Гистерезис операционных усилителей - расчеты и конструктивные особенности

В большинстве схем автоматического зарядного устройства в этом блоге вы могли видеть операционный усилитель с функцией гистерезиса, включенной для некоторых важных функций. В следующей статье объясняется значение и методы проектирования функции гистерезиса в схемах операционных усилителей.

Чтобы точно узнать, что такое гистерезис, вы можете обратиться к этой статье, которая объясняет гистерезис на примере реле

Принцип действия

На рис. 2 показана стандартная конструкция компаратора без использования гистерезиса. Эта схема работает с использованием делителя напряжения (Rx и Ry) для установления минимального порогового напряжения.

Компаратор будет оценивать и сравнивать входной сигнал или напряжение (Vln) с установленным пороговым напряжением (Vth).

Входное питающее напряжение компаратора, которое необходимо сравнить, подключается к инвертирующему входу, в результате чего выход будет иметь инвертированную полярность.

Каждый раз, когда Vin> Vth, выход должен приближаться к отрицательному источнику питания (GND или низкий логический уровень для показанной схемы). и когда Vln

Это простое решение позволяет вам решить, превышает ли реальный сигнал, например, температуру, заданный пороговый предел.

Даже в этом случае использование этой техники может вызвать затруднения. Помехи входному сигналу подачи потенциально могут вызвать переключение входа выше и ниже установленного порога, вызывая противоречивые или колеблющиеся выходные результаты.

Компаратор без гистерезиса

На рисунке 3 показан выходной отклик компаратора без гистерезиса с изменяющейся структурой входного напряжения.

Когда напряжение входного сигнала достигает установленного предела (по сети делителя напряжения) (Vth = 2,5 В), оно регулируется как выше, так и ниже минимального порога в ряде случаев.

В результате выход тоже колеблется в соответствии с входом. В реальных схемах этот нестабильный выход может легко вызвать неблагоприятные проблемы.

В качестве иллюстрации представьте, что входной сигнал - это температурный параметр, а выходной отклик - это критически важное приложение, основанное на температуре, которое, случается, интерпретируется микроконтроллером.

Колеблющаяся характеристика выходного сигнала может не передавать достоверную информацию микроконтроллеру и может приводить к «запутанным» результатам для микроконтроллера на критических пороговых уровнях.

Кроме того, представьте, что выход компаратора необходим для работы двигателя или клапана. Это непоследовательное переключение во время пороговых значений может привести к многократному включению / выключению клапана или двигателя в критических пороговых ситуациях.

Но «крутое» решение посредством небольшого изменения схемы компаратора позволяет вам включить гистерезис, который, в свою очередь, полностью устраняет дрожание выходного сигнала во время переключения пороговых значений.

Гистерезис использует несколько различных пределов порогового напряжения, чтобы избежать флуктуирующих переходов, как показано в обсуждаемой схеме.

Подача входного сигнала должна превышать верхний порог (VH), чтобы сгенерировать переключение на низкий выход, или ниже нижнего установленного порогового значения (VL), чтобы переключиться на высокий выход.

Компаратор с гистерезисом

На рисунке 4 показан гистерезис компаратора. Резистор Rh фиксирует пороговый уровень гистерезиса.

Каждый раз, когда на выходе высокий логический уровень (5 В), Rh остается параллельно с Rx. Это подталкивает дополнительный ток к Ry, повышая пороговое предельное напряжение (VH) до 2,7 В. Входной сигнал, вероятно, должен будет превышать VH = 2,7 В, чтобы выходной сигнал сместился до низкого логического уровня (0 В).

Пока на выходе низкий логический уровень (0 В), Rh устанавливается параллельно Ry. Это снижает ток Ry, снижая пороговое напряжение до 2,3 В. Входной сигнал должен быть ниже VL = 2,3 В, чтобы установить на выходе высокий логический уровень (5 В).

Выход Compartaor с переменным входом

На рисунке 5 показан выход компаратора с гистерезисом при колебаниях входного напряжения. Предполагается, что уровень входного сигнала переместится за верхний предел порога (VH = 2,7 В), чтобы выход операционного усилителя упал до низкого логического уровня (0 В).

Кроме того, уровень входного сигнала должен опускаться ниже нижнего порога, чтобы выход операционного усилителя плавно поднялся до высокого логического уровня (5 В).

Возмущение в этом примере может быть незначительным и, следовательно, может быть проигнорировано благодаря гистерезису.

Но, сказав это, в случаях, когда уровни входного сигнала были выше расчетного диапазона гистерезиса (2,7–2,3 В), это могло привести к генерации дополнительных флуктуирующих переходных характеристик выходного сигнала.

Чтобы исправить это, настройку диапазона гистерезиса необходимо расширить в достаточной степени, чтобы исключить индуцированные помехи в данной конкретной модели схемы.

Раздел 2.1 предоставляет вам решение для определения компонентов для установки пороговых значений в соответствии с выбранными вами требованиями приложения.

Конструкция компаратора гистерезиса

Уравнения (1) и (2) могут помочь при выборе резисторов, которые должны создавать пороговые напряжения гистерезиса VH и VL. Требуется произвольно выбирать одно значение (RX).

На этой иллюстрации RX был определен на 100 кОм, чтобы помочь уменьшить потребление тока. Rh был вычислен равным 575k, соответственно было реализовано непосредственное стандартное значение 576k. Подтверждение для уравнений (1) и (2) представлено в Приложении A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Обсуждение гистерезиса на практическом примере

Мы возьмем в качестве примера схему зарядного устройства IC 741 и узнаем, как резистор гистерезиса обратной связи позволяет пользователю установить отсечку полного заряда и восстановление низкого заряда реле отдельно от некоторой разницы напряжений. Если бы гистерезис не был введен, реле бы быстро выключилось на уровне отключения, вызывая серьезную проблему с системой.

Вопрос был задан одним из преданных читателей этого блога мистером Майком.

Почему используется эталонный стабилитрон

Вопрос:

1) Привет, эта схема очень гениальна!

Но у меня есть вопросы по поводу операционных усилителей компаратора.

Почему 4.7 стабилитроны используются для опорного напряжения? Если мы не хотим, чтобы 12 вольт упали ниже 11 для разряда, почему такое низкое значение стабилитрона?

Подходит ли резистор обратной связи к виртуальной точке заземления резистором 100 кОм? Если да, то почему было выбрано это значение?

Спасибо за любую помощь!

2) Также прошу прощения, забыл, почему на базах транзисторов BC 547 стоят 4,7 стабилитрона?

3) Также мой последний вопрос на сегодня по этой схеме. Красный / зеленый светодиоды, как они загораются? Я имею в виду, что красный светодиод подключается через свой резистор к верхней шине +, подключается к выходу OPAMP, а затем идет вниз последовательно к зеленому светодиоду.

Казалось бы, они оба будут включены одновременно, поскольку они включены последовательно в обеих цепях.

Это как-то связано с цепью обратной связи и виртуальной землей? О, я думаю, что смогу увидеть. Итак, когда OPAMP выключен, верхний красный светодиод

Ток проходит через резистор обратной связи (таким образом, он включен) к виртуальной точке заземления? Но как его выключить, когда у OPAMP есть выход? Когда OP AMP получает выходной сигнал, я вижу, что он опускается до зеленого светодиода, но как в этом состоянии красный светодиод затем выключается?

Еще раз спасибо за любую помощь!

Мой ответ

4.7 не является фиксированным значением, его также можно изменить на другие значения, предустановка контакта №3 в конечном итоге регулирует и калибрует порог в соответствии со значением селектора стабилитрона.

Вопрос

Таким образом, опорное напряжение стабилитроны находится на выводе 2 (вид сверху операционные усилители) правильно? Резистор обратной связи 100 кОм и потенциометр создают значение гистерезиса (Имеется в виду, разница между контактами 2 и 3, чтобы операционный усилитель размахивался до напряжения + шины)?

Операционный усилитель в этой конфигурации всегда пытается заставить контакты 2 и 3 прийти к одинаковому значению через свой резистор обратной связи, правильно (ноль, поскольку делитель обратной связи @ 0, а контакт 3 @ земля)?

Я видел этот солнечный регулятор зарядного устройства сделано без подачи назад, просто используя несколько операционных усилителей с опорным напряжением штифтов и горшок на другой.

Я просто пытаюсь понять, как работает гистерезис в этом случае, я не понимаю математику в этой схеме. Является ли предустановленная обратная связь 100k 10k абсолютно необходимой?

В других схемах операционных усилителей они не используют обратную связь, просто используйте их в режиме конфигурации компаратора с опорным напряжением на инвертированном / неинвертированном выводе, и когда оно превышено, операционный усилитель переключается на свое напряжение на шине

Что делает обратная связь? Я понимаю формулу усиления операционного усилителя, в данном случае это 100 кОм / 10 кОм разность напряжений от значения напряжения POT (заданного) и 4,7 стабилитрона?

Или это тип триггера Шмидта гистерезисной цепи UTP LTP

Я до сих пор не получаю обратную связь с большинством компараторов операционных усилителей 100k / 10k, которые я видел, просто использовал операционный усилитель в режиме насыщения. Не могли бы вы объяснить, почему для этого используются обратная связь и усиление?

Хорошо, я не понимаю, что предустановка 10K используется для разделения напряжения на шине 12 вольт, верно? Итак, когда его предустановленное значение по данным стеклоочистителя больше? чем стабилитрон 4,7В, качаем операционный усилитель высоко? до сих пор не получил 100k обратной связи и почему он используется в схеме компаратора

Почему используется резистор обратной связи

Мой ответ

Пожалуйста, обратитесь к приведенному выше примерному рисунку, чтобы понять, как резистор обратной связи работает в цепи операционного усилителя.

Я уверен, вы знаете, как работают делители напряжения? Как только полный

пороговое значение заряда обнаруживается, в соответствии с настройкой предустановки контакта №3 напряжение на контакте №3 становится чуть выше, чем напряжение стабилитрона на контакте №2, это заставляет выход операционного усилителя колебаться до уровня питания от его предыдущего нулевого напряжения .... это означает мгновенное изменение, скажем, с 0 до 14 В.

В этой ситуации мы можем предположить, что теперь обратная связь подключена между «положительным питанием» и контактом №3 ... когда это происходит, резистор обратной связи начинает подавать эти 14 В на контакт № 3, что означает, что он дополнительно усиливает заданное напряжение и добавляет некоторое количество дополнительные вольт в зависимости от его значения сопротивления, технически это означает, что эта обратная связь становится параллельной с предварительно установленным резистором, который установлен между его центральным плечом и положительным плечом.

Итак, предположим, что во время перехода на выводе # 3 было 4,8 В, и это переключило выход на уровень питания и позволило питанию вернуться к выводу № 3 через резистор обратной связи, что привело к тому, что контакт № 3 стал немного выше, скажем, на 5 В. .... из-за этого напряжения на контакте №3 потребуется больше времени, чтобы вернуться ниже уровня стабилитрона 4,7 В, потому что оно было повышено до 5 В ... это называется гистерезисом.

Оба светодиода никогда не загорятся, потому что их переход соединен с контактом №6 операционного усилителя, который будет либо на 0 В, либо на напряжении питания, что гарантирует, что загорится красный или зеленый светодиод, но никогда вместе.

Что такое гистерезис

Вопрос

Спасибо, что ответили на все мои вопросы, особенно об обратной связи, которая кажется немного продвинутой конфигурацией, поэтому для меня это новшество, если бы эта опция схемы уставки низкого напряжения работала также, 14 вольт на неинвертированном, 12-вольтном стабилитроне на инвертном эталонный штифт.

Как только напряжение на шине 14 В постоянного тока падает до 12, включается выход операционного усилителя. Это активировало бы низковольтную часть цепи. В вашем случае потенциометр на 10 кОм просто «регулирует», «делит» или доводит 14-вольтовую шину до напряжения, близкого к 4,7-нагнетательному? Вы все еще контролируете 14 В постоянного тока.

Я имею в виду, что когда он вырастет до 11 В постоянного тока и т. Д., Вам понадобится коэффициент, который будет сильно качать операционный усилитель. если вы замените 4,7 на другое значение стабилитрона, делитель потенциометра установит новое соотношение, но потенциометр все еще «следует» или находится в соотношении с шиной 14 В постоянного тока? Вместо того, чтобы подавать 14 В постоянного тока на один вывод операционного усилителя, вы пропускаете его через делитель, но соотношение все еще контролирует небольшое падение с, скажем, 14 В постоянного тока до 11 В постоянного тока через потенциометр 10 кОм, которое упадет до 4,7 В?

Я просто пытаюсь понять, как схема закрывает «распространение» из 11VDC (где мы хотим низкое значение напряжения точки, чтобы быть) и напряжение реф 4,7 В постоянного тока. Большинство схем компаратора, которые я видел, имеют только ref vdc на выводе 2, например 6 VDC. и напряжение на шине, скажем, 12 В постоянного тока. Затем горшок устанавливает делитель с этой шины на 12 В постоянного тока, который падает до 6 В постоянного тока через среднюю точку делителя. После того, как напряжение на выводе 3 приближается к арбитру 6 В постоянном токе @ контакт 2, колебание операционных усилителей в соответствии с его конфигурацией, (инвертированный или не инвертированный)

Возможно, я ошибаюсь здесь - в других схемах, на которые я смотрел, предполагается, что напряжение на шине жесткое, но в этом случае оно упадет.Это падение (с 14 до 11 В постоянного тока) нарушает делитель напряжения 10 кОм. соотношение?

И вы используете это соотношение для ссылки на стабилитрон 4,7? поэтому, если у вас есть потенциометр 10K в среднем положении 5 кОм, этот делитель установит 14 В постоянного тока на 7 В постоянного тока (R2 / R1 + R2), если шина 14 перейдет в 11 В постоянного тока, среднее положение делителя теперь равно 5,5, поэтому он зависит от того, где находится дворник, я начинаю его получать?

Мы просто регулируем дворник, пока 4,7 не будет в соотношении с делителем напряжения и желаемым падением напряжения на шине?

Итак, эта схема использует принципы обычного компаратора операционных усилителей, но с дополнительным эффектом гистерезиса для управления уставкой низкого напряжения?

Мой ответ

Да, вы все правильно поняли.

Стабилитрон 12 В также будет работать, но это приведет к переключению операционного усилителя между 12 В и 12,2 В, система обратной связи позволяет операционному усилителю переключаться между 11 В и 14 В, что является основным преимуществом использования резистора гистерезиса обратной связи.

Точно так же в моем случае, если бы резистор обратной связи был удален, операционный усилитель начал бы часто колебаться между уровнем отсечки 14,4 В и уровнем возврата 14,2 В. потому что в соответствии с настройкой предустановки 10K операционный усилитель отключится при 14,4 В, и как только напряжение батареи упадет на несколько милливольт, операционный усилитель снова выключится, и это будет продолжаться непрерывно, вызывая постоянное включение / выключение переключение реле.

Однако вышеупомянутая ситуация была бы прекрасной, если бы не использовалось реле, а использовался транзистор.

Вопрос

Обычно то, что я вижу в компараторах, - это фиксированное напряжение, такое как у вас на контакте 2, обычно через делитель напряжения или стабилитрон и т. Д., Затем на контакте 3 переменное напряжение от конфигурации источник - потенциометр - земля с дворником (потенциометром) в середине и дворник найдет уставку штифта 2.

В вашем случае 4,7 фиксированное напряжение стабилитрона и качаем операционный усилитель примерно к его рельсам, в соответствии с его конфигурацией, где его сбивает с толку то, что дворник 10K в вашей цепи установлен на 14,4 вольт? Тогда что должно отключать стабилитрон 4,7? Я не понимаю совпадения?

Как установить пороговые значения срабатывания

Мой ответ

Сначала мы устанавливаем верхний порог отключения через потенциометр, подавая 14,4 В от источника переменного тока с отключенным резистором обратной связи.

как только вышеуказанное установлено, мы подключаем правильно выбранный резистор гистерезиса в слот, а затем начинаем снижать напряжение, пока не обнаружим, что операционный усилитель выключился при желаемом более низком значении, например, 11 В.

это идеально настраивает схему.

ТЕПЕРЬ, прежде чем подтвердить это практически, мы убеждаемся, что сначала подключен аккумулятор, а затем включено питание.

Это важно для того, чтобы источник питания мог снижаться из-за уровня заряда батареи и начинать с уровня, который точно равен уровню разряда батареи.

вот и все, после этого все идет гладко, операционный усилитель следует шаблону отключения, установленному пользователем.

Еще одна важная вещь заключается в том, что ток источника питания должен составлять примерно 1/10 от Ач батареи, чтобы источник питания мог легко разряжаться из-за уровня заряда батареи изначально.

Вопрос

Да, я подумал, и без гистерезиса ничего не получится. Если я поставлю стабилитрон 7 на вывод 2, установлю Vin @ вывод 3 через делитель напряжения 5k на 7 вольт и разряженную батарею в цепи, как только батарея зарядится до 14 вольт, реле упадет и втяните нагрузку, но нагрузка сразу упадет на 7 в горшке, и реле выпадет. Без гистерезиса теперь я понимаю, почему бы мне не работать, спасибо

Мой ответ

Даже без нагрузки батарея никогда не дойдет до предела 14,4 В и мгновенно попытается стабилизироваться до 12,9 или 13 В.

Когда операционный усилитель переключается на (+), он становится таким же хорошим, как и шина питания, что означает, что резистор обратной связи подключается к шине питания, что дополнительно подразумевает, что на контакт No 3 в дополнение к шине питания подается отдельное параллельное напряжение. задает сопротивление верхней секции, соединенной с питающей шиной.

Это добавленное напряжение от обратной связи заставляет вывод # 3 повышаться с 4,7 В до 5 В ... это меняет расчет для вывода 3/2 и заставляет операционный усилитель оставаться зафиксированным до тех пор, пока 5 В не упадет ниже 4,7 В, что происходит только когда напряжение батареи упало до 11 В ... без этого операционный усилитель постоянно переключался бы между 14,4 В и 14,2 В.

Что такое полное напряжение зарядки и гистерезис

Следующее обсуждение говорит нам о том, какое полное напряжение заряда для свинцово-кислотных аккумуляторов и какое значение имеет гистерезис в системах зарядки аккумуляторов. Вопросы задавал г-н Гириш

Обсуждение параметров зарядки аккумулятора
У меня пара вопросов, которые заставляют чесать в затылке:
1) Какое полное напряжение батареи для стандартной свинцово-кислотной батареи, при каком напряжении батарея должна отключаться от зарядного устройства. Каким должно быть напряжение холостого хода свинцово-кислотного аккумулятора.
2) Является ли гистерезисный резистор решающим в схеме компаратора? без него он будет нормально работать? Я погуглил и нашел много запутанных ответов. Надеюсь, ты сможешь ответить. Реализуются проекты.
С Уважением.

Отключение при полном заряде и гистерезис
Привет, Гириш,
1) Для свинцово-кислотной батареи 12 В полный заряд от источника питания составляет 14,3 В (предел отключения), плавающий заряд может быть наименьшим значением тока при этом напряжении, которое предотвращает саморазряд батареи, а также предотвращает аккумулятор от перезарядки.

Как показывает практика, этот ток может составлять около 70 Ач / 70, что в 50-100 раз меньше, чем номинальная емкость аккумулятора в Ач.
В операционных усилителях требуется гистерезис, чтобы они не производили флуктуирующий выходной сигнал (ВКЛ / ВЫКЛ) в ответ на флуктуирующий входной сигнал, который контролируется операционным усилителем.

Например, если операционный усилитель без функции гистерезиса настроен для отслеживания ситуации перезарядки в системе зарядки аккумулятора, то при полном уровне заряда, как только он отключит подачу зарядки к аккумулятору, аккумулятор будет демонстрировать тенденцию к падению своего заряда. напряжение и попытайтесь установить его в положение с более низким напряжением.

Вы можете сравнить это с закачиванием воздуха внутри трубки, пока давление накачки остается, воздух внутри трубки остается, но как только перекачивание прекращается, трубка начинает медленно спускаться… То же самое происходит с батареей.

Когда это происходит, входное задание операционного усилителя возвращается в исходное состояние, и его выходу предлагается снова включить зарядку, что снова подталкивает напряжение батареи к более высокому порогу отключения, и цикл повторяется ……. это действие вызывает быстрое переключение выхода операционного усилителя при пороге полной зарядки. Это условие обычно не рекомендуется в любой системе компаратора, управляемой операционным усилителем, и это может вызвать дребезг реле.

Чтобы предотвратить это, мы добавляем гистерезисный резистор между выходным контактом и измерительным контактом операционного усилителя, чтобы на пределе отсечки операционный усилитель отключал свой выход и фиксировался в этом положении, и до тех пор, пока вход датчика не будет действительно упал до опасного нижнего предела (при котором гистерезис усилителя не может удерживать защелку), операционный усилитель снова включается.

Если у вас есть еще сомнения относительно полного зарядного напряжения для свинцово-кислотных аккумуляторов и значения гистерезиса в системах зарядки аккумуляторов, не стесняйтесь выражать их в комментариях.