Opamp Hysteresis - Beräkningar och designöverväganden

I de flesta automatiska batteriladdarkretsar i den här bloggen har du kanske sett en opamp med en hysteresfunktion inkluderad för en avgörande funktion. Följande artikel förklarar betydelsen och designteknikerna för hysteresfunktionen i opamp-kretsar.

För att lära dig exakt vad som är en hysteres kan du hänvisa till den här artikeln vilken förklarar hysteres genom ett exempel på ett relä

Princip för drift

Figur 2 visar en konventionell design för en komparator utan att använda hysteresen. Detta arrangemang fungerar med en spänningsdelare (Rx och Ry) för att fastställa minsta tröskelspänning.

Komparatorn skulle utvärdera och jämföra insignalen eller spänningen (Vln) med den inställda tröskelspänningen (Vth).

Komparatorns ingångsspänning som ska jämföras är ansluten till den inverterande ingången, som ett resultat kommer utgången att ha en inverterad polaritet.

Varje gång Vin> Vth ska utgången komma nära det negativa utbudet (GND eller låg logik för det visade diagrammet). och när Vln

Denna enkla lösning gör det möjligt för dig att bestämma om en äkta signal till exempel temperaturen överstiger en given avgörande gräns.

Ändå kan det vara svårt att använda denna teknik. Interferens på ingångsmatningssignalen kan potentiellt få ingången att växla över och under det inställda tröskelvärdet som utlöser ett inkonsekvent eller fluktuerande utgångsresultat.

Jämförare utan hysteres

Figur 3 illustrerar utgångssvaret för en komparator utan hysteres med ett fluktuerande ingångsspänningsmönster.

Medan insignalspänningen når den inställda gränsen (av spänningsdelningsnätverket) (Vth = 2,5V), justerar den både över och under minimitröskeln ett antal instanser.

Som ett resultat fluktuerar utgången också i enlighet med ingången. I verkliga kretsar kan denna instabila utdata lätt orsaka ogynnsamma problem.

Som en illustration, tänk på att insignalen är en temperaturparameter och att utgångssvaret är en avgörande temperaturbaserad applikation, som råkar tolkas av en mikrokontroller.

Det fluktuerande utsignalsvaret kanske inte bidrar med en trogen information till mikrokontrollern och kan ge 'förvirrande' resultat för mikrokontrollern vid de avgörande tröskelnivåerna.

Tänk dig dessutom att komparatorutgången krävs för att driva en motor eller ventil. Denna inkonsekventa omkoppling under tröskelgränserna kan tvinga ventilen eller motorn att slås PÅ / AV många gånger under de avgörande tröskelsituationerna.

Men en 'cool' lösning genom en blygsam förändring av komparatorkretsen gör att du kan inkludera hysteres, vilket i sin tur helt eliminerar den ojämna effekten under tröskelomställningen.

Hysteres utnyttjar ett par distinkta tröskelspänningsgränser för att hålla sig fritt från de fluktuerande övergångarna som ses i den diskuterade kretsen.

Ingångssignalmatningen måste gå över den övre tröskeln (VH) för att generera en övergång av en låg utgång eller under den nedre inställda tröskelgränsen (VL) för att växla över till en hög utgång.

Jämförare med hysteres

Figur 4 visar hysteres på en komparator. Motståndet Rh låser sig på hysteresgränsnivån.

Varje gång utgången är på en logisk hög (5V), förblir Rh parallellt med Rx. Detta driver extra ström in i Ry och höjer tröskelvärdet (VH) till 2,7V. Ingångssignalen kommer sannolikt att behöva gå över VH = 2,7V för att be utgångssvaret att flytta till en logisk låg (0V).

Medan utgången är på logisk låg (0V), är Rh satt parallellt med Ry. Detta minskar strömmen i Ry, vilket sänker tröskelspänningen till 2.3V. Ingångssignalen vill gå under VL = 2.3V för att reglera utgången till en logisk hög (5V).

Compartaor-utgång med fluktuerande ingång

Figur 5 anger utgången från en komparator med hysteres med en fluktuerande ingångsspänning. Ingångssignalnivån är tänkt att röra sig över den högre tröskelvärdet (VH = 2.7V) för att opamputgången ska glida ner till logisk låg (0V).

Ingångssignalnivån måste också röra sig under det lägre tröskelvärdet för att opamputgången ska klättra till logisk hög (5V).

Störningen i detta exempel kan vara försumbar och kan därför ignoreras tack vare hysteresen.

Men med detta sagt, i fall där ingångssignalnivåerna var över det hysteresberäknade intervallet (2,7V - 2,3V) kan det resultera i kompletterande fluktuerande utgångsövergångssvar.

För att åtgärda detta krävs att hysteresintervallinställningen utvidgas tillräckligt för att avfärda den inducerade störningen i den specifika kretsmodellen.

Avsnitt 2.1 ger dig en lösning för att bestämma komponenter för att fixa trösklarna i enlighet med dina valda applikationskrav.

Design of Hysteresis Comparator

Ekvationerna (1) och (2) kan vara till hjälp för att bestämma vilka motstånd som önskas skapa hystereströskelspänningarna VH och VL. Ett enda värde (RX) krävs för att väljas ut godtyckligt.

Inom denna illustration var RX bestämd till 100 000 för att minska strömförbrukningen. Rh beräknades vara 575k, följaktligen implementerades det omedelbara standardvärdet 576k. Bekräftelsen för ekvationer (1) och (2) presenteras i bilaga A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Diskutera hysteres med ett praktiskt exempel

Vi tar exemplet på en IC 741 batteriladdarkrets och lär oss hur återkopplingshysteresmotståndet gör det möjligt för användaren att ställa in reläets fullständiga avstängning och låg laddningsåterställning med någon spänningsskillnad. Om hysteresen inte infördes skulle reläet snabbt slå PÅ AV vid avstängningsnivån och orsaka ett allvarligt problem med systemet.

Frågan togs upp av en av de dedikerade läsarna av den här bloggen Mr. Mike.

Varför Reference Zener används

Fråga:

1) Hej den här kretsen är väldigt geni!

Men jag har några frågor om komparatorn

Varför används 4,7 zenrar för referensspänningen? Om vi ​​inte vill att de 12 volt ska sjunka under 11 för urladdning, varför ett så lågt zenervärde?

Går återkopplingsmotståndet till den virtuella jordpunkten ett 100K-motstånd? Om så är fallet, varför valdes detta värde?

Tack för all hjälp!

2) Jag ber också om ursäkt, jag glömde att varför finns det 4,7 zenerer vid baserna på BC 547-transistorerna?

3) Också min sista fråga för idag för denna krets. De röda / gröna indikatorlamporna hur tänds de? Jag menar att den röda lysdioden är ansluten genom dess motstånd till toppen + skenan, ansluts till utgången på OPAMP och sedan går ner i serie mot den gröna lysdioden.

Det verkar som om de skulle vara båda samtidigt, eftersom de är i serie, i båda kretsarna.

Har det något att göra med återkopplingskretsen och den virtuella marken? Åh, jag tror att jag får se. Så när OPAMP är avstängd, den övre röda lysdioden

Strömmen går igenom återkopplingsmotståndet (därmed dess 'på') till den virtuella grundpunkten? Men hur stängs den av när OPAMP har en utgång? När OP-förstärkaren får en utgång kan jag se att den går ner till den gröna lysdioden, men hur släcks den röda lysdioden i det tillståndet då?

Tack igen för all hjälp!

Mitt svar

4.7 är inte ett fast värde, det kan också ändras till andra värden, förinställning av stift nr 3 justerar och kalibrerar slutligen tröskeln enligt det valda zenervärdet.

Fråga

Så referensspänningen är zener är vid stift 2 (ovanifrån opamp) korrekt? 100K återkopplingsmotståndet och potten skapar hysteresvärde (vilket betyder skillnaden mellan stift 2 och 3 för att få opampen att svänga högt till sin + skenningsspänning)?

Opampen i denna konfiguration försöker alltid få stift 2 och 3 att nå samma värde via sitt återkopplingsmotstånd, rätt (noll, eftersom återkopplingsdelaren är @ 0 och stift 3 är @ jord)?

Jag har sett denna solcellsladdningsregulator gjort utan återkoppling, bara med flera opamps med spänningsreferensstift och en kruka på den andra.

Jag försöker bara förstå hur hysteres fungerar i det här fallet, jag förstår inte matematiken i den här kretsen. Är 100k 10k förinställd feedback absolut nödvändig?

I andra opamp-kretsar använder de inte någon återkoppling, använd dem bara i komparatorkonfigurationsläge med ref-spänning vid inverterad / icke-inverterande stift, och när en överskrids svänger opampen till sin spårspänning

Vad gör återkopplingen? Jag förstår opamp-förstärkningsformeln, i det här fallet är det 100k / 10k x spänningsskillnad mellan POT-spänningsvärde (förinställt) och 4,7 zener?

Eller är detta en Schmidt-trigger typ av hysteres UTP LTP-krets

Jag får fortfarande inte tillbaka med 100k / 10k mest opamp komparatorer jag sett bara använda opamp i mättnad, kan du förklara varför feedback och vinst för detta?

Okej, jag är galen att 10K-förinställningen används för att dela spänningen från 12-voltsskenan, eller hur? Så när dess förinställda värde enligt POT-torkaren är mer? än 4,7V zenern, svänger vi opampen högt? fortfarande inte få 100k feedback och varför den används i en jämförarkrets

Varför Feedback Resistor används

Mitt svar

Se figuren ovan för att förstå hur återkopplingsmotståndet fungerar i en Opamp-krets

Jag är säker på att du vet om hur spänningsdelare fungerar? Så snart hela

laddningströskeln detekteras, enligt inställningen av stift nr 3 förinställd blir spänningen vid stift # 3 bara högre än stift nr 2 zenerspänning, detta tvingar opamputgången att svänga till matningsnivån från dess tidigare nollspänning .... vilket innebär att den ändras från säg 0 till 14V direkt.

I denna situation kan vi anta nu att återkopplingen är kopplad mellan 'positiv matning' och stift nr 3 ... när detta händer börjar återkopplingsmotståndet att leverera denna 14V till stift # 3, vilket innebär att det förstärker den förinställda spänningen ytterligare och lägger till lite extra volt beroende på dess motståndsvärde, tekniskt betyder detta att denna återkoppling blir parallell med det förinställda motståndet som ställs in mellan dess mittarm och den positiva armen.

Anta att under övergången stift nr 3 var 4,8V och detta bytte utgången till matningsnivån och tillät matningen att nå tillbaka till stift nr 3 genom återkopplingsmotståndet, vilket orsakade stift nr 3 till lite högre säg vid 5V .... på grund av denna stift # 3 kommer det att ta längre tid att komma tillbaka till under 4,7V zener-värdenivån eftersom den har höjts till 5V ... detta kallas hysteres.

Båda lysdioderna tänds aldrig eftersom deras korsning är ansluten med stift nr 6 på opampen som antingen kommer att vara vid 0V eller matningsspänningen som ser till att antingen den röda lysdioden lyser eller den gröna, men aldrig tillsammans.

Vad är hysteres

Fråga

Tack för att du har svarat på alla mina frågor, särskilt den om återkopplingen, som verkar lite avancerad konfiguration så det är nytt för mig att detta lågspänningsbörvärde-kretsalternativ också fungerar 14 volt på den icke inverterade, 12 volt zener på invertera referensstift.

När 14 VDC-skenan sjönk till 12 slår opamp-utgången vidare. Detta skulle aktivera kretsens lågspänningsdel. I ditt fall är '10k-potten' bara 'att justera', 'dela' eller föra 14-voltsskenan till en spänning närmare 4.7zener? Du kontrollerar fortfarande 14 VDC.

Jag menar att när det går till 11 VDC etc, vill du ha ett förhållande som kommer att svänga opampen högt. om du bytte ut 4.7 med ett annat zenervärde skulle potten dela upp ett nytt förhållande, men potten är fortfarande 'följer' eller i förhållande till skenan 14 VDC? Istället för att sätta 14VDC på en opamp-stift, släpper du den genom en avdelare, men förhållandet kontrollerar fortfarande en liten droppe från säg 14VDC till 11 VDC genom 10K-potten, det kommer att sjunka till 4,7V?

Jag försöker bara förstå hur kretsen stänger 'spridningen' från 11VDC (där vi vill att börvärdet för lågspänning ska vara) och ref-spänningen på 4,7 VDC. de flesta av jämförarkretsarna som jag har sett har bara ref vdc vid stift 2, till exempel 6 VDC. och en järnvägsspänning på säg 12 VDC. Sedan sätter en kruka upp en avdelare från den skenan på 12VDC, sjunker till 6 VDC genom delningens mittpunkt. När spänningen vid stift 3 närmar sig ref 6 VDC @ stift 2, svänger opampen enligt dess konfiguration, (invertera eller icke-invertera)

Kanske där jag trasslar är här - i andra kretsar som jag har tittat på antas skenspänningen vara styv, men i det här fallet kommer den att falla. Den där nedgången (14VDC till 11VDC) stör 10K spänningsdelaren förhållande?

Och använder du det förhållandet för att referera till 4,7 zenern? så om du har 10K-potten i mittläget 5 k, skulle den avdelaren ställa in 14VDC på 7 VDC (R2 / R1 + R2) om 14-skenan gick till 11 VDC, är avdelarens mittläge nu 5,5, så det beror på var torkaren är, börjar jag få den?

Vi justerar bara torkaren tills 4.7 står i förhållande till spänningsdelaren och skenfallet vi vill ha?

så den här kretsen använder vanliga opamp-komparatorprinciper, men med den extra effekten av hystersis för lågspänningsbörvärdeskontrollen?

Mitt svar

Ja du förstår det.

En 12V zener skulle också fungera, men det skulle få opampen att växla mellan 12V och 12.2V, återkopplingssystemet tillåter opampen att växla mellan 11V och 14.V, det är den största fördelen med att använda ett återkopplingshysteresmotstånd.

På samma sätt, i mitt fall, om återkopplingsmotståndet togs bort, skulle opampen börja oscillera ofta mellan 14.4V avstängningsnivå och 14.2V återställningsnivå. för enligt inställningen av 10K förinställning skulle opampen stängas av vid 14.4V och så snart batterispänningen sjönk med några millivolt skulle opampen åter stängas av och detta fortsätter kontinuerligt och orsakar en konstant PÅ / AV växling av reläet.

Ovanstående situation skulle dock vara bra om ett relä inte användes snarare en transistor användes.

Fråga

Normalt är det jag ser i komparatorer en fast spänning som du har @ pin 2, vanligtvis genom en spänningsdelare eller zener etc, sedan vid pin 3 en variabel spänning från källan - potten - jordkonfiguration med torkare (potten) i mitten och torkaren hittar börvärdet för stift 2.

I ditt fall 4,7 fast zenerspänning och sväng opampen ungefär till rälsen, enligt dess konfiguration där dess förvirrande är att 10K-torkaren i din krets är inställd på 14,4 volt? Då ska det snubbla 4,7 zenern? Får jag inte matchen?

Så här ställer du in tröskelresan

Mitt svar

vi ställer först in den övre tröskeln som är avskuren genom potten genom att mata 14,4V från en variabel strömförsörjning med återkopplingsmotstånd frånkopplat.

när ovanstående är inställt ansluter vi ett korrekt valt hysteresmotstånd i spåret och börjar sedan minska spänningen tills vi finner att opampen stängs av vid önskat lägre säg 11V.

detta ställer in kretsen perfekt.

NU, innan vi bekräftar detta praktiskt, ser vi till att batteriet först är anslutet och sedan slås på strömmen.

detta är viktigt så att strömförsörjningen kan dra ner av batterinivån och börja med en nivå som är exakt lika med batteriets urladdningsnivå.

det är allt, efter detta är allt smidigt att segla med opamp som följer det avskurna mönstret som användaren ställer in.

en annan viktig sak är att strömförsörjningsströmmen måste vara cirka 1/10 av batteriet AH så att strömförsörjningen enkelt kan dras ner av batterinivån från början.

Fråga

Ja, jag tänkte över det och utan hysteresen skulle det inte fungera. Om jag sätter en 7 zener vid stift 2, ställer du Vin @ pin 3 genom en 5k spänningsdelare till 7 volt och ett urladdat batteri på kretsen så snart batteriet laddats till 14 volt, skulle reläet falla in och dra in lasten, men lasten skulle tappa 7 vid potten direkt, så att reläet skulle falla ut. Utan hysteresen kan jag nu se varför jag inte skulle fungera, tack

Mitt svar

Även utan belastning kommer batteriet aldrig att hålla fast vid 14,4 V-gränsen och kommer direkt att försöka sätta sig ner till cirka 12,9 V eller 13 V.

När opamp o / p svänger till (+) blir det lika bra som matningsskenan, vilket innebär att återkopplingsmotståndet kopplas till matningsskenan, det innebär vidare att stift nr 3 utsätts för en separat parallell spänning utöver förinställer övre sektionsmotstånd som är anslutet till matningsskenan.

Denna extra spänning från återkopplingen gör att stift nr 3 stiger från 4,7V till 5V ... detta ändrar beräkningen för pin3 / 2 och tvingar opampen att förbli låst tills 5V har sjunkit under 4,7v, vilket bara händer när batterispänningen har sjunkit långt ner till 11V .... utan detta skulle opampen ha växlat kontinuerligt mellan 14,4V och 14,2V

Vad är full laddningsspänning och hysteres

Följande diskussion berättar om vad som är fulladdningsspänning för blybatterier och hysteresbetydelse i batteriladdningssystem. Frågorna ställdes av herr Girish

Diskutera batteriladdningsparametrar
Jag har några frågor som får mig att klia mig i huvudet:
1) Vad är full batterispänning för ett standardblybatteri, vid vilken spänning batteriet behöver för att stänga av laddaren. Vad måste vara flottörladdningsspänningen för ett blybatteri.
2) Är hysteresmotstånd avgörande i komparatorkretsen? utan det kommer det att fungera ordentligt? Jag har googlat och hittat många förvirrande svar. Jag hoppas att du kan svara. Projekt är på väg.
Hälsningar.

Full Charge Cut-off och Hysteresis
Hej Girish,
1) För ett 12V blybatteri är full laddning från strömförsörjningen 14,3V (gränsgräns), flottörladdning kan vara den lägsta mängden ström vid denna spänning vilket förhindrar att batteriet laddar ur sig själv och förhindrar också batteriet från överladdning.

Som en tumregel kan denna ström vara runt Ah / 70, det vill säga 50 till 100 gånger mindre än batteriets AH-betyg.
Hysteres krävs i opamps för att förhindra att de producerar en fluktuerande utgång (PÅ / AV) som svar på en fluktuerande ingång som övervakas av opampen.

Till exempel om en opamp utan hysteresfunktion är konfigurerad för att övervaka en överladdningssituation i ett batteriladdningssystem, så vid full laddningsnivå så snart den bryter laddningstillförseln till batteriet, visar batteriet tendensen att tappa och försök sätta dig ner till någon lägre spänningsposition.

Du kan jämföra det med att pumpa luft inuti ett rör, så länge som pumptrycket är där, håller luften inuti röret, men så snart pumpningen stoppas börjar röret långsamt tömas ... samma händer med batteriet.

När detta händer återgår referens för opampingången och dess utgång uppmanas att slå på laddningen igen, vilket återigen skjuter batterispänningen mot det högre avstängningströskeln, och cykeln fortsätter att upprepas ……. denna åtgärd skapar en snabb växling av opamputgången vid full laddningströskel. Detta tillstånd rekommenderas vanligtvis inte i något opamp-kontrollerat komparatorsystem och detta kan ge upphov till reläprat.

För att förhindra detta lägger vi till ett hysteresmotstånd över utgångsstiftet och avkänningsstiftet på opampen, så att vid avstängningsgränsen stänger opampen av dess utgång och låses fast i det läget, såvida inte och tills avkänningsmatningsingången har verkligen sjunkit till en osäker nedre gräns (där oamphysteresen inte kan hålla spärren), slår opampen sedan PÅ igen.

Om du tvivlar på full laddningsspänning för blybatterier och hysteresbetydelse i batteriladdningssystem, tveka inte att lägga ut dem genom kommentarer.