Opamp-hysterese - berekeningen en ontwerpoverwegingen

In de meeste automatische acculaderscircuits in deze blog heb je misschien een opamp gezien met een hysterese-functie voor een cruciale functie. In het volgende artikel worden de betekenis en ontwerptechnieken voor de hysteresefunctie in opamp-circuits uitgelegd.

Om precies te weten wat een hysterese is, kunt u dit artikel raadplegen verklaart hysterese aan de hand van een voorbeeld van een relais

Werkingsprincipe

Figuur 2 toont een conventioneel ontwerp voor een comparator zonder de hysterese te gebruiken. Deze opstelling werkt door een spanningsdeler (Rx en Ry) te gebruiken om de minimale drempelspanning vast te stellen.

De comparator zou het ingangssignaal of de spanning (Vln) evalueren en vergelijken met de ingestelde drempelspanning (Vth).

De te vergelijken ingangsvoedingsspanning van de comparator is verbonden met de inverterende ingang, waardoor de uitgang een omgekeerde polariteit krijgt.

Elke keer dat de Vin> Vth, wordt verondersteld dat de uitgang dicht bij de negatieve voeding komt (GND of logisch laag voor het getoonde diagram). en wanneer Vln

Deze eenvoudige oplossing stelt u in staat om te beslissen of een echt signaal, bijvoorbeeld temperatuur, al dan niet boven een bepaalde beslissende drempelwaarde ligt.

Toch kan het gebruik van deze techniek een hachelijke situatie hebben. Interferentie op het ingangsvoedingssignaal kan er mogelijk voor zorgen dat de ingang omschakelt boven en onder de ingestelde drempel, wat een inconsistente of fluctuerende uitgangsresultaten kan veroorzaken.

Comparator zonder hysterese

Figuur 3 illustreert de uitgangsresponsie van een comparator zonder hysterese met een fluctuerend ingangsspanningspatroon.

Terwijl de spanning van het ingangssignaal de ingestelde limiet bereikt (door het spanningsdelernetwerk) (Vth = 2,5 V), past het een aantal gevallen zowel boven als onder de minimumdrempel aan.

Hierdoor fluctueert de output mee met de input. In daadwerkelijke circuits kan deze onstabiele output gemakkelijk ongunstige problemen veroorzaken.

Denk bijvoorbeeld aan het ingangssignaal als een temperatuurparameter en de uitgangsreactie als een cruciale op temperatuur gebaseerde toepassing, die toevallig wordt geïnterpreteerd door een microcontroller.

De fluctuerende respons van het uitgangssignaal draagt ​​mogelijk geen betrouwbare informatie bij aan de microcontroller en kan 'verwarrende' resultaten opleveren voor de microcontroller op de cruciale drempelniveaus.

Stel u bovendien voor dat de uitgang van de comparator nodig is om een ​​motor of klep te bedienen. Dit inconsistente schakelen tijdens de drempellimieten zou ertoe kunnen leiden dat de klep of motor in de loop van de cruciale drempelsituaties vele malen AAN / UIT wordt geschakeld.

Maar een 'coole' oplossing door een bescheiden wijziging aan het vergelijkingscircuit stelt u in staat hysterese op te nemen, die op zijn beurt de zenuwachtige output tijdens drempelomschakelingen volledig elimineert.

Hysterese maakt gebruik van een aantal verschillende drempelspanningslimieten om uit de buurt te blijven van de fluctuerende overgangen zoals te zien in het besproken circuit.

De invoer van het ingangssignaal moet over de bovenste drempel (VH) gaan om een ​​omschakeling van een lage uitgang te genereren of onder de ingestelde onderste drempelwaarde (VL) om over te schakelen naar een hoge uitgang.

Vergelijker met hysterese

Figuur 4 geeft hysterese op een comparator aan. De weerstand Rh vergrendelt op het hysteresedrempelniveau.

Elke keer dat de uitgang logisch hoog is (5V), blijft Rh parallel met Rx. Dit duwt extra stroom in Ry, waardoor de drempellimietspanning (VH) wordt verhoogd tot 2,7V. Het ingangssignaal moet waarschijnlijk hoger zijn dan VH = 2,7 V om de uitgangsreactie naar een logisch laag niveau (0 V) te bewegen.

Terwijl de output logisch laag is (0V), wordt Rh parallel gezet met Ry. Dit verlaagt de stroom naar Ry, waardoor de drempelspanning naar 2,3V wordt verlaagd. Het ingangssignaal zal onder VL = 2,3V willen gaan om de uitgang op een logische hoge (5V) te zetten.

Compartaor-uitgang met fluctuerende ingang

Figuur 5 geeft de uitgang aan van een comparator met hysterese met een fluctuerende ingangsspanning. Het ingangssignaalniveau wordt verondersteld over de hogere drempellimiet (VH = 2,7V) te gaan om de opamp-uitgang naar logisch laag (0V) te laten zakken.

Ook moet het ingangssignaalniveau onder de onderste drempel komen om de opamp-uitgang soepel naar logisch hoog (5V) te laten stijgen.

De storing in dit voorbeeld kan verwaarloosbaar zijn en kan daarom dankzij de hysterese worden genegeerd.

Maar dit gezegd hebbende, in gevallen waarin de ingangssignaalniveaus boven het hysterese berekende bereik (2,7 V - 2,3 V) lagen, zou dit kunnen resulteren in het genereren van aanvullende fluctuerende uitgangsovergangsreacties.

Om dit te verhelpen, moet de instelling van het hysteresebereik voldoende worden uitgebreid om de geïnduceerde storing in het gegeven specifieke circuitmodel te onderdrukken.

Paragraaf 2.1 biedt u een oplossing voor het bepalen van componenten om de drempels vast te leggen in overeenstemming met de door u geselecteerde applicatie-eisen.

Ontwerp van hysteresevergelijker

Vergelijkingen (1) en (2) kunnen behulpzaam zijn bij het beslissen over de weerstanden die de hysteresedrempelspanningen VH en VL willen creëren. Een enkele waarde (RX) moet willekeurig worden gekozen.

In deze illustratie was RX bepaald op 100k om het stroomverbruik te helpen verminderen. Rh werd berekend op 575k, dienovereenkomstig werd de onmiddellijke standaardwaarde 576k geïmplementeerd. De bevestiging voor vergelijkingen (1) en (2) wordt gepresenteerd in bijlage A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Hysterese bespreken met een praktijkvoorbeeld

We nemen het voorbeeld van een IC 741-acculadercircuit en leren hoe de feedbackhystereseweerstand de gebruiker in staat stelt om de volledige lading uit te schakelen en het herstel van de lage lading van het relais uit elkaar te halen door een spanningsverschil. Als de hysterese niet werd ingevoerd, zou het relais snel worden uitgeschakeld op het uitschakelniveau, wat een ernstig probleem met het systeem zou veroorzaken.

De vraag werd gesteld door een van de toegewijde lezers van deze blog, de heer Mike.

Waarom Reference Zener wordt gebruikt

Vraag:

1) Hallo, dit circuit is erg geniaal!

Maar ik heb enkele vragen over de comparator opamps

Waarom worden 4,7 zeners gebruikt voor de referentiespanning? Als we niet willen dat de 12 volt onder de 11 komt voor ontlading, waarom dan zo'n lage zenerwaarde?

Gaat de feedbackweerstand naar het virtuele aardpunt een 100K-weerstand? Zo ja, waarom is voor deze waarde gekozen?

Bedankt voor alle hulp!

2) Ik bied ook mijn excuses aan, ik ben vergeten waarom er 4.7 zeners aan de basis van de BC 547 transistors zijn?

3) Ook mijn laatste vraag voor vandaag voor dit circuit. De rood / groene indicatie-LED's hoe branden ze? Ik bedoel, de rode LED is via zijn weerstand verbonden met de bovenste + rail, maakt verbinding met de uitgang van de OPAMP en gaat dan in serie naar beneden naar de groene LED.

Het lijkt erop dat ze allebei tegelijkertijd zijn ingeschakeld, omdat ze in beide circuits in serie zijn.

Heeft het iets te maken met het feedbackcircuit en virtuele aarde? Oh, ik denk dat ik het mag zien. Dus als de OPAMP uit is, de bovenste rode LED

Stroom gaat door de feedbackweerstand (dus 'aan') naar het virtuele aardingspunt? Maar hoe wordt het uitgeschakeld als de OPAMP een uitgang heeft? Als de OP AMP een uitgang krijgt, zie ik dat naar de groene LED gaan, maar hoe wordt in die toestand de rode LED dan uitgeschakeld?

Nogmaals bedankt voor alle hulp!

Mijn antwoord

4.7 is geen vaste waarde, het kan ook naar andere waarden worden gewijzigd, de voorinstelling van pin # 3 past uiteindelijk de drempel aan en kalibreert deze volgens de geselecteerde zenerwaarde.

Vraag

Dus de referentiespanning is dat de zener op pin 2 (bovenaanzicht opamp) correct is? De 100K feedbackweerstand en pot creëren de hysterese waarde (dat wil zeggen, het verschil tussen pin 2 en 3 om de opamp hoog te laten zwaaien naar zijn + railspanning)?

De opamp in deze configuratie probeert altijd pinnen 2 en 3 op dezelfde waarde te krijgen via zijn feedbackweerstand, correct (nul, aangezien de feedbackdeler @ 0 is en pin 3 @ aarde)?

Ik heb deze zonneladercontroller zien doen zonder de feedback, alleen met behulp van verschillende opamps met spanningsreferentiepennen en een pot op de andere.

Ik probeer gewoon te begrijpen hoe hysterese in dit geval werkt, ik begrijp de wiskunde in dit circuit niet. Is de vooraf ingestelde feedback van 100k 10k absoluut noodzakelijk?

In andere opamp-circuits gebruiken ze geen feedback, gebruik ze gewoon in de comparator-configuratiemodus met ref-spanning op omkering / niet-omkeerpen, en wanneer er een wordt overschreden, zwaait de opamp naar zijn railspanning

Wat doet de feedback? Ik begrijp de opamp-versterkingsformule, in dit geval is het 100k / 10k x spanningsverschil van de POT-spanning (vooraf ingestelde) waarde en 4.7 zener?

Of is dit een Schmidt-trigger type hysterese UTP LTP-circuit

Ik krijg nog steeds geen feedback met de 100k / 10k meeste opamp-comparators die ik heb gezien, gebruik de opamp gewoon in verzadiging, kun je uitleggen waarom de feedback en winst hiervoor?

Oké, ik ben gek dat de 10K-preset wordt gebruikt om de spanning van de 12volt-rail te verdelen, toch? Dus, wanneer de vooraf ingestelde waarde volgens de POT-wisser meer is? dan de 4.7V zener, zwaaien we de opamp hoog? krijg nog steeds niet de 100k-feedback en waarom het wordt gebruikt in een vergelijkingscircuit

Waarom feedbackweerstand wordt gebruikt

Mijn antwoord

Raadpleeg de bovenstaande voorbeeldafbeelding om te begrijpen hoe de feedbackweerstand werkt in een Opamp-circuit

Ik weet zeker dat je weet hoe spanningsverdelers werken? Zodra de volledige

laaddrempel wordt gedetecteerd, volgens de aanpassing van pin # 3 vooraf ingesteld wordt de spanning op pin # 3 net hoger dan pin # 2 zenerspanning, dit dwingt de opamp-uitgang om naar het voedingsniveau te zwaaien van zijn vorige nul volt ... wat betekent dat het onmiddellijk verandert van bijvoorbeeld 0 naar 14V.

In deze situatie kunnen we nu aannemen dat de terugkoppeling is verbonden tussen 'positieve voeding' en pin # 3 ... wanneer dit gebeurt, begint de feedbackweerstand deze 14V te leveren aan pin # 3, wat betekent dat het de vooraf ingestelde spanning verder versterkt en wat toevoegt extra volt afhankelijk van de weerstandswaarde, technisch betekent dit dat deze terugkoppeling parallel loopt met de vooraf ingestelde weerstand die is ingesteld tussen de middelste arm en de positieve arm.

Dus stel dat tijdens de overgang pin # 3 4.8V was en hierdoor de output naar het voedingsniveau werd geschakeld en de voeding terug kon reiken naar pin # 3 via de feedbackweerstand, waardoor pin # 3 iets hoger werd, bijvoorbeeld bij 5V ... vanwege deze pin # 3 spanning zal het langer duren om terug te komen tot onder het 4.7V zener-waardeniveau omdat het is verhoogd naar 5V ... dit wordt hysterese genoemd.

Beide LED's zullen nooit oplichten omdat hun junction is verbonden met pin # 6 van de opamp die ofwel op 0V staat of de voedingsspanning die ervoor zorgt dat ofwel de rode ofwel de groene LED oplicht, maar nooit samen.

Wat is hysterese

Vraag

Bedankt voor het beantwoorden van al mijn vragen, vooral die over de feedback, die een beetje geavanceerde configuratie lijkt, dus het is nieuw voor mij, zou deze laagspanningsinstelpuntcircuitoptie ook werken 14 volt op de niet-inverter, 12 volt zener op de invert referentie pin.

Zodra de 14 VDC-rail is gedaald tot 12, schakelt de opamp-uitgang uit. Dit zou het laagspanningsgedeelte van het circuit activeren. In jouw geval is de 10k-pot gewoon 'aanpassen', 'delen' of de 14volt-rail dichter bij de 4.7zener brengen? Je bestuurt nog steeds de 14 VDC.

Ik bedoel, als het eenmaal naar 11 VDC enz. Gaat, wil je een verhouding die de opamp hoog laat zwaaien. als je de 4.7 zou vervangen door een andere zener-waarde, zou de potverdeler een nieuwe verhouding opzetten, maar de pot is nog steeds 'volgt' of in verhouding met de rail 14 VDC? In plaats van 14VDC op één opamp-pin te plaatsen, laat je het door een verdeler vallen, maar de verhouding controleert nog steeds een kleine daling van zeg 14VDC naar 11 VDC door de 10K-pot, die zal dalen tot 4.7V?

Ik probeer alleen te begrijpen hoe het circuit de 'spread' van 11 VDC (waar we het laagspanningsinstelpunt willen hebben) en de ref-spanning van 4,7 VDC sluit. de meeste comparatorcircuits die ik heb gezien, hebben alleen de ref vdc op pin 2, bijvoorbeeld 6 VDC. en een railspanning van zeg 12 VDC. Dan zet een pot een verdeler op van die rail van 12VDC, zakt naar zeg 6 VDC door het middelpunt van de verdeler. Zodra de spanning op pin 3 de ref 6 VDC @ pin 2 nadert, zwaait de opamp volgens zijn configuratie (omkeren of niet-omkeren)

Misschien is waar ik het verprutst hier - in andere circuits waar ik naar heb gekeken, wordt aangenomen dat de railspanning stijf is, maar in dit geval zal het dalen. Het is die daling (14 VDC tot 11 VDC) die de 10K spanningsdeler verstoort verhouding?

En je gebruikt die ratio om naar de 4.7 zener te verwijzen? dus als je de 10K pot in de middenpositie van 5 k hebt, zou die verdeler de 14 VDC op 7 VDC (R2 / R1 + R2) zetten als de 14 rail naar 11 VDC ging, de middenpositie van de verdeler is nu 5,5, dus hangt af van waar de wisser is, begin ik het te krijgen?

We passen gewoon de wisser aan totdat de 4.7 in verhouding staat tot de spanningsdeler en de raildaling die we willen?

dus dit circuit gebruikt normale opamp-comparatorprincipes, maar met het toegevoegde effect van hystersis voor de regeling van het laagspanningsinstelpunt?

Mijn antwoord

Ja, je doet het goed.

Een 12V zener zou ook werken, maar dat zou ervoor zorgen dat de opamp zou schakelen tussen 12V en 12.2V, het feedaback-systeem laat de opamp schakelen tussen 11V en 14.V, dat is het belangrijkste voordeel van het gebruik van een feedback hysteresisweerstand.

Evenzo in mijn geval, als de feedbackweerstand zou worden verwijderd, zou de opamp vaak gaan oscilleren tussen het 14,4 V-uitschakelniveau en het 14,2 V-omkeerniveau. omdat volgens de instelling van de 10K-preset de opamp zou afsnijden bij 14,4V en zodra de accuspanning met een paar milli-volt daalde, zou de opamp weer UIT gaan, en dit zou continu doorgaan en een constante AAN / UIT veroorzaken schakelen van het relais.

De bovenstaande situatie zou echter prima zijn als er geen relais werd gebruikt, maar een transistor.

Vraag

Normaal zie ik in comparators een vaste spanning zoals je hebt @ pin 2, meestal via een spanningsdeler of zener enz., Dan op pin 3 een variabele spanning van source - pot - ground config met wiper (pot) in het midden en de wisser zal het instelpunt van pin 2 vinden.

In jouw geval 4.7 vaste zenerspanning en zwaai de opamp ongeveer naar zijn rails, volgens zijn configuratie, waar het verwarrend is dat de 10K-wisser in je circuit is ingesteld op 14,4 volt? Dan zou dat de 4.7 zener moeten trippen? Ik krijg de match niet?

Hoe u de drempel-uitschakelpunten instelt

Mijn antwoord

we hebben eerst de bovendrempel door de pot afgesneden door 14,4V te leveren vanuit een variabele voeding met losgekoppelde feedbackweerstand.

Zodra het bovenstaande is ingesteld, verbinden we een correct geselecteerde hystereseweerstand in de sleuf en beginnen we de spanning te verlagen totdat we vinden dat de opamp wordt uitgeschakeld op de gewenste lagere, zeg 11V.

dit zet het circuit perfect op.

NU, voordat we dit praktisch bevestigen, zorgen we ervoor dat de batterij eerst wordt aangesloten en vervolgens de stroom wordt ingeschakeld.

dit is belangrijk zodat de voeding naar beneden kan worden gesleept door het batterijniveau en begint met een niveau dat exact gelijk is aan het ontlaadniveau van de batterij.

dat is alles, hierna is het allemaal soepel zeilen met de opamp volgens het afgekapte patroon zoals ingesteld door de gebruiker.

een ander belangrijk punt is dat de stroomtoevoer ongeveer 1 / 10de van de AH van de batterij moet zijn, zodat de stroomtoevoer in eerste instantie gemakkelijk naar beneden kan worden getrokken door het batterijniveau.

Vraag

Ja, ik dacht erover na en zonder de hysterese zou het niet werken. Als ik een 7 zener op pin 2 plaats, Vin @ pin 3 via een 5k spanningsdeler instelt op 7 volt, en een lege batterij op het circuit, zodra de batterij is opgeladen tot 14 volt, valt het relais erin en trek de lading in, maar de lading zou de 7 bij de pot onmiddellijk naar beneden laten vallen, dus het relais zou uitvallen. Zonder de hysterese kan ik nu zien waarom ik niet zou werken, bedankt

Mijn antwoord

Zelfs zonder belasting zal de batterij zich nooit aan de 14,4V-limiet vastklampen en onmiddellijk proberen te settelen tot ongeveer 12,9V of 13V.

Als de opamp o / p naar (+) zwaait, wordt hij zo goed als de voedingsrail, wat inhoudt dat de terugkoppelweerstand wordt gekoppeld met de voedingsrail, wat verder betekent dat pin # 3 wordt blootgesteld aan een aparte parallelspanning naast de stelt de weerstand van het bovendeel in die is verbonden met de voedingsrail.

Deze toegevoegde spanning van de feedback zorgt ervoor dat pin # 3 stijgt van 4.7V naar 5V ... dit verandert de berekening voor pin3 / 2 en dwingt de opamp vergrendeld te blijven totdat de 5V onder 4.7v is gedaald, wat alleen gebeurt wanneer de accuspanning ver is gedaald tot 11V ... zonder dit zou de opamp continu hebben geschakeld tussen 14,4V en 14,2V

Wat is volledige laadspanning en hysterese

De volgende bespreking vertelt ons over de volledige laadspanning voor loodzuuraccu's en de betekenis van hysterese in acculaadsystemen. De vragen werden gesteld door de heer Girish

De parameters voor het opladen van batterijen bespreken
Ik heb een paar vragen waardoor ik me op het hoofd krab:
1) Wat is de volledige accuspanning voor een standaard loodzuuraccu, bij welke spanning moet de accu worden losgekoppeld van de oplader. Wat moet de float-laadspanning zijn voor een loodzuuraccu.
2) Is hystereseweerstand cruciaal in het vergelijkingscircuit? zonder het zal het goed werken? Ik heb gegoogeld en veel verwarrende antwoorden gevonden. Ik hoop dat je kunt antwoorden. Projecten zijn onderweg.
Vriendelijke groeten.

Uitschakeling bij volledige lading en hysterese
Hallo Girish,
1) Voor een 12V-loodzuuraccu is de volledige lading van de voeding 14,3V (uitschakellimiet), float-lading kan de laagste hoeveelheid stroom zijn bij deze spanning, wat voorkomt dat de accu zichzelf ontlaadt en ook voorkomt dat de batterij tegen overladen.

Als vuistregel kan deze stroom rond de Ah / 70 liggen, dat is 50 tot 100 keer minder dan de AH-waarde van de batterij.
Hysterese is vereist in opamps om te voorkomen dat ze een fluctuerende output produceren (AAN / UIT) als reactie op een fluctuerende input die wordt bewaakt door de opamp.

Als bijvoorbeeld een opamp zonder hysteresefunctie is geconfigureerd om een ​​situatie van overbelasting in een batterijlaadsysteem te bewaken, zal de batterij op volledig laadniveau zodra de laadtoevoer naar de batterij wordt onderbroken, de neiging vertonen om de batterij te laten vallen. spanning en probeer te settelen naar een lagere spanningspositie.

Je kunt het vergelijken met het pompen van lucht in een buis, zolang de pompdruk er is, houdt de lucht in de buis vast, maar zodra het pompen wordt gestopt, begint de buis langzaam leeg te lopen… hetzelfde gebeurt met de batterij.

Wanneer dit gebeurt, keert de ingangsreferentie van de opamp terug, en de uitgang wordt gevraagd om het opladen weer AAN te zetten, waardoor de accuspanning weer naar de hogere uitschakeldrempel wordt geduwd, en de cyclus blijft zich herhalen ……. deze actie zorgt voor een snelle omschakeling van de opamp-uitgang bij de volledige laaddrempel. Deze toestand wordt meestal niet aanbevolen in een opamp-gestuurd comparatorsysteem en dit kan aanleiding geven tot relaisspatiëring.

Om dit te voorkomen, voegen we een hystereseweerstand toe over de uitgangspen en de meetpen van de opamp, zodat de opamp bij de uitschakellimiet zijn uitgang uitschakelt en in die positie vergrendelt, en tenzij en tot de ingang van de waarnemende toevoer echt naar een onveilige ondergrens is gezakt (waarbij de oamp-hysterese de vergrendeling niet kan vasthouden), schakelt de opamp vervolgens weer AAN.

Als u meer twijfels heeft over de volledige laadspanning voor loodzuuraccu's en de betekenis van hysterese in acculaadsystemen, aarzel dan niet om deze via opmerkingen naar buiten te brengen.