Hystereze operační zesilovače - výpočty a konstrukční úvahy

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





Ve většině obvodů automatických nabíječek baterií v tomto blogu jste možná viděli operační zesilovač s funkcí hystereze pro některé zásadní funkce. Následující článek vysvětluje význam a konstrukční techniky hysterezní funkce v obvodech operační zesilovače.

Chcete-li se dozvědět přesně, co je hystereze, můžete se podívat na tento článek vysvětluje hysterezi na příkladu relé



Princip činnosti

Obrázek 2 ukazuje konvenční návrh komparátoru bez použití hystereze. Toto uspořádání funguje pomocí děliče napětí (Rx a Ry) pro stanovení minimálního prahového napětí.

komparátor bez hystereze

Komparátor by vyhodnotil a porovnal vstupní signál nebo napětí (Vln) s nastaveným prahovým napětím (Vth).



Vstupní napájecí napětí komparátoru, které má být porovnáváno, je připojeno k invertujícímu vstupu, takže výstup bude mít obrácenou polaritu.

Pokaždé, když se Vin> Vth má výstup přiblížit zápornému napájení (GND nebo logická nízká hodnota pro zobrazený diagram). a když Vln

Toto snadné řešení vám umožňuje rozhodnout, zda skutečný signál, například teplota, je nad daným rozhodujícím prahovým limitem.

Přesto může mít použití této techniky nesnáze. Rušení vstupního napájecího signálu by mohlo způsobit přepnutí vstupu nad a pod nastavenou prahovou hodnotu, což by vedlo k nekonzistentním nebo kolísavým výsledkům výstupu.

Komparátor bez hystereze

Obrázek 3 ilustruje výstupní odezvu komparátoru bez hystereze s kolísavým vzorem vstupního napětí.

výstupní odezva komparátoru bez hystereze s kolísavým vzorem vstupního napětí

Zatímco napětí vstupního signálu dosáhne stanoveného limitu (sítí děliče napětí) (Vth = 2,5 V), upraví řadu případů nad i pod minimální prahovou hodnotu.

Výsledkem je, že výstup také kolísá podle vstupu. Ve skutečných obvodech může tento nestabilní výstup snadno způsobit nepříznivé problémy.

Pro ilustraci si představte, že vstupní signál má být teplotním parametrem a výstupní odezva je zásadní aplikací založenou na teplotě, která je interpretována mikrokontrolérem.

Kolísající odezva výstupního signálu nemusí mikrokontroléru přispívat věrnými informacemi a mohla by pro mikrokontrolér přinést „matoucí“ výsledky na rozhodujících prahových úrovních.

Dále si představte, že výstup komparátoru je nutný pro provoz motoru nebo ventilu. Toto nekonzistentní spínání během prahových limitů by mohlo v rozhodujících prahových situacích vynutit mnohokrát zapnutí / vypnutí ventilu nebo motoru.

Ale „chladné“ řešení skromnou změnou obvodu komparátoru umožňuje zahrnout hysterezi, která zase zcela eliminuje nervózní výstup během přepínání prahových hodnot.

Hystereze využívá několik odlišných limitů prahového napětí, aby zůstala čistá od kolísavých přechodů, jak je vidět v diskutovaném obvodu.

Napájení vstupního signálu musí překročit horní prahovou hodnotu (VH), aby došlo k přepnutí na nízký výstup, nebo pod dolní nastavenou prahovou hranici (VL), aby se přepnul na vysoký výstup.

Komparátor s hysterezí

Obrázek 4 ukazuje hysterezi na komparátoru. Rezistor Rh se zablokuje na prahové úrovni hystereze.

komparátor s hysterezí umožňující dvě nastavení prahu

Pokaždé, když je výstup logicky vysoký (5 V), zůstane Rh paralelně s Rx. To tlačí další proud do Ry, čímž se zvyšuje mezní mezní napětí (VH) na 2,7 V. Pravděpodobně bude nutné, aby vstupní signál překročil VH = 2,7 V, aby se vyvolala výstupní odezva k přechodu na logicky nízkou hodnotu (0V).

Zatímco výstup je logicky nízký (0V), Rh je nastaven paralelně s Ry. Tím se sníží proud na Ry a sníží se prahové napětí na 2,3V. Vstupní signál bude chtít klesnout pod VL = 2,3 V, aby se výstup vyrovnal na logicky vysokou hodnotu (5 V).

Výstup Compartaor s kolísavým vstupem

Obrázek 5 označuje výstup komparátoru s hysterezí s kolísavým vstupním napětím. Úroveň vstupního signálu se má pohybovat nad horní prahovou mezí (VH = 2,7 V), aby výstup operačního zesilovače sklouzl dolů na logicky nízkou hodnotu (0V).

výstupní odezva komparátoru s hysterezí s kolísavým vstupním napětím

Úroveň vstupního signálu se také musí pohybovat pod spodní prahovou hodnotou, aby výstup operačního zesilovače plynule šplhal na logicky vysokou hodnotu (5 V).

Porušení v tomto příkladu může být zanedbatelné, a proto může být ignorováno díky hysterezi.

Ale v tomto případě by v případech, kdy úrovně vstupního signálu byly nad vypočítaným rozsahem hystereze (2,7 V - 2,3 V), mohlo dojít ke generování dodatečných fluktuujících odezev výstupu.

Aby se to napravilo, je nutné dostatečně rozšířit nastavení rozsahu hystereze, aby bylo možné vyloučit indukované rušení v daném konkrétním modelu obvodu.

Oddíl 2.1 vám poskytuje řešení pro určování komponent pro stanovení prahových hodnot v souladu s vámi vybranými požadavky na aplikaci.

Návrh hysterezního komparátoru

Rovnice (1) a (2) mohou pomoci při rozhodování o rezistorech, které si přejí vytvořit prahová napětí hystereze VH a VL. Je třeba libovolně vybrat jednu hodnotu (RX).

V rámci tohoto obrázku byla RX stanovena na 100 000, aby pomohla snížit odběr proudu. Rh bylo vypočítáno na 575k, podle toho byla implementována okamžitá standardní hodnota 576k. Potvrzení pro rovnice (1) a (2) je uvedeno v příloze A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Návrh hysterezního komparátoru

Diskuse o hysterezi s praktickým příkladem

Vezmeme si příklad obvodu nabíječky baterií IC 741 a naučíme se, jak zpětnovazební hysterezní rezistor umožňuje uživateli nastavit úplné odpojení nabití a obnovení nízkého nabití relé od sebe o určitý rozdíl napětí. Pokud by nebyla zavedena hystereze, relé by se rychle vypnulo na úrovni vypnutí, což by způsobilo vážný problém se systémem.

Otázku nastolil jeden z oddaných čtenářů tohoto blogu, pan Mike.

Proč se používá Reference Zener

Otázka:

1) Ahoj, tento okruh je velmi geniální!

Mám ale pár otázek ohledně srovnávacích operačních zesilovačů

Proč se pro referenční napětí používá 4,7 zeneru? Pokud nechceme, aby 12 voltů kleslo pod 11 pro vybití, proč tak nízká Zenerova hodnota?

Je odpor zpětné vazby k virtuálnímu zemnímu bodu 100K rezistor? Pokud ano, proč byla zvolena tato hodnota?

Děkujeme za jakoukoli pomoc!

2) Také se omlouvám, zapomněl jsem, proč je na základnách tranzistorů BC 547 4,7 zeneru?

3) Také moje poslední otázka pro tento okruh pro dnešek. Jak se rozsvítí červená / zelená indikační LED? Myslím tím, že červená LED je připojena přes svůj rezistor na horní + lištu, připojuje se k výstupu OPAMP, poté klesá v sérii směrem k zelené LED.

Zdálo by se, že budou oba zapnuty současně, protože jsou v sérii, v obou obvodech.

Má to něco společného se zpětnovazebním obvodem a virtuální zemí? Myslím, že možná uvidím. Když je tedy OPAMP vypnutý, horní červená LED

Proud prochází zpětnovazebním rezistorem (tedy jeho „zapnutím“) do virtuálního zemního bodu? Ale jak se to vypne, když má OPAMP výstup? Když OP AMP získá výstup, vidím, že klesá k zelené LED, ale jak se v tomto stavu červená LED zhasne?

Ještě jednou děkujeme za jakoukoli pomoc!

Moje odpověď

4.7 není pevná hodnota, lze ji také změnit na jiné hodnoty, předvolba kolíku # 3 nakonec upraví a kalibruje prahovou hodnotu podle vybrané Zenerovy hodnoty.

Otázka

Takže referenční napětí je zenerovo na pinu 2 (pohled shora operační zesilovač) správné? 100K zpětnovazební rezistor a hrnec vytvářejí hodnota hystereze (To znamená, že je rozdíl mezi kolíky 2 a 3, aby se operační zesilovač houpal vysoko na + železniční napětí)?

Operační zesilovač v této konfiguraci se vždy snaží, aby piny 2 a 3 dosáhly stejné hodnoty prostřednictvím svého zpětnovazebního rezistoru, správně (nula, protože dělič zpětné vazby je @ 0 a pin 3 je @ zem)?

Viděl jsem tento ovladač solární nabíječky bez zpětné vazby, jen s použitím několika operačních zesilovačů s napěťovými referenčními kolíky a hrnec na druhém.

Jen se snažím pochopit, jak v tomto případě funguje hystereze, nerozumím matematice v tomto obvodu. Je 100k 10k přednastavená zpětná vazba naprosto nezbytná?

V jiných obvodech operační zesilovače nepoužívají žádnou zpětnou vazbu, pouze je používají v konfiguračním režimu komparátoru s ref napětím na invertním / neinvertujícím kolíku, a když je jeden překročen, operační zesilovač se přepne na své železniční napětí

Co dělá zpětná vazba? Chápu vzorec zesílení operační zesilovač, v tomto případě je to 100k / 10k x rozdíl napětí hodnoty POT napětí (přednastavené) a 4,7 zener?

Nebo je to Schmidtův spouštěcí typ hysterezního UTP LTP obvodu

Stále nedostávám zpětnou vazbu s 100k / 10k většinou komparátorů operačních zesilovačů, které jsem viděl, stačí použít operační zesilovač v sytosti, mohl byste vysvětlit, proč je to zpětná vazba a zisk?

Dobře, jsem zmatený, 10K předvolba se používá k rozdělení napětí z 12voltové kolejnice, správně? Když je tedy jeho přednastavená hodnota podle POT stěrače více? než 4,7 V zener, jsme hojdačka operační zesilovač vysoko? stále nedostávám zpětnou vazbu 100k a proč se používá v komparátorovém obvodu

jak je implementována hystereze v operačním zesilovači

Proč se používá odpor zpětné vazby

Moje odpověď

Přečtěte si výše uvedený příklad, abyste pochopili, jak funguje zpětnovazební rezistor v obvodu Opamp

Jsem si jistý, že víte o tom, jak fungují děliče napětí? Jakmile se naplno

je detekována prahová hodnota nabíjení, protože podle nastavení pinu č. 3 je napětí na pinu č. 3 jen vyšší než zenerovo napětí pinu č. 2, což vynutí výstup operačního zesilovače na úroveň napájení z předchozího nulového voltu .... což znamená, že se okamžitě změní z řekněme 0 na 14V.

V této situaci můžeme nyní předpokládat, že zpětná vazba je spojena mezi „kladným napájením“ a kolíkem # 3 ... když k tomu dojde, zpětnovazební rezistor začne dodávat těchto 14 V na kolík # 3, což znamená, že dále posiluje přednastavené napětí a přidává některé extra volty v závislosti na hodnotě jeho odporu, technicky to znamená, že se tato zpětná vazba stává paralelně s přednastaveným odporem, který je nastaven mezi jeho středním ramenem a kladným ramenem.

Předpokládejme tedy, že během přechodu byl pin # 3 4,8 V a to přeplo výstup na úroveň napájení a umožnilo napájení dostat se zpět na pin # 3 přes zpětnovazební rezistor, což způsobilo, že pin # 3 byl o něco vyšší, řekněme při 5V .... kvůli tomuto kolíku # 3 bude napětí trvat déle, než se vrátí zpět pod úroveň Zenerovy hodnoty 4,7 V, protože byla zvýšena na 5 V ... tomu se říká hystereze.

Obě LED se nikdy nerozsvítí, protože jejich spojení je spojeno s pinem # 6 operační zesilovače, který bude buď na 0 V, nebo na napájecím napětí, které zajistí, že se rozsvítí červená LED nebo zelená, ale nikdy spolu.

Co je to hystereze

Otázka

Děkuji vám za zodpovězení všech mých otázek, zejména otázky týkající se zpětné vazby, která se zdá být trochu pokročilou konfigurací, takže pro mě je nová možnost, že by tato volitelná hodnota obvodu nízkého napětí fungovala také 14 voltů na neinvertovaném, 12 voltový zener na invertním referenční kolík.

Jakmile 14 VDC lišta klesla na 12, výstup operační zesilovače se vypne. To by aktivovalo nízkonapěťovou část obvodu. Ve vašem případě 10k hrnec pouze „upravuje“, „dělí“ nebo přivádí 14voltovou lištu na napětí blíže 4,7zeneru? Stále ovládáte 14 VDC.

Myslím, že jakmile to jde na 11 VDC atd., Chcete poměr, který zvýší operační zesilovač vysoko. pokud byste vyměnili 4.7 za jinou zenerovu hodnotu, dělič potu by nastavil nový poměr, ale hrnec stále „sleduje“ nebo je v poměru s lištou 14 VDC? Místo toho, abyste vložili 14VDC na jeden pin operační zesilovače, propadáte to přes dělič, ale poměr stále ovládá malý pokles z řekněme 14VDC na 11 VDC přes 10K hrnec, který poklesne na 4,7V?

Jen se snažím pochopit, jak obvod uzavírá „šíření“ z 11VDC (kde chceme, aby byla nastavená hodnota nízkého napětí) a ref. Napětí 4,7 vdc. většina komparačních obvodů, které jsem viděl, má pouze ref vdc na pinu 2, například 6 VDC. a železniční napětí řekněme 12 VDC. Poté hrnec nastaví rozdělovač z této kolejnice 12VDC, klesne na 6 VDC skrz středový bod rozdělovače. Jakmile se napětí na pinu 3 přiblíží ref 6 VDC @ pinu 2, operační zesilovač se houpá podle své konfigurace (invertní nebo neinvertující)

Možná, že tam, kde to pokazím, je tady - v jiných obvodech, na které jsem se podíval, se předpokládá, že napětí na železnici je tuhé, ale v tomto případě to poklesne Jeho pokles (14VDC na 11VDC) narušuje dělič napětí 10K poměr?

A používáte tento poměr k odkazu na 4,7 zener? takže pokud máte 10K hrnec v jeho střední poloze 5 k, tento dělič by nastavil 14VDC na 7 VDC (R2 / R1 + R2), kdyby 14 kolejnice šla na 11 VDC, střední poloha děliče je nyní 5,5, takže to záleží na tom, kde je stěrač, začínám to dostávat?

Jen nastavujeme stěrač, dokud není 4.7 v poměru k děliči napětí a požadovanému poklesu kolejnice?

takže tento obvod používá běžné principy komparátoru operační zesilovač, ale s přidaným účinkem hystereze pro řízení žádané hodnoty nízkého napětí?

Moje odpověď

Ano, chápete to správně.

Zener 12V by také fungoval, ale to by způsobilo, že operační zesilovač přepíná mezi 12V a 12,2V, systém feedaback umožňuje operačnímu zesilovači přepínat mezi 11V a 14V, to je hlavní výhoda použití odporu zpětné hystereze.

Podobně v mém případě, pokud by byl odstraněn zpětnovazební rezistor, operační zesilovač by začal často oscilovat mezi mezní úrovní 14,4 V a 14,2 V návratovou úrovní. protože podle nastavení předvolby 10K by operační zesilovač vypnul při 14,4 V a jakmile by napětí baterie pokleslo o několik milivoltů, operační zesilovač by se znovu vypnul, a to by pokračovalo nepřetržitě, což by způsobilo trvalé zapnutí / vypnutí sepnutí relé.

Výše uvedená situace by však byla v pořádku, pokud by relé nebylo použito, spíše by byl použit tranzistor.

Otázka

Normálně to, co vidím v komparátorech, je pevné napětí, jako máte @ pin 2, obvykle přes dělič napětí nebo zener atd., Pak na kolíku 3 proměnné napětí ze zdroje - pot - zem konfigurace s stěračem (hrnec) uprostřed a stěrač najde nastavenou hodnotu kolíku 2.

Ve vašem případě 4,7 pevného zenerova napětí a otočte operační zesilovač přibližně na jeho kolejnice, podle jeho konfigurace, kde je matoucí, že 10K stěrač ve vašem obvodu je nastaven na 14,4 voltů? Pak to má zaútočit na 4,7 zenera? Nechápu zápas?

Jak nastavit prahové vypínací body

Moje odpověď

nejprve jsme nastavili horní prahovou hodnotu přerušenou v hrnci napájením 14,4 V z variabilního napájecího zdroje s odpojeným zpětnovazebním odporem.

jakmile je nastaveno výše, připojíme správně vybraný hysterezní odpor do slotu a poté začneme snižovat napětí, dokud nenajdeme vypnutí operační zesilovače na požadované dolní hodnotě 11V.

toto nastaví obvod dokonale.

TEĎ, než to prakticky potvrdíme, ujistěte se, že je nejprve připojena baterie a poté je zapnuto napájení.

to je důležité, aby se zdroj energie mohl dostat dolů o úroveň nabití baterie a začít s úrovní, která je přesně stejná jako úroveň vybití baterie.

to je vše, potom je to všechno hladké plavby s operačním zesilovačem, který sleduje vzor odříznutí nastavený uživatelem.

další důležitá věc je, že proud napájecího zdroje musí být kolem 1/10 baterie AH, aby byl napájecí zdroj schopen se snadno dostat nejprve na úroveň baterie.

Otázka

Ano, přemýšlel jsem o tom a bez hystereze by to nefungovalo. Pokud vložím 7 zenerů na pin 2, nastavím Vin @ pin 3 přes dělič napětí 5k na 7 voltů a vybitou baterii v obvodu, jakmile se baterie nabije na 14 voltů, relé spadne a zatáhněte zátěž, ale zátěž by okamžitě snížila 7 u hrnce, takže relé vypadne. Bez hystereze teď vidím, proč bych nepracoval, díky

Moje odpověď

I bez zátěže se baterie nikdy nepřilne k limitu 14,4 V a okamžitě se pokusí usadit na zhruba 12,9 V nebo 13 V.

Když se operační zesilovač o / p přepne na (+), stane se stejně dobrým jako napájecí lišta, což znamená, že se zpětnovazební rezistor propojí s napájecí lištou, což dále znamená, že pin # 3 je kromě přednastavuje odpor horní části, který je spojen s napájecí lištou.

Toto přidané napětí ze zpětné vazby způsobí, že pin # 3 vzroste z 4,7 V na 5V ... to změní výpočet pro pin3 / 2 a vynutí operační zesilovač, aby zůstal zablokovaný, dokud 5V neklesne pod 4,7v, což se stane pouze když napětí baterie pokleslo na 11 V .... bez toho by operační zesilovač nepřetržitě přepínal mezi 14,4 V a 14,2 V

Co je plné nabíjecí napětí a hystereze

Následující diskuse nám říká, jaké je plné nabíjecí napětí pro olověné baterie a význam hystereze v systémech nabíjení baterií. Otázky položil pan Girish

Diskuse o parametrech nabíjení baterie
Mám několik otázek, které mě nutí poškrábat se na hlavě:
1) Jaké je úplné napětí baterie pro standardní olověnou baterii, při jakém napětí musí být baterie odpojena od nabíječky. Jaké musí být plovoucí nabíjecí napětí pro olověný akumulátor.
2) Je hysterezní odpor rozhodující v komparátorovém obvodu? bez toho to bude fungovat správně? Vygooglil jsem a našel mnoho matoucích odpovědí. Doufám, že odpovíte. Projekty jsou na cestě.
Pozdravy.

Plné odpojení nabíjení a hystereze
Ahoj holčičko,
1) U olověného akumulátoru 12V je plné nabití ze zdroje 14,3 V (mezní hodnota), plovoucí nabíjení může být při tomto napětí nejmenším proudem, který zabraňuje samovolnému vybíjení baterie a také baterie z přebíjení.

Zpravidla by tento proud mohl být kolem Ah / 70, což je 50 až 100krát méně než AH hodnocení baterie.
Hystereze je nutná u operačních zesilovačů, aby se zabránilo jejich kolísavému výstupu (ON / OFF) v reakci na kolísavý vstup, který je monitorován operačním zesilovačem.

Například pokud je operační zesilovač bez funkce hystereze nakonfigurován tak, aby monitoroval situaci přebíjení v systému nabíjení baterie, pak při plné úrovni nabití, jakmile přeruší napájení nabíjení baterie, bude baterie vykazovat tendenci klesat napětí a pokuste se usadit do polohy s nižším napětím.

Můžete to přirovnat k čerpání vzduchu uvnitř trubice, pokud je zde čerpací tlak, vzduch uvnitř trubice drží, ale jakmile je čerpání zastaveno, začne trubice pomalu vyfukovat ... to samé se děje s baterií.

Když k tomu dojde, vrátí se referenční hodnota vstupu operačního zesilovače a jeho výstup je vyzván k opětovnému zapnutí nabíjení, které opět posune napětí baterie směrem k vyšší mezní hodnotě a cyklus se bude opakovat ……. tato akce vytvoří rychlé přepnutí výstupu operační zesilovače na prahovou hodnotu plného nabití. Tato podmínka se obvykle nedoporučuje v žádném porovnávacím systému řízeném operačním zesilovačem, což by mohlo vést k chatování relé.

Abychom tomu zabránili, přidáme hysterezní rezistor přes výstupní kolík a snímací kolík operačního zesilovače, takže při mezní hranici operační zesilovač vypne svůj výstup a v této poloze se zablokuje, a pokud a dokud vstup snímacího napájení skutečně klesl na nebezpečnou spodní hranici (kde hystereze oampu není schopna udržet západku), operační zesilovač se poté znovu zapne.

Pokud máte více pochybností ohledně plného nabíjecího napětí pro olověné baterie a význam hystereze v systémech nabíjení baterií, neváhejte je zveřejnit prostřednictvím komentářů.




Předchozí: Jednofázový řídicí obvod proudového čerpadla Další: Jak vyrobit obvod testeru vlhkosti půdy pomocí jediného IC 741