Opamp Hysteresis - Beregninger og designhensyn

I de fleste automatiske batteriladerkretser i denne bloggen har du kanskje sett en opamp med en hysteresefunksjon inkludert for noen avgjørende funksjoner. Den følgende artikkelen forklarer betydningen og designteknikkene for hysteresefunksjonen i opamp-kretser.

For å lære nøyaktig hva som er en hysterese, kan du referere til denne artikkelen som forklarer hysterese gjennom et eksempel på et stafett

Prinsipp for drift

Figur 2 viser en konvensjonell design for en komparator uten å benytte hysteresen. Denne ordningen fungerer ved å bruke en spenningsdeler (Rx og Ry) for å etablere minimum terskelspenning.

Komparatoren vil evaluere og sammenligne inngangssignalet eller spenningen (Vln) med den innstilte terskelspenningen (Vth).

Komparatorens inngangsspenning som skal sammenlignes er koblet til den inverterende inngangen, som et resultat vil utgangen ha en invertert polaritet.

Hver gang Vin> Vth skal utgangen komme nær den negative tilførselen (GND eller logikk lav for det viste diagrammet). og når Vln

Denne enkle løsningen lar deg bestemme om et ekte signal, for eksempel temperatur, er over en gitt avgjørende terskelgrense.

Allikevel kan det være vanskelig å bruke denne teknikken. Forstyrrelser på inngangssignalet kan potensielt føre til at inngangen skifter over og under den innstilte terskelen som utløser et inkonsekvent eller svingende utgangsresultat.

Komparator uten hysterese

Figur 3 illustrerer utgangssvaret til en komparator uten hysterese med et svingende inngangsspenningsmønster.

Mens inngangssignalspenningen når den innstilte grensen (av spenningsdelernettverket) (Vth = 2,5V), justeres den over så vel som under minimumsgrensen et antall tilfeller.

Som et resultat svinger utgangen også i samsvar med inngangen. I faktiske kretser kan denne ustabile utgangen lett føre til ugunstige problemer.

Som en illustrasjon, tenk på at inngangssignalet er en temperaturparameter, og at utgangssvaret er en viktig temperaturbasert applikasjon, som tilfeldigvis tolkes av en mikrokontroller.

Den svingende responsen på utgangssignalet kan ikke bidra med en trofast informasjon til mikrokontrolleren og kan gi 'forvirrende' resultater for mikrokontrolleren på de avgjørende terskelnivåene.

I tillegg kan du forestille deg at komparatorutgangen er nødvendig for å betjene en motor eller ventil. Denne inkonsekvente koblingen under terskelgrensene kan tvinge ventilen eller motoren til å bli slått PÅ / AV mange ganger i løpet av de avgjørende terskelsituasjonene ..

Men en 'kul' løsning gjennom en beskjeden endring av komparatorkretsen gjør at du kan inkludere hysterese, som igjen eliminerer den nervøse utgangen under terskelforskyvning.

Hysterese benytter seg av et par forskjellige terskelspenningsgrenser for å holde seg fri fra de svingende overgangene som vist i den diskuterte kretsen.

Inngangssignalmatingen må gå over den øvre terskelen (VH) for å generere en overgang av en lav utgang eller under den nedre innstilte terskelgrensen (VL) for å bytte til en høy utgang.

Sammenligning med hysterese

Figur 4 indikerer hysterese på en komparator. Motstanden Rh låser seg på hystereseterskelnivået.

Hver gang utgangen er logisk høy (5V), forblir Rh parallelt med Rx. Dette skyver ekstra strøm inn i Ry, og hever terskelgrensespenningen (VH) til 2.7V. Inngangssignalet vil sannsynligvis trenge å gå over VH = 2.7V for å be utgangssvaret om å flytte til en logisk lav (0V).

Mens utgangen er på logisk lav (0V), er Rh satt parallelt med Ry. Dette reduserer strømmen til Ry, og reduserer terskelspenningen til 2.3V. Inngangssignalet vil ønske å gå under VL = 2.3V for å avgjøre utgangen til en logisk høy (5V).

Compartaor-utgang med svingende inngang

Figur 5 betyr utgangen til en komparator med hysterese med en svingende inngangsspenning. Inngangssignalnivået skal bevege seg over den høyere terskelgrensen (VH = 2.7V) for at opamp-utgangen glir ned til logisk lav (0V).

Inngangssignalnivået må også bevege seg under den nedre terskelen for at opamp-utgangen jevnt klatrer til logisk høy (5V).

Forstyrrelsen i dette eksemplet kan være ubetydelig og kan derfor ignoreres takket være hysteresen.

Men når det er sagt, i tilfeller der inngangssignalnivåene var over det hystereseberegnede området (2,7V - 2,3V) kan det resultere i å generere supplerende svingende utgangsovergangssvar.

For å avhjelpe dette kreves innstillingen for hystereseområdet å utvides tilstrekkelig for å avvise den induserte forstyrrelsen i den gitte spesifikke kretsmodellen.

Avsnitt 2.1 gir deg en løsning for å bestemme komponenter for å fikse terskelene i samsvar med dine valgte applikasjonskrav.

Design av Hysteresis Comparator

Ligningene (1) og (2) kan være til hjelp for å bestemme motstandene som ønskes å lage hystereseterskelspenningene VH og VL. En enkelt verdi (RX) kreves for å bli valgt ut vilkårlig.

Innenfor denne illustrasjonen var RX bestemt til 100k for å redusere strømforbruk. Rh ble beregnet til å være 575k, følgelig ble den umiddelbare standardverdien 576k implementert. Bekreftelsen for ligning (1) og (2) er presentert i vedlegg A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Diskuterer hysterese med et praktisk eksempel

Vi tar eksemplet på en IC 741 batteriladerkrets og lærer hvordan tilbakemeldingshysteresemotstanden gjør det mulig for brukeren å skille ut full ladningsavbrudd og lav ladningsgjenoppretting av reléet med noen spenningsforskjeller. Hvis hysteresen ikke ble introdusert, ville reléet raskt slå seg PÅ på avskjæringsnivået og forårsake et alvorlig problem med systemet.

Spørsmålet ble reist av en av de dedikerte leserne av denne bloggen Mr. Mike.

Hvorfor referanse Zener brukes

Spørsmål:

1) Hei denne kretsen er veldig geni!

Men jeg har noen spørsmål om komparatorn

Hvorfor brukes 4,7 zenere til referansespenningen? Hvis vi ikke vil at de 12 voltene skal falle under 11 for utladning, hvorfor så lav zenerverdi?

Går tilbakekoblingsmotstanden til det virtuelle grunnpunktet en 100K motstand? I så fall, hvorfor ble denne verdien valgt?

Takk for all hjelp!

2) Dessuten beklager jeg, jeg glemte å hvorfor var det 4,7 zenerer ved basene til BC 547 transistorer?

3) Også det siste spørsmålet mitt i dag for denne kretsen. De røde / grønne indikatorlampene hvordan lyser de opp? Jeg mener den røde lysdioden er koblet gjennom motstanden til toppen + skinnen, kobles til utgangen til OPAMP, og går deretter ned i serie mot den grønne LEDen.

Det ser ut til at de begge vil være på samme tid, siden de er i serie, i begge kretsene.

Har det noe å gjøre med tilbakemeldingskretsen og den virtuelle bakken? Jeg tror jeg kan se. Så når OPAMP er av, den øverste røde LED-lampen

Gjeldende går gjennom tilbakemeldingsmotstanden (dermed er den 'på') til det virtuelle grunnpunktet? Men hvordan blir den slått av når OPAMP har utgang? Når OP AMP får utgang, kan jeg se at det går ned til den grønne LED-lampen, men hvordan blir den røde LED-en i den tilstanden slått av?

Takk igjen for hjelp!

Svaret mitt

4.7 er ikke en fast verdi, den kan også endres til andre verdier, pin nr. 3 forhåndsinnstilling til slutt justerer og kalibrerer terskelen i henhold til valgt zener-verdi.

Spørsmål

Så referansespenningen er zener er på pin 2 (ovenfra opamp) riktig? 100K tilbakemelding motstand og potten skaper hystereseverdi (som betyr forskjellen mellom pin 2 og 3 for å få opampen til å svinge høyt til sin + skinnespenning)?

Opampen i denne konfigurasjonen prøver alltid å få pinne 2 og 3 til å komme til samme verdi via tilbakemeldingsmotstanden, riktig (null, siden tilbakemeldingsdeleren er @ 0 og pin 3 er @ bakken)?

Jeg har sett denne solenergiladerkontrolleren gjort uten tilbakemelding, bare ved å bruke flere opamper med spenningsreferansepinner og en pott på den andre.

Jeg prøver bare å forstå hvordan hysterese fungerer i dette tilfellet. Jeg forstår ikke matematikken i denne kretsen. Er 100k 10k forhåndsinnstilt tilbakemelding helt nødvendig?

I andre opamp-kretser bruker de ikke noen tilbakemelding, bare bruk dem i komparatorkonfigurasjonsmodus med ref-spenning ved invertert / ikke-inverterende stift, og når en overskrides, svinger opampen til skinnespenningen

Hva gjør tilbakemeldingen? Jeg forstår opamp forsterkningsformelen, i dette tilfellet er det 100k / 10k x spenningsforskjell av POT-spennings (forhåndsinnstilt) verdi og 4,7 zener?

Eller er dette en Schmidt utløser type hysterese UTP LTP-krets

Jeg får fremdeles ikke tilbakemeldingen med 100k / 10k mest opamp-komparatorer jeg har sett, bare bruk opampen i metning, kan du forklare hvorfor tilbakemeldingen og gevinsten for dette?

Ok, jeg blir dumt av at 10K forhåndsinnstillingen brukes til å dele spenningen fra 12 volt skinnen, ikke sant? Så når den forhåndsinnstilte verdien i henhold til POT-viskeren er mer? enn 4,7V zener, svinger vi opampen høyt? fremdeles ikke får tilbakemelding på 100 000 og hvorfor den brukes i en komparatorkrets

Hvorfor tilbakemeldingsmotstand brukes

Svaret mitt

Se figuren ovenfor for å forstå hvordan tilbakemeldingsmotstanden fungerer i en Opamp-krets

Jeg er sikker på at du vet om hvordan spenningsdelere fungerer? Så snart hele

ladeterskel oppdages, i henhold til justeringen av pin # 3 forhåndsinnstilt blir spenningen på pin # 3 bare høyere enn pin # 2 zenerspenning, dette tvinger opamp-utgangen til å svinge til forsyningsnivået fra sin forrige null volt .... Det betyr at den skifter fra si 0 til 14V umiddelbart.

I denne situasjonen kan vi anta nå at tilbakemeldingen er koblet mellom 'positiv forsyning' og pin # 3 ... når dette skjer, begynner tilbakemotstanden å levere denne 14V til pin # 3, noe som betyr at den ytterligere forsterker den forhåndsinnstilte spenningen og legger til litt ekstra volt avhengig av motstandsverdien, teknisk sett betyr dette at denne tilbakemeldingen blir parallell med forhåndsinnstilt motstand som er satt mellom midtarmen og den positive armen.

Så anta at under overgangsstiften # 3 var 4,8V, og dette byttet utgangen til forsyningsnivået og tillot forsyningen å nå tilbake til stift nr. 3 gjennom tilbakemeldingsmotstanden, noe som førte til at pinnen # 3 var litt høyere si ved 5V .... på grunn av denne pin # 3 vil det ta lengre tid å komme tilbake til under 4,7V zener-verdinivået fordi den er hevet til 5V ... dette kalles hysterese.

Begge lysdiodene vil aldri lyse fordi krysset deres er koblet til pinne nr. 6 på opampen, som enten vil være ved 0V eller forsyningsspenningen som sørger for at enten den røde lysdioden lyser eller den grønne, men aldri sammen.

Hva er Hysteresis

Spørsmål

Takk for at du har svart på alle spørsmålene mine, spesielt den om tilbakemeldingen, som virker litt avansert config, så det er nytt for meg at dette lavspente settpunktkretsalternativet også fungerer 14 volt på ikke-invertert, 12 volt zener på inverter referansepinne.

Når 14 VDC-skinnen falt til 12, går opamp-utgangen videre. Dette vil aktivere lavspenningsdelen av kretsen. I ditt tilfelle er 10k potten bare 'justering', 'deling' eller å bringe 14 volt skinnen til en spenning nærmere 4.7zener? Du kontrollerer fortsatt 14 VDC.

Jeg mener når den går til 11 VDC osv., Vil du ha et forhold som vil svinge opampen høyt. hvis du byttet ut 4.7 med en annen zener-verdi, ville potteskilleren sette opp et nytt forhold, men potten følger fortsatt eller i forhold til skinnen 14 VDC? I stedet for å sette 14VDC på en opamp pin, kan du slippe den gjennom en skillelinje, men forholdet styrer fremdeles en liten dråpe fra si 14VDC til 11 VDC gjennom 10K potten, som vil falle til 4.7V?

Jeg prøver bare å forstå hvordan kretsen lukker 'spredningen' fra 11VDC (der vi vil at lavspenningsinnstillingspunktet skal være) og ref-spenningen på 4,7 vdc. de fleste komparatorkretsene jeg har sett har bare ref vdc på pin 2, for eksempel 6 VDC. og en skinnespenning på si 12 VDC. Så setter en gryte opp en skillelinje fra den skinnen på 12VDC, faller til å si 6 VDC gjennom midtpunktet til skillelinjen. Når spenningen på pin 3 nærmer seg ref 6 VDC @ pin 2, svinger opampen i henhold til dens konfigurasjon, (inverter eller ikke-inverter)

Kanskje der jeg roter til, er det her - i andre kretser jeg har sett på, antas skinnespenningen å være stiv, men i dette tilfellet kommer den til å falle.Den som faller (14VDC til 11VDC) opprører 10K spenningsdeler forhold?

Og bruker du det forholdet til å referere til 4,7 zener? så hvis du har 10K-potten i midtposisjonen på 5 k, vil skillelinjen sette 14VDC på 7 VDC (R2 / R1 + R2) hvis 14-skinnen gikk til 11 VDC, er skilleterminalposisjonen nå 5,5, så det avhenger av hvor viskeren er, begynner jeg å få den?

Vi justerer bare viskeren til 4.7 er i forhold til spenningsdeleren og skinnefallet vi ønsker?

så denne kretsen bruker vanlige opamp-komparatorprinsipper, men med den ekstra effekten av hystersis for lavspenningskontrollpunktet?

Svaret mitt

Ja du får det riktig.

En 12V zener ville også fungere, men det ville føre til at opampen byttet mellom 12V og 12.2V, tilbakemeldingssystemet tillater opampen å bytte mellom 11V og 14.V, det er den viktigste fordelen med å bruke en tilbakemeldingshysteresemotstand.

På samme måte i mitt tilfelle, hvis tilbakemeldingsmotstanden ble fjernet, ville opampen begynne å svinge ofte mellom 14.4V avskjæringsnivå og 14.2V tilbakevendende nivå. fordi i henhold til innstillingen av 10K forhåndsinnstilt, ville opampen kuttes av ved 14.4V, og så snart batterispenningen falt med noen millivolt, ville opampen igjen slå seg AV, og dette vil fortsette kontinuerlig og forårsake en konstant PÅ / AV bytte av stafett.

Imidlertid ville situasjonen ovenfor være bra hvis et relé ikke ble brukt, heller en transistor.

Spørsmål

Normalt er det jeg ser i komparatorer en fast spenning som du har @ pin 2, vanligvis gjennom en spenningsdeler eller zener etc, så på pin 3 en variabel spenning fra kilde - pot - bakken config med wiper (pot) i midten og vindusviskeren finner innstillingspunktet for pinne 2.

I ditt tilfelle 4,7 fast zenerspenning og sving opampen omtrent til skinnene, ifølge konfigurasjonen der den forvirrende er at 10K-viskeren i kretsen din er satt til 14,4 volt? Da skal det snuble i 4,7 zeneren? Får jeg ikke kampen?

Hvordan sette opp terskelutløpspunktene

Svaret mitt

vi setter først den øvre terskelen som er avskåret gjennom potten ved å forsyne 14,4V fra en variabel strømforsyning med tilbakekoblingsmotstand frakoblet.

når det ovennevnte er satt, kobler vi en riktig valgt hysteresemotstand i sporet, og begynner deretter å redusere spenningen til vi finner opampen slå av ved ønsket lavere si 11V.

dette setter opp kretsen perfekt.

NÅ, før vi bekrefter dette praktisk, sørger vi for at batteriet først er koblet til og deretter slås på.

Dette er viktig slik at strømforsyningen kan bli dratt ned av batterinivået og begynne med et nivå som er nøyaktig lik batteriets utladningsnivå.

det er alt, etter dette er alt glatt seiling med opampen som følger avskåret mønster som angitt av brukeren.

En annen viktig ting er at strømforsyningsstrømmen må være rundt 1/10 av batteriet AH slik at strømforsyningen er i stand til å bli lett trukket ned av batterinivået i utgangspunktet.

Spørsmål

Ja, jeg tenkte det over og uten hysteresen ville det ikke fungere. Hvis jeg setter en 7-zener på pin 2, setter du Vin @ pin 3 gjennom en 5k spenningsdeler til å være 7 volt, og et utladet batteri på kretsen, så snart batteriet ble ladet til 14 volt, vil reléet falle inn og trekk inn lasten, men lasten vil slippe 7 ved gryten ned med en gang, så stafetten vil falle ut. Uten hysteresen, kan jeg se nå hvorfor jeg ikke ville jobbet, takk

Svaret mitt

Selv uten belastning vil batteriet aldri klamre seg til 14,4V grensen, og vil umiddelbart prøve å slå seg ned til rundt 12,9V eller 13V.

Når opamp o / p svinger til (+) blir det like bra som forsyningsskinnen, noe som innebærer at tilbakemeldingsmotstanden blir koblet til forsyningsskinnen, det innebærer videre at pinne nr. 3 utsettes for en separat parallell spenning i tillegg til forhåndsinnstiller motstand i øvre seksjon som er forbundet med tilførselsskinnen.

Denne ekstra spenningen fra tilbakemeldingen får pinnen # 3 til å stige fra 4,7V til å si 5V ... dette endrer beregningen for pin3 / 2 og tvinger opampen til å holde seg låst til 5V har falt under 4,7v, noe som bare skjer når batterispenningen har falt helt ned til 11V .... uten dette ville opampen ha vekslet kontinuerlig mellom 14,4V og 14,2V

Hva er full ladningsspenning og hysterese

Følgende diskusjon forteller oss om hva som er fulladet spenning for blybatterier og hysteresebetydning i batteriladingssystemer. Spørsmålene ble stilt av Mr. Girish

Diskuterer parametere for batterilading
Jeg har noen spørsmål som får meg til å klø på hodet:
1) Hva er full batterispenning for et standard blybatteri, ved hvilken spenning batteriet trenger for å kutte fra laderen. Hva må være flyteladningsspenningen for et blybatteri.
2) Er hysteresemotstand avgjørende i komparatorkretsen? uten det vil det fungere skikkelig? Jeg har googlet og funnet mange forvirrende svar. Jeg håper du kan svare. Prosjekter er på vei.
Hilsen.

Full Charge Cut-off og Hysteresis
Hei Girish,
1) For et 12V blybatteri er full ladning fra strømforsyningen 14,3V (grenseverdi), flyteladning kan være den laveste mengden strøm ved denne spenningen som forhindrer at batteriet lades ut selv, og forhindrer også batteriet fra overopplading.

Som en tommelfingerregel kan denne strømmen være rundt Ah / 70, det vil si 50 til 100 ganger mindre enn AH-verdien på batteriet.
Hysterese er nødvendig i opamper for å forhindre at de produserer en svingende utgang (PÅ / AV) som svar på en svingende inngang som overvåkes av opampen.

For eksempel hvis en opamp uten hysteresefunksjon er konfigurert til å overvåke en overladningssituasjon i et batteriladingssystem, vil batteriet vise fullstendig så snart det kutter ladetilførselen til batteriet, tendensen til å slippe spenning og prøv å slå seg ned til en eller annen lavere spenningsposisjon.

Du kan sammenligne det med å pumpe luft inne i et rør, så lenge pumpetrykket er der, holder luften inne i røret, men så snart pumpingen er stoppet begynner røret å tømme sakte ... det samme skjer med batteriet.

Når dette skjer, går referansen til opamp-inngangen tilbake, og utgangen blir bedt om å slå PÅ ladingen igjen, noe som igjen skyver batterispenningen mot den høyere avskårne terskelen, og syklusen fortsetter å gjenta ……. denne handlingen skaper en rask veksling av opamp-utgangen ved full ladeterskel. Denne tilstanden anbefales vanligvis ikke i noe opamp-kontrollert komparatorsystem, og dette kan føre til reléprat.

For å forhindre dette, legger vi til en hysteresemotstand over utgangsstiften og sensortappen til opampen, slik at opampen ved avskjæringsgrensen slår av utgangen og låses fast i den posisjonen, og med mindre og til sensing-feedinngangen har virkelig falt til en usikker nedre grense (hvor oamp-hysteresen ikke klarer å holde sperren), så slås opampen PÅ igjen.

Hvis du er i tvil angående fulladet spenning for blybatterier og hysteresebetydning i batteriladingssystemer, ikke nøl med å legge dem ut gjennom kommentarer.