Opamp-hystereesi - laskelmat ja suunnittelunäkökohdat

Tämän blogin useimmissa automaattisissa laturipiireissä olet ehkä nähnyt opampin, jossa hystereesiominaisuus on mukana joissakin tärkeissä toiminnoissa. Seuraava artikkeli selittää hystereesitoiminnon merkityksen ja suunnittelutekniikat opamp-piireissä.

Jos haluat oppia tarkalleen, mikä on hystereesi, voit viitata tähän artikkeliin selittää hystereesin releesimerkillä

Toimintaperiaate

Kuvassa 2 on esitetty tavanomainen komparaattorirakenne ilman hystereesiä. Tämä järjestely toimii käyttämällä jännitteenjakajaa (Rx ja Ry) minimikynnysjännitteen määrittämiseksi.

Vertailija arvioi ja vertaa tulosignaalia tai jännitettä (Vln) asetettuun kynnysjännitteeseen (Vth).

Vertailukelpoinen vertailutulon syöttöjännite on kytketty käänteiseen tuloon, minkä seurauksena lähdössä tulee olemaan käänteinen napaisuus.

Joka kerta, kun Vin> V: n lähdön oletetaan olevan lähellä negatiivista syöttöä (GND tai logiikan matala esitetyllä kaavalla). ja kun Vln

Tämän helpon ratkaisun avulla voit päättää, ylittääkö aito signaali esimerkiksi lämpötilan tietyn ratkaisevan kynnysrajan.

Silti tämän tekniikan käyttäminen voi olla hankalaa. Häiriöt syöttösignaaliin saattavat aiheuttaa tulon vaihtamisen asetetun kynnysarvon ylä- ja alapuolelle aiheuttaen epäjohdonmukaiset tai vaihtelevat lähtötulokset.

Vertailija ilman hystereesiä

Kuvio 3 kuvaa ilman hystereesiä olevan vertailijan lähtövastetta vaihtelevan tulojännitekuvion kanssa.

Vaikka tulosignaalin jännite saavuttaa asetetun rajan (jännitteenjakajaverkon kautta) (Vth = 2,5 V), se säätyy useiden esiintymien ylä- ja alapuolelle.

Tämän seurauksena lähtö vaihtelee myös tulon mukaan. Todellisissa piireissä tämä epävakaa lähtö voi helposti aiheuttaa epäedullisia ongelmia.

Ajattele esimerkiksi, että tulosignaali on lämpötilaparametri ja lähtövaste on ratkaiseva lämpötilapohjainen sovellus, jonka satunnaisesti tulkitsee mikro-ohjain.

Vaihteleva lähtösignaalivaste ei välttämättä tuota uskollista tietoa mikro-ohjaimelle, ja se voi tuottaa 'hämmentäviä' tuloksia mikro-ohjaimelle kriittisillä kynnystasoilla.

Kuvittele lisäksi, että vertailulähtö tarvitaan moottorin tai venttiilin käyttämiseen. Tämä epäjohdonmukainen kytkentä kynnysrajojen aikana voi pakottaa venttiilin tai moottorin kytkemään päälle / pois monta kertaa kriittisissä kynnystilanteissa.

Mutta 'viileä' ratkaisu vertailupiirin vaatimattomalla muutoksella antaa sinulle mahdollisuuden sisällyttää hystereesi, mikä puolestaan ​​eliminoi täysin värisevän ulostulon kynnyksen vaihtojen aikana.

Hystereesi hyödyntää pari erillistä kynnysjänniterajaa pysyäkseen poissa vaihtelevista siirtymistä, kuten kuvatussa piirissä nähdään.

Tulosignaalin syötön on ylitettävä ylempi kynnysarvo (VH) matalan ulostulon vaihtamisen aikaansaamiseksi tai alemman asetetun kynnysrajan (VL) alapuolelle siirtymiseksi korkeaan lähtöön.

Vertailu hystereesiin

Kuva 4 osoittaa hystereesin vertailulaitteessa. Vastus Rh lukkiutuu hystereesikynnystasolle.

Aina kun lähtö on logiikkakorkealla (5 V), Rh pysyy rinnakkain Rx: n kanssa. Tämä työntää ylimääräistä virtaa Ry: hen nostamalla kynnysrajajännitteen (VH) arvoon 2,7 V. Tulosignaalin on todennäköisesti ylitettävä VH = 2,7 V, jotta lähdön vaste saadaan siirtymään matalaan logiikkaan (0 V).

Kun lähtö on logiikan matalalla (0 V), Rh asetetaan yhdensuuntaiseksi Ry: n kanssa. Tämä katkaisee virran Ry: hen, jolloin kynnysjännite laskee 2,3 V: iin. Tulosignaali haluaa mennä alle VL = 2,3 V asettamaan lähdön logiikkakorkealle (5 V).

Compartaor-lähtö ja vaihteleva tulo

Kuva 5 tarkoittaa vertailijan lähtöä hystereesillä vaihtelevalla tulojännitteellä. Tulosignaalin tason oletetaan siirtyvän ylemmän kynnysrajan (VH = 2,7 V) yli, jotta opamp-lähtö liukastuu alas logiikan matalaksi (0 V).

Tulosignaalin tason on myös siirryttävä alemman kynnyksen alle, jotta opamp-ulostulo nousee tasaisesti logiikkakorkealle (5 V).

Häiriö tässä esimerkissä voi olla vähäpätöinen ja siksi se voidaan jättää huomiotta hystereesin ansiosta.

Mutta kun tämä on sanottu, tapauksissa, joissa tulosignaalitasot olivat yli hystereesin lasketun alueen (2,7 V - 2,3 V), seurauksena voisi olla ylimääräisten vaihtelevien lähtösiirtovasteiden tuottaminen.

Tämän korjaamiseksi hystereesialueen asetusta on laajennettava riittävästi, jotta tietyn piirimallin aiheuttama häiriö voidaan sulkea pois.

Kohdassa 2.1 on ratkaisu komponenttien määrittämiseen kynnysarvojen vahvistamiseksi valitsemiesi sovellusvaatimusten mukaisesti.

Hystereesi-vertailijan suunnittelu

Yhtälöistä (1) ja (2) voi olla apua päätettäessä vastuksista, jotka haluavat luoda hystereesikynnysjännitteet VH ja VL. Yksi arvo (RX) vaaditaan mielivaltaisesti.

Tässä kuvassa RX määritettiin 100k: ksi auttamaan vähentämään nykyistä vetoa. Rh laskettiin olevan 575k, vastaavasti välitön vakioarvo 576k otettiin käyttöön. Vahvistus yhtälöille (1) ja (2) on esitetty liitteessä A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Hystereesistä keskusteleminen käytännön esimerkillä

Otamme esimerkin IC 741 -akkulaturipiiristä ja opimme, kuinka takaisinkytkentähystereesivastus antaa käyttäjän asettaa releen täydellisen latauksen katkaisun ja matalan varauksen palautuksen erilleen jännite-erolla. Jos hystereesiä ei oteta käyttöön, rele kytkeytyy nopeasti pois päältä katkaisutasolla aiheuttaen vakavan ongelman järjestelmään.

Yksi tämän blogin omistautuneista lukijoista herätti kysymyksen herra Mike.

Miksi Reference Zeneriä käytetään

Kysymys:

1) Hei, tämä piiri on hyvin nero!

Mutta minulla on joitain kysymyksiä vertailuvalinnoista

Miksi referenssijännitteeksi käytetään 4,7 zeneniä? Jos emme halua 12 voltin putoavan alle 11: n purkautumiselle, miksi niin pieni zener-arvo?

Onko virtuaaliseen maapisteeseen menevä takaisinkytkentävastus 100K vastus? Jos näin on, miksi tämä arvo valittiin?

Kiitos avusta!

2) Pyydän myös anteeksi, unohdin, miksi BC 547 -transistoreiden juurissa on 4,7 zeneriä?

3) Myös viimeinen kysymykseni tänään tälle piirille. Punainen / vihreä merkkivalo miten ne syttyvät? Tarkoitan, että punainen LED on kytketty vastuksensa kautta ylimpään + kiskoon, muodostaa yhteyden OPAMP: n lähtöön ja menee sitten sarjaan kohti vihreää LEDiä.

Näyttää siltä, ​​että ne olisivat molemmat päällä samanaikaisesti, koska ne ovat sarjassa, molemmissa piireissä.

Onko sillä jotain tekemistä palautepiirin ja virtuaalisen maan kanssa? Voi luulen nähdä. Joten kun OPAMP on pois päältä, ylin punainen LED

Virta kulkee takaisinkytkentävastuksen (siten sen 'päällä') läpi virtuaaliseen maapisteeseen? Mutta miten se sammuu, kun OPAMP: lla on lähtö? Kun OP AMP saa lähdön, näen sen menevän vihreään LED-valoon, mutta miten punainen LED sammuu sitten?

Kiitos vielä kerran avusta!

Oma vastaus

4.7 ei ole kiinteä arvo, se voidaan vaihtaa myös muihin arvoihin, esiasetettu nasta # 3 lopulta säätää ja kalibroi kynnyksen valitun zener-arvon mukaisesti.

Kysymys

Joten referenssijännite on, että zener on tapissa 2 (ylhäältä näkyvä opamp) oikea? 100K-takaisinkytkentävastus ja potti luovat hystereesiarvo (mikä tarkoittaa tapin 2 ja 3 välistä eroa, jotta opamp kääntyy korkealle + kiskojännitteelle)?

Tämän kokoonpanon opamp yrittää aina saada nastat 2 ja 3 saavuttamaan saman arvon takaisinkytkentävastuksensa kautta, oikea (nolla, koska takaisinkytkentäjakaja on @ 0 ja nasta 3 on maa)?

Olen nähnyt tämän aurinkolaturiohjaimen tehdyksi ilman palautetta, vain käyttämällä useita opampeita, joissa on jännitteen vertailutapit ja potti toisessa.

Yritän vain ymmärtää, miten hystereesi toimii tässä tapauksessa, en ymmärrä tämän piirin matematiikkaa. Onko 100 k 10 k: n esiasetettu palaute ehdottoman välttämätöntä?

Muissa opamp-piireissä he eivät käytä mitään palautetta, vaan käytä niitä vertailijan konfigurointitilassa, kun ref-jännite on käänteisessä / ei-invertti-nastassa, ja kun yksi ylitetään, opamp heilauttaa kiskojännitteensä

Mitä palaute tekee? Ymmärrän opamp-vahvistuskaavan, onko tässä tapauksessa 100k / 10k x POT-jännitteen (esiasetetun) arvon ja 4,7 zenerin jännite-ero?

Vai onko tämä Schmidt-laukaisutyyppinen hystereesi UTP LTP -piiri

En vieläkään saa palautetta 100k / 10k useimmilla opamp-vertailijoilla, jotka olen nähnyt vain käyttävän opampia kylläisyydessä, voisitko selittää, miksi palaute ja voitto tästä?

Ok, olen typerä, että 10K-esiasetusta käytetään jakamaan jännite 12 voltin kiskosta, eikö? Joten kun sen esiasetettu arvo POT-pyyhkimen mukaan on enemmän? kuin 4.7V zener, heilutamme opampia korkealle? silti älä saa 100 kt palautetta ja miksi sitä käytetään vertailupiirissä

Miksi palautevastusta käytetään

Oma vastaus

Yllä olevasta esimerkkikuvasta saat selville, kuinka takaisinkytkentävastus toimii Opamp-piirissä

Olen varma, että tiedät kuinka jännitteenjakajat toimivat? Heti kun täysi

latauskynnys havaitaan, kun tapin # 3 esiasetuksen mukaisessa jännitteessä tapissa # 3 tulee vain korkeampi kuin tapin # 2 zener-jännite, tämä pakottaa opamp-lähdön kääntymään syöttötasolle edellisestä nollajännitteestä .... mikä tarkoittaa, että se muuttuu heti 0 V: sta 14 V: ksi.

Tässä tilanteessa voidaan olettaa, että palaute on kytketty 'positiivisen syötön' ja nastan # 3 välille ... kun näin tapahtuu, takaisinkytkentävastus alkaa syöttää tätä 14 V: n napaan # 3, mikä tarkoittaa, että se vahvistaa edelleen ennalta asetettua jännitettä ja lisää joitain ylivolttia riippuen sen vastusarvosta, teknisesti tämä tarkoittaa, että tämä palaute tulee rinnakkain ennalta asetetun vastuksen kanssa, joka on asetettu sen keskivarren ja positiivisen varren väliin.

Joten oletetaan siirtotapin # 3 aikana 4,8 V ja tämä muutti lähdön syöttötasolle ja antoi syötteen päästä takaisin nastalle # 3 takaisinkytkentävastuksen kautta, mikä aiheutti nastan # 3 hieman korkeamman sanonnan 5 V: lla .... tämän nastan takia # 3 jännite palaa 4,7 V: n zener-arvon alapuolelle, koska se on nostettu 5 V: ksi ... tätä kutsutaan hystereesiksi.

Molemmat LED-valot eivät koskaan syty, koska niiden risteys on kytketty opampin nastaan ​​# 6, joka joko 0 V: lla tai syöttöjännitteellä varmistaa, että joko punainen LED palaa tai vihreä, mutta ei koskaan yhdessä.

Mikä on hystereesi

Kysymys

Kiitos vastauksistasi kaikkiin kysymyksiini, etenkin palautteeseen liittyvään kysymykseen, joka näyttää hieman edistyneeltä konfiguraatiolta, joten uusi minulle toimiiko tämä matalan jännitteen asetusarvopiirivaihtoehto myös 14 volttia ei-invertissä, 12 voltin zener invertissä viitetappi.

Kun 14 VDC-kisko putosi 12: een, opamp-lähtö laukeaa. Tämä aktivoi piirin matalajännitteisen osan. Sinun tapauksessasi 10 k: n potti vain 'säätää', 'jakaa' tai tuo 14 voltin kiskon jännitteeseen lähempänä 4.7-zeneriä? Hallitset edelleen 14 VDC: tä.

Tarkoitan, kun se menee 11 VDC: hen jne., Haluat suhde, joka heiluttaa opampia korkealle. jos korvattaisit 4.7: n toisella zener-arvolla, potinjakaja asettaisi uuden suhteen, mutta potti olisi edelleen 'seuraamassa' tai suhteessa kiskoon 14 VDC? Sen sijaan, että laittaisit 14 VDC: n yhteen opamp-tapiin, pudotat sen jakajan läpi, mutta suhde hallitsee silti pientä pudotusta sanotusta 14 VDC: stä 11 VDC: hen 10K-potin kautta, joka laskee 4,7 V: iin?

Yritän vain ymmärtää, kuinka piiri sulkee 11VDC: n 'levityksen' (missä haluamme matalan jännitteen asetuspisteen olevan) ja 4,7 VDC: n ref-jännitteen. Suurimmalla osalla vertailupiireistä, jotka olen nähnyt, vain ref-vdc on tapissa 2, esimerkiksi 6 VDC. ja kiskojännitteen sanotaan 12 VDC. Sitten potti muodostaa jakajan tältä 12 VDC: n kiskolta, putoaa sanomaan 6 VDC jakajan keskipisteen läpi. Kun nastan 3 jännite lähestyy viite 6 VDC @ nasta 2, opamp heiluu kokoonpanonsa mukaan (käänteinen tai ei-invertoitu)

Ehkä missä olen hämmentynyt, on täällä - muissa piireissä, joita olen tarkastellut, kiskojännitteen oletetaan olevan jäykkä, mutta tässä tapauksessa sen pudotus Se se pudotus (14 VDC - 11 VDC) häiritsee 10 K: n jännitteenjakajaa suhde?

Ja käytätkö tätä suhdetta viitataksesi 4,7 zeneriin? joten jos sinulla on 10K-potti 5 k: n keskiasennossa, jakaja asettaa 14 VDC: n arvoksi 7 VDC (R2 / R1 + R2), jos 14-kisko siirtyy 11 VDC: lle, jakajan keskiasento on nyt 5,5, joten se riippuu siitä, missä pyyhin on, aloitanko sen saavan?

Säädämme vain pyyhkijää, kunnes 4.7 on suhteessa jännitteenjakajaan ja haluamaamme kiskohäviöön?

joten tämä piiri käyttää säännöllisiä opamp-vertailuperiaatteita, mutta lisättynä hystereesin vaikutuksella matalajännitteen asetuspisteen ohjaukseen?

Oma vastaus

Kyllä, ymmärrät sen oikein.

12 V: n zener toimisi myös, mutta se saisi opampin vaihtamaan 12 V: n ja 12,2 V: n välillä. Feedback-järjestelmä antaa opampin vaihtaa 11 V: n ja 14 V: n välillä, mikä on takaisinkytkentähystereesivastuksen käytön suurin etu.

Vastaavasti minun tapauksessani, jos takaisinkytkentävastus poistettaisiin, opamp alkaisi värähtelemään usein 14,4 V: n raja-arvon ja 14,2 V: n palautustason välillä. koska 10K-esiasetuksen mukaan opamp katkaisi virran 14,4 V: lla ja heti kun akun jännite laskisi muutamalla millijännitteellä, opamp kytkeytyisi uudelleen pois päältä, ja tämä jatkuisi jatkuvasti aiheuttaen jatkuvan ON / OFF-toiminnon releen kytkentä.

Yllä oleva tilanne olisi kuitenkin hyvä, jos relettä ei käytettäisi, vaan transistoria.

Kysymys

Normaalisti se, mitä näen vertailijoissa, on kiinteä jännite, kuten sinulla on @ nasta 2, yleensä jännitteenjakajan tai zenerin jne. Kautta, sitten nastalla 3 vaihteleva jännite lähteestä - potista - maasta konfiguraatiossa pyyhkimen (potin) keskellä ja pyyhin löytää tapin 2 asetuspisteen.

Sinun tapauksessasi 4,7 kiinteää zener-jännitettä ja käännä opampia noin kiskoihinsa kokoonpanonsa mukaan, missä sen hämmentävää on, että piirisi 10K-pyyhin on asetettu 14,4 volttiin? Sitten sen pitäisi laukaista 4.7 zener? En saa ottelua ylös?

Kuinka asettaa kynnysmatkapisteet

Oma vastaus

asetimme ensin potilaan läpi katkaistun ylärajan syöttämällä 14,4 V vaihtuvasta virtalähteestä, kun takaisinkytkentävastus on irrotettu.

kun yllä oleva on asetettu, yhdistämme oikein valitun hystereesivastuksen uraan ja aloitamme sitten jännitteen pienentämisen, kunnes löydämme opampin sammuvan halutulla alemmalla sanonnalla 11 V.

tämä asettaa piirin täydellisesti.

NYT, ennen kuin vahvistamme tämän käytännössä, varmista, että akku on ensin kytketty ja sitten virta kytketty.

tämä on tärkeää, jotta virtalähde voi vetää alas akun varaustason ja alkaa tasolla, joka on täsmälleen yhtä suuri kuin akun purkautumistaso.

siinä kaikki, tämän jälkeen on kaikki sujuvaa purjehdusta opampin kanssa käyttäjän asettaman leikkauskuvion mukaisesti.

Toinen tärkeä asia on, että virtalähteen virran on oltava noin 1/10 akun AH: sta, jotta virtalähde pystyy helposti vetämään alas akun varaustason alussa.

Kysymys

Kyllä, ajattelin sitä uudelleen ja ilman hystereesiä se ei toimisi. Jos laitan 7 zenerin napaan 2, asetan Vin @ nastan 3 5 k: n jännitteenjakajan kautta 7 voltiksi ja tyhjentyneen akun piiriin heti, kun akku latautuu 14 volttiin, rele putoaa sisään ja vedä kuormaa sisään, mutta kuorma pudottaisi 7 potissa heti alas, joten rele putosi. Ilman hystereesiä näen nyt, miksi en toimisi, kiitos

Oma vastaus

Jopa ilman kuormaa akku ei koskaan tartu 14,4 V: n rajaan ja yrittää heti asettua noin 12,9 V: n tai 13 V: n tasolle.

Kun opamp o / p kääntyy (+): een, se tulee yhtä hyväksi kuin syöttökisko, mikä tarkoittaa, että takaisinkytkentävastus kytketään syöttökiskoon, mikä tarkoittaa lisäksi, että tapiin # 3 kohdistetaan erillinen rinnakkaisjännite virtapiirin lisäksi. esiasettaa yläosan vastuksen, joka on kytketty syöttökiskoon.

Tämä takaisinkytkennästä lisätty jännite saa nastan # 3 nousemaan 4,7 V: stä sanomaan 5 V ... tämä muuttaa nastan 3/2 laskentaa ja pakottaa opampin pysymään lukittuna, kunnes 5 V on pudonnut alle 4,7 V: n, mikä tapahtuu vain kun akun jännite on pudonnut 11 V: een ... ilman tätä opamp olisi pitänyt vaihtaa jatkuvasti välillä 14,4 V - 14,2 V

Mikä on täysi latausjännite ja hystereesi

Seuraava keskustelu kertoo meille, mikä on lyijyhappoakkujen täysi latausjännite ja hystereesin merkitys akun latausjärjestelmissä. Kysymyksiä esitti herra Girish

Keskustelu akun latausparametreista
Minulla on pari kysymystä, jotka saavat minut raaputtamaan päätäni:
1) Mikä on tavallisen lyijyhappoakun koko akun jännite, millä jännitteellä akun on katkaistava laturista. Mikä on lyijyhappoakun kelluva latausjännite.
2) Onko hystereesivastus ratkaiseva vertailupiirissä? ilman sitä se toimii oikein? Olen googlannut ja löytänyt monia hämmentäviä vastauksia. Toivon, että pystyt vastaamaan. Projektit ovat matkalla.
Terveiset.

Täyden latauksen katkaisu ja hystereesi
Hei Girish,
1) 12 V: n lyijyhappoakun täysi lataus virtalähteestä on 14,3 V (katkaisuraja), kelluva lataus voi olla pienin virran määrä tällä jännitteellä, joka estää akkua itsepurkautumasta ja estää myös akku ylikuormituksesta.

Nyrkkisääntönä tämä virta voi olla noin Ah / 70, joka on 50-100 kertaa pienempi kuin akun AH-luokitus.
Hystereesi vaaditaan opampeissa estämään heitä tuottamasta vaihtelevaa lähtöä (ON / OFF) vasteena vaihtelevaan tuloon, jota opamp valvoo.

Esimerkiksi jos opamp, jolla ei ole hystereesitoimintoa, on määritetty seuraamaan ylilataustilannetta akun latausjärjestelmässä, niin täydessä lataustasossa heti kun se katkaisee akun latauksen, akku näyttää taipumuksen pudottaa ja yritä asettua johonkin matalampaan jänniteasentoon.

Voit verrata sitä ilman pumppaamiseen putken sisällä, kunhan pumppauspaine on olemassa, putken sisällä oleva ilma pitää, mutta heti kun pumppaus lopetetaan, putki alkaa hitaasti tyhjentyä ... sama tapahtuu akun kanssa.

Kun näin tapahtuu, opamp-tulon ohjearvo palaa, ja sen lähtöä kehotetaan kytkemään lataus uudelleen päälle, mikä taas työntää akun jännitettä kohti korkeampaa katkaisukynnystä, ja sykli toistuu jatkuvasti ... tämä toimenpide luo opamp-lähdön nopean kytkennän täydellä latauskynnyksellä. Tätä ehtoa ei yleensä suositella missään opamp-ohjatussa vertailujärjestelmässä, ja tämä saattaa aiheuttaa releen chatteria.

Tämän estämiseksi lisäämme hystereesivastuksen ulostulotapin ja opampin tunnistintapin yli siten, että katkaisurajalla opamp sammuttaa lähdön ja lukittuu siihen asentoon, ellei ja kunnes anturinsyöttö syötetään on todella pudonnut vaaralliseen alarajaan (jolloin oamp-hystereesi ei kykene pitämään salpaa), opamp kytkeytyy sitten uudelleen päälle.

Jos sinulla on enemmän epäilyjä lyijyhappoakkujen täydestä latausjännitteestä ja hystereesin merkityksestä akun latausjärjestelmissä, älä epäröi laittaa ne pois kommenteilla.