intermediul rezistorului de feedback, corect (zero, deoarece divizorul de feedback este @ 0 și pinul 3 este @ la sol)?

Am văzut acest controler de încărcător solar făcut fără feed back, folosind doar câteva opamps cu pini de referință de tensiune și o oală pe cealaltă.

Încerc doar să înțeleg cum funcționează histerezisul în acest caz, nu înțeleg matematica din acest circuit. Este absolut necesar feedbackul presetat 100k 10k?

În alte circuite opamp, nu folosesc niciun fel de feed back doar le folosesc în modul de configurare comparator cu tensiune ref la pinul inversat / noninversat, iar atunci când unul este depășit, opampul trece la tensiunea sa feroviară

Ce face feed-back-ul? Înțeleg formula de câștig opamp, în acest caz este 100k / 10k x diferența de tensiune a valorii tensiunii POT (presetate) și a valorii 4.7 zener?

Sau este acesta un tip declanșator Schmidt de circuit de LTP UTP de histerezis

Încă nu primesc feed-ul înapoi cu cele mai multe comparatoare de 100k / 10k pe care le-am văzut folosind doar opampul în saturație, ai putea explica de ce feedback-ul și câștigul pentru acest lucru?

Bine, am șters că presetarea de 10K este utilizată pentru a împărți tensiunea de la șina de 12 volt, corect? Deci, când valoarea sa prestabilită în funcție de ștergătorul POT este mai mare? decât zenerul de 4.7V, înălțăm opampul la mare? încă nu primesc feedback de 100.000 și de ce este folosit într-un circuit de comparare

De ce este utilizat un rezistor de feedback

Răspunsul meu

Consultați exemplul de mai sus pentru a înțelege cum funcționează rezistorul de feedback într-un circuit Opamp

Sunt sigur că știți cum funcționează divizoarele de tensiune? De îndată ce plinul

pragul de încărcare este detectat, conform reglării pinului 3 presetat, tensiunea la pinul 3 devine cu puțin mai mare decât tensiunea zener a pinului 2, acest lucru forțând ieșirea opamp să se deplaseze la nivelul de alimentare de la zero volt anterior ... ceea ce înseamnă că se schimbă de la 0 la 14V instantaneu.

În această situație putem presupune acum că feedback-ul este conectat între „alimentarea pozitivă” și pinul 3 ... când se întâmplă acest lucru, rezistorul de feedback începe să furnizeze acest 14V la pinul 3, ceea ce înseamnă că întărește și mai mult tensiunea presetată și adaugă o parte Volți suplimentari în funcție de valoarea rezistenței sale, din punct de vedere tehnic, acest lucru înseamnă că acest feedback devine în paralel cu rezistența presetată, care este setată între brațul central și brațul pozitiv.

Deci, să presupunem că în timpul tranziției pinul 3 a fost de 4,8 V și acest lucru a comutat ieșirea la nivelul de alimentare și a permis alimentării să ajungă înapoi la pinul 3 prin rezistorul de feedback, ceea ce a determinat pinul 3 să fie un pic mai mare să spunem la 5V .... datorită acestui pin # 3, tensiunea va dura mai mult pentru a reveni sub nivelul de valoare zener de 4.7V, deoarece a fost ridicată la 5V ... aceasta se numește histerezis.

Ambele LED-uri nu se vor aprinde niciodată, deoarece joncțiunea lor este conectată cu pinul 6 al opampului, care va fi la 0V sau la tensiunea de alimentare, care se va asigura că LED-ul roșu se aprinde sau verde, dar niciodată împreună.

Ce este Hysteresis

Întrebare

Vă mulțumesc că ați răspuns la toate întrebările mele, în special cea despre feedback, care pare o configurare puțin avansată, așa că noua pentru mine ar funcționa și această opțiune de circuit de setare de joasă tensiune, precum și 14 volți pe non-invers, zener de 12 volți pe invers pin de referință.

Odată ce șina de 14 VDC a scăzut la 12, ieșirea opamp se declanșează. Acest lucru ar activa partea de joasă tensiune a circuitului. În cazul dvs., potul de 10k este doar „ajustat”, „divizând” sau aducând șina de 14 volt la o tensiune mai aproape de 4.7zener? Încă controlați 14 VDC.

Adică, odată ce ajunge la 11 VDC etc., doriți un raport care să întoarcă opampul la mare. dacă înlocuiți 4.7 cu o altă valoare zener, divizorul de poturi ar crea un nou raport, dar potul încă „urmărește” sau în raport cu șina de 14 VDC? În loc să puneți 14VDC pe un pin opamp, îl aruncați printr-un divizor, dar raportul controlează în continuare o mică scădere de la 14VDC la 11 VDC prin potul de 10K, care va scădea la 4,7V?

Încerc doar să înțeleg modul în care circuitul închide „răspândirea” de la 11VDC (unde vrem să fie punctul de referință de joasă tensiune) și tensiunea ref de 4,7 vdc. majoritatea circuitelor de comparare pe care le-am văzut au doar ref vdc la pinul 2, de exemplu 6 VDC. și o tensiune pe șină de 12 VDC. Apoi, o oală stabilește un divizor din șina respectivă de 12VDC, coboară pentru a spune 6 VDC prin punctul mediu al divizorului. Odată ce tensiunea la pinul 3 se apropie de ref 6 VDC @ pinul 2, opampul se leagănă conform configurației sale (inversat sau non-inversat)

Poate că acolo unde mă încurc este aici - în alte circuite pe care le-am privit, se presupune că tensiunea șinei este rigidă, dar în acest caz, va scădea. Căderea respectivă (14VDC la 11VDC) supără divizorul de tensiune de 10K raport?

Și folosiți acest raport pentru a face referire la 4.7 zener? deci, dacă aveți potul de 10K la poziția sa medie de 5 k, divizorul respectiv ar seta 14VDC la 7 VDC (R2 / R1 + R2) dacă șina 14 ar ajunge la 11 VDC, poziția medie a divizorului este acum 5,5, deci depinde de unde se află ștergătorul, încep să-l iau?

Doar ajustăm ștergătorul până când 4.7 este în raport cu divizorul de tensiune și căderea șinei pe care o dorim?

deci acest circuit folosește principii obișnuite de comparare opamp, dar cu efectul suplimentar al histerizei pentru controlul punctului de setare de joasă tensiune?

Răspunsul meu

Da, o faci bine.

Un zener de 12V ar funcționa, de asemenea, dar acest lucru ar determina opampul să comute între 12V și 12,2V, sistemul feedaback permite opampului să comute între 11V și 14V, acesta este principalul avantaj al utilizării unui rezistor de histerezis de feedback.

În mod similar, în cazul meu, dacă rezistorul de feedback ar fi eliminat, opamp-ul ar începe să oscileze frecvent între nivelul de întrerupere de 14,4 V și nivelul de revenire de 14,2 V. deoarece, conform setărilor presetării de 10K, opamp-ul s-ar întrerupe la 14,4V și imediat ce tensiunea bateriei scade cu câțiva mili-volți, opamp-ul se va opri din nou, iar acest lucru ar continua să provoace ON / OFF constant comutarea releului.

Cu toate acestea, situația de mai sus ar fi bine dacă nu s-ar folosi un releu, ci s-ar folosi un tranzistor.

Întrebare

În mod normal, ceea ce văd în comparatoare este o tensiune fixă ​​ca și cum ai avea pinul 2, de obicei printr-un divizor de tensiune sau zener etc., apoi la pinul 3 o tensiune variabilă de la sursă - pot - configurare la sol cu ​​ștergător (pot) în mijloc și ștergătorul va găsi punctul stabilit al pinului 2.

În cazul dvs., tensiunea zener 4.7 fixă ​​și rotiți opampul aproximativ pe șinele sale, conform configurației sale, în cazul în care este confuz faptul că ștergătorul de 10K din circuitul dvs. este setat la 14,4 volți? Atunci se presupune că acesta va împiedica zenerul 4.7? Nu ridic meciul?

Cum se configurează punctele de călătorie prag

Răspunsul meu

am setat mai întâi pragul superior tăiat prin pot alimentând 14,4V de la o sursă de alimentare variabilă cu rezistor de feedback deconectat.

odată ce cele de mai sus sunt setate, conectăm un rezistor de histerezis corect selectat în slot și apoi începem să reducem tensiunea până când găsim opampul oprit la nivelul inferior dorit, să zicem 11V.

aceasta configurează perfect circuitul.

ACUM, înainte de a confirma acest lucru practic, ne asigurăm că bateria este mai întâi conectată și apoi este pornită.

acest lucru este important pentru ca sursa de alimentare să poată fi trasă de nivelul bateriei și să înceapă cu un nivel exact egal cu nivelul de descărcare a bateriei.

atâta tot, după aceasta este o navigație lină cu opampul urmând modelul tăiat așa cum a fost stabilit de utilizator.

un alt lucru important este faptul că, curentul sursei de alimentare trebuie să fie în jur de 1/10 din bateria AH, astfel încât sursa de alimentare să poată fi ușor trasă în jos de nivelul bateriei inițial.

Întrebare

Da, mă gândeam bine și fără histerezis nu ar funcționa. Dacă pun un zener 7 la pinul 2, setați Vin @ pin 3 printr-un divizor de tensiune de 5k să fie de 7 volți și o baterie descărcată pe circuit, de îndată ce bateria s-a încărcat la 14 volți, releul ar intra și trageți încărcătura, dar încărcătura ar scădea imediat 7 la oală, astfel încât releul să cadă. Fără histerezis, pot vedea acum de ce nu aș munci, mulțumesc

Răspunsul meu

Chiar și fără o încărcare, bateria nu se va lipi niciodată de limita de 14,4 V și va încerca instantaneu să se stabilească la aproximativ 12,9 V sau 13 V.

Când opamp o / p se deplasează la (+) devine la fel de bun ca șina de alimentare, ceea ce implică faptul că rezistența de feedback este legată de șina de alimentare, ceea ce implică în plus că pinul # 3 este supus unei tensiuni paralele separate în plus față de presetează rezistența secțiunii superioare care este conectată cu șina de alimentare.

Această tensiune adăugată din feedback face ca pinul 3 să crească de la 4,7V pentru a spune 5V ... acest lucru schimbă calculul pentru pinul 3/2 și forțează opampul să rămână blocat până când 5V a scăzut sub 4,7v, ceea ce se întâmplă doar când tensiunea bateriei a scăzut până la 11V .... fără aceasta opamp ar fi alternat continuu între 14,4V și 14,2V

Ce este tensiunea de încărcare completă și histerezis

Următoarea discuție ne spune cu privire la tensiunea de încărcare completă pentru bateriile cu plumb acid și semnificația histerezisului în sistemele de încărcare a bateriilor. Întrebările au fost puse de domnul Girish

Discutarea parametrilor de încărcare a bateriei
Am câteva întrebări care mă fac să mă scarpinez pe cap:
1) Care este tensiunea completă a bateriei pentru o baterie standard de plumb-acid, la ce tensiune trebuie să se întrerupă bateria de la încărcător. Care trebuie să fie tensiunea de încărcare a plutitorului pentru o baterie cu plumb acid.
2) Rezistența la histerezis este crucială în circuitul comparator? fără ea va funcționa corect? Am căutat pe Google și am găsit multe răspunsuri confuze. Sper să poți răspunde. Proiectele sunt pe drum.
Salutari.

Limită de încărcare completă și histerezis
Bună Girish,
1) Pentru o baterie de 12V plumb acid, încărcarea completă de la sursa de alimentare este de 14,3V (limită de întrerupere), încărcarea plutitoare poate fi cea mai mică cantitate de curent la această tensiune, care împiedică auto-descărcarea bateriei și, de asemenea, previne bateria din supraîncărcare.

De regulă, acest curent ar putea fi în jurul valorii de Ah / 70, adică de 50 până la 100 de ori mai mic decât ratingul AH al bateriei.
Histereza este necesară în opamps pentru a preveni producerea unei ieșiri fluctuante (ON / OFF) ca răspuns la o intrare fluctuantă care este monitorizată de opamp.

De exemplu, dacă un opamp fără o caracteristică de histerezis este configurat pentru a monitoriza o situație de supraîncărcare într-un sistem de încărcare a bateriei, atunci la nivelul de încărcare completă imediat ce întrerupe alimentarea cu încărcare a bateriei, bateria va arăta tendința de a renunța la tensiune și încercați să vă așezați la o poziție de tensiune mai mică.

Puteți să-l comparați cu pomparea aerului din interiorul unui tub, atâta timp cât presiunea de pompare este acolo, aerul din interiorul tubului se menține, dar de îndată ce pomparea este oprită, tubul începe să se dezumfle lent ... la fel se întâmplă și cu bateria.

Când se întâmplă acest lucru, referința de intrare opamp se revine, iar ieșirea sa este solicitată să pornească din nou încărcarea, ceea ce împinge din nou tensiunea bateriei către pragul de întrerupere mai mare, iar ciclul continuă să se repete ....... această acțiune creează o comutare rapidă a ieșirii opamp la pragul de încărcare completă. Această condiție nu este de obicei recomandată în niciun sistem de comparare controlat de opamp și acest lucru poate da naștere la conversații prin releu.

Pentru a preveni acest lucru, adăugăm un rezistor de histerezis pe pinul de ieșire și pinul de detectare al opamp-ului, astfel încât la limita de oprire opamp-ul să oprească ieșirea și să se blocheze în acea poziție, și cu excepția cazului în care și până la intrarea de alimentare a senzorului a scăzut cu adevărat la o limită inferioară nesigură (în care histerezisul oamp nu este capabil să țină zăvorul), opampul se aprinde din nou.

Dacă aveți mai multe îndoieli cu privire la tensiunea completă de încărcare pentru bateriile cu plumb acid și semnificația histerezisului în sistemele de încărcare a bateriilor, nu ezitați să le scoateți prin comentarii.