Histerese opamp - cálculos e considerações de projeto

Na maioria dos circuitos de carregadores automáticos de bateria neste blog, você deve ter visto um opamp com um recurso de histerese incluído para alguma função crucial. O artigo a seguir explica a importância e as técnicas de design para a função de histerese em circuitos opamp.

Para saber exatamente o que é uma histerese, você pode consultar este artigo que explica a histerese através de um exemplo de um relé

Princípio da Operação

A Figura 2 demonstra um projeto convencional para um comparador sem empregar a histerese. Este arranjo funciona usando um divisor de tensão (Rx e Ry) para estabelecer a tensão limite mínima.

O comparador avaliaria e comparava o sinal de entrada ou a tensão (Vln) com a tensão limite definida (Vth).

A tensão de alimentação de entrada do comparador a ser comparada é conectada à entrada inversora, como resultado, a saída terá uma polaridade invertida.

Cada vez que Vin> Vth a saída deve chegar perto da alimentação negativa (GND ou baixo lógico para o diagrama mostrado). e quando Vln

Esta solução fácil permite que você decida se um sinal genuíno, por exemplo, temperatura, está acima de um determinado limite decisivo.

Mesmo assim, usar essa técnica pode ser difícil. A interferência no sinal de alimentação de entrada pode causar alterações na entrada acima e abaixo do limite definido, disparando resultados de saída inconsistentes ou flutuantes.

Comparador sem Histerese

A Figura 3 ilustra a resposta de saída de um comparador sem histerese com um padrão de tensão de entrada flutuante.

Enquanto a tensão do sinal de entrada chega ao limite definido (pela rede divisora ​​de tensão) (Vth = 2,5 V), ela se ajusta acima e abaixo do limite mínimo em várias instâncias.

Como resultado, a saída também flutua de acordo com a entrada. Em circuitos reais, esta saída instável pode facilmente causar problemas desfavoráveis.

Como ilustração, pense no sinal de entrada como um parâmetro de temperatura e na resposta de saída como uma aplicação crucial baseada na temperatura, que passa a ser interpretada por um microcontrolador.

A resposta do sinal de saída flutuante pode não contribuir com uma informação fiel para o microcontrolador e pode produzir resultados 'confusos' para o microcontrolador nos níveis de limiar cruciais.

Além disso, imagine que a saída do comparador é necessária para operar um motor ou válvula. Essa comutação inconsistente durante os limites de limiar pode forçar a válvula ou motor a ser LIGADO / DESLIGADO muitas vezes no curso das situações de limiar cruciais.

Mas uma solução 'legal' por meio de uma alteração modesta no circuito comparador permite incluir histerese que, por sua vez, elimina completamente a saída instável durante as mudanças de limite.

A histerese tira vantagem de alguns limites distintos de tensão de limiar para se manter afastada das transições flutuantes, conforme visto no circuito discutido.

A alimentação do sinal de entrada precisa ultrapassar o limite superior (VH) para gerar uma mudança de uma saída baixa ou abaixo do limite mínimo definido (VL) para mudar para uma saída alta.

Comparador com Histerese

A Figura 4 indica histerese em um comparador. O resistor Rh bloqueia no nível de limite de histerese.

Cada vez que a saída está em um nível lógico alto (5V), Rh permanece em paralelo com Rx. Isso empurra corrente extra para Ry, elevando a tensão limite de limiar (VH) para 2,7V. O sinal de entrada provavelmente precisará ficar acima de VH = 2,7 V para solicitar que a resposta de saída se mova para um nível lógico baixo (0 V).

Enquanto a saída está em nível lógico baixo (0V), Rh é definido em paralelo com Ry. Isso reduz a corrente em Ry, reduzindo a tensão de limiar para 2,3V. O sinal de entrada deve cair abaixo de VL = 2,3 V para estabelecer a saída para um nível lógico alto (5 V).

Saída do Compartaor com Entrada Flutuante

A Figura 5 significa a saída de um comparador com histerese com uma tensão de entrada flutuante. O nível do sinal de entrada deve passar do limite superior (VH = 2.7V) para que a saída do opamp caia para baixo lógico (0V).

Além disso, o nível do sinal de entrada precisa se mover abaixo do limite inferior para que a saída opamp suba suavemente para a lógica alta (5 V).

A perturbação neste exemplo pode ser desprezível e, portanto, pode ser ignorada, graças à histerese.

Mas, dito isto, nos casos em que os níveis do sinal de entrada estavam acima da faixa calculada de histerese (2,7 V - 2,3 V) poderia resultar na geração de respostas de transição de saída flutuantes suplementares.

Para remediar isso, a configuração da faixa de histerese deve ser estendida o suficiente para dispensar a perturbação induzida em um determinado modelo de circuito específico.

A Seção 2.1 fornece uma solução para determinar os componentes para fixar os limites de acordo com as demandas de sua aplicação selecionada.

Design de comparador de histerese

As equações (1) e (2) podem ser úteis para decidir sobre os resistores desejados para criar as tensões de limiar de histerese VH e VL. Um único valor (RX) deve ser escolhido arbitrariamente.

Nesta ilustração, RX foi determinado em 100k para ajudar a reduzir o consumo de corrente. Rh foi calculado para ser 575k, de acordo com o valor padrão imediato 576k foi implementado. A confirmação para as Equações (1) e (2) é apresentada no Apêndice A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Discutindo histerese com um exemplo prático

Pegamos o exemplo de um circuito carregador de bateria IC 741 e aprendemos como o resistor de histerese de feedback permite ao usuário definir o corte de carga total e a restauração de carga baixa do relé separadamente por alguma diferença de tensão. Se a histerese não fosse introduzida, o relé ligaria rapidamente no nível de corte, causando um problema sério com o sistema.

A questão foi levantada por um dos leitores dedicados deste blog, Sr. Mike.

Por que o Zener de referência é usado

Pergunta:

1) Olá, este circuito é muito genial!

Mas eu tenho algumas perguntas sobre os opamps comparadores

Por que 4.7 zeners estão sendo usados ​​para a tensão de referência? Se não queremos que os 12 volts caiam abaixo de 11 para a descarga, por que um valor zener tão baixo?

O resistor de feedback está indo para o ponto de aterramento virtual um resistor de 100K? Em caso afirmativo, por que esse valor foi escolhido?

Obrigado por qualquer ajuda!

2) Também, eu me desculpo, eu esqueci, porque há 4.7 zeners nas bases dos transistores BC 547?

3) Também minha última pergunta de hoje para este circuito. Os LEDs de indicação vermelho / verde como eles acendem? Quero dizer, o LED vermelho é conectado por meio de seu resistor ao trilho top +, se conecta à saída do OPAMP e desce em série em direção ao LED verde.

Parece que eles estariam ligados ao mesmo tempo, já que estão em série, em ambos os circuitos.

Tem algo a ver com o circuito de feedback e aterramento virtual? Oh, eu acho que posso ver. Então, quando o OPAMP está desligado, o LED vermelho superior

A corrente está passando pelo resistor de feedback (portanto, está 'ligado') para o ponto de aterramento virtual? Mas como ele é desligado, quando o OPAMP tem uma saída? Quando o OP AMP obtém uma saída, posso ver que está indo para o LED verde, mas como, nesse estado, o LED vermelho é desligado?

Obrigado novamente por qualquer ajuda!

A minha resposta

4.7 não é um valor fixo, ele pode ser alterado para outros valores também, a predefinição do pino nº 3 finalmente ajusta e calibra o limite de acordo com o valor zener selecionado.

Pergunta

Portanto, a tensão de referência se o zener está no pino 2 (vista superior opamp) correto? O resistor de feedback de 100K e o potenciômetro estão criando o valor de histerese (ou seja, a diferença entre os pinos 2 e 3 para fazer o opamp oscilar alto para sua + tensão ferroviária)?

O opamp nesta configuração está sempre tentando fazer os pinos 2 e 3 chegarem ao mesmo valor através de seu resistor de feedback, correto (zero, já que o divisor de feedback é @ 0 e o pino 3 é @ terra)?

Eu vi este controlador de carregador solar ser feito sem o feed back, apenas usando vários opamps com pinos de referência de tensão e um potenciômetro no outro.

Estou apenas tentando entender como a histerese está funcionando neste caso. Não entendo a matemática neste circuito. O feedback predefinido de 100k 10k é absolutamente necessário?

Em outros circuitos opamp, eles não usam qualquer feed back, apenas use-os no modo de configuração do comparador com tensão ref no pino invertido / não invertido, e quando um é excedido, o opamp muda para sua tensão de grade

O que o feed back está fazendo? Eu entendo a fórmula de ganho opamp, neste caso é 100k / 10k x diferença de tensão do valor de tensão POT (predefinido) e 4,7 zener?

Ou este é um tipo de gatilho Schmidt de histerese UTP LTP circuito

Eu ainda não recebo o feedback com a maioria dos comparadores opamp de 100k / 10k que eu vi apenas usar o opamp na saturação, você poderia explicar por que o feedback e ganho para isso?

Ok, estou enganado, o preset de 10K é usado para dividir a tensão do barramento de 12 volts, correto? Então, quando seu valor predefinido de acordo com o limpador POT é mais? do que o 4.7V zener, nós balançamos o opamp alto? ainda não recebo o feedback de 100k e por que é usado em um circuito comparador

Por que o resistor de feedback é usado

A minha resposta

Consulte a figura de exemplo acima para compreender como o resistor de feedback funciona em um circuito Opamp

Tenho certeza que você sabe como funcionam os divisores de tensão? Assim que o completo

limite de carga é detectado, de acordo com o ajuste do pino # 3 predefinido, a tensão no pino # 3 torna-se um pouco mais alta do que a tensão zener do pino # 2, isso força a saída opamp a balançar para o nível de alimentação de seu zero volt anterior ... o que significa que muda de digamos 0 a 14V instantaneamente.

Nesta situação, podemos assumir agora que o feedback está conectado entre 'alimentação positiva' e pino # 3 ... quando isso acontece, o resistor de feedback começa a fornecer 14 V ao pino 3, o que significa que reforça ainda mais a tensão predefinida e adiciona alguns volts extras dependendo de seu valor de resistência, tecnicamente isso significa que esse feedback fica em paralelo com o resistor predefinido, que é definido entre seu braço central e o braço positivo.

Então, suponha que durante a transição o pino 3 fosse de 4,8 V e isso mudasse a saída para o nível de alimentação e permitisse que a alimentação chegasse de volta ao pino 3 através do resistor de feedback, o que fez com que o pino 3 fosse um pouco mais alto, digamos 5 V .... devido a este pino # 3, a tensão levará mais tempo para voltar abaixo do nível do valor zener de 4,7 V porque foi aumentado para 5 V ... isso é chamado de histerese.

Ambos os LEDs nunca acenderão porque sua junção está conectada com o pino # 6 do opamp que estará em 0 V ou a voltagem de alimentação que garantirá que o LED vermelho acenda ou o verde, mas nunca juntos.

O que é histerese

Pergunta

Obrigado por responder a todas as minhas perguntas, especialmente a sobre o feedback, que parece uma configuração um pouco avançada, então é novo para mim se esta opção de circuito de ponto de ajuste de baixa tensão funcionaria bem 14 volts no não invertido e 12 volts zener no invertido pino de referência.

Uma vez que o trilho de 14 VDC caiu para 12, a saída do OP desliga. Isso ativaria a parte de baixa tensão do circuito. No seu caso, o potenciômetro de 10k está apenas 'ajustando', 'dividindo' ou trazendo o barramento de 14 volts para uma tensão mais próxima do 4,7 zener? Você ainda está controlando os 14 VCC.

Quero dizer, uma vez que vai para 11 VDC etc, você quer uma relação que vai oscilar alto o opamp. se você substituiu 4,7 por outro valor zener, o divisor de potenciômetro configuraria uma nova proporção, mas o potenciômetro ainda está 'seguindo' ou em proporção com o barramento de 14 VCC? Em vez de colocar 14 VCC em um pino OP, você o deixa cair através de um divisor, mas a proporção ainda está controlando uma pequena queda de, digamos, 14 VCC para 11 VCC através do potenciômetro de 10K, que cairá para 4,7 V?

Estou apenas tentando entender como o circuito fecha a 'propagação' de 11 VCC (onde queremos que o ponto de ajuste de baixa tensão seja) e a tensão de referência de 4,7 VCC. a maioria dos circuitos comparadores que eu vi tem apenas o ref vdc no pino 2, por exemplo 6 VDC. e uma tensão ferroviária de, digamos, 12 VCC. Em seguida, um potenciômetro configura um divisor desse trilho de 12 VCC, que cai para dizer 6 VCC através do ponto médio do divisor. Uma vez que a tensão no pino 3 se aproxima da ref 6 VDC @ pino 2, o opamp oscila de acordo com sua configuração, (invertido ou não invertido)

Talvez eu esteja bagunçando aqui - em outros circuitos que observei, a tensão da grade é considerada forte, mas, neste caso, vai cair. É que a queda (14 VCC a 11 VCC) perturba o divisor de tensão de 10K Razão?

E você está usando essa proporção para fazer referência ao 4.7 zener? então, se você tiver o potenciômetro de 10K em sua posição intermediária de 5 k, esse divisor definirá 14VDC em 7 VDC (R2 / R1 + R2) se o barramento de 14 for para 11 VDC, a posição intermediária do divisor agora é 5,5, depende de onde o limpador está, estou começando a entendê-lo?

Nós apenas ajustamos o limpador até que 4,7 esteja na proporção do divisor de tensão e a queda do trilho que queremos?

então este circuito está usando princípios de comparador opamp regulares, mas com o efeito adicional de histerese para o controle de ponto de ajuste de baixa tensão?

A minha resposta

Sim, você está acertando.

Um 12V zener também funcionaria, mas isso faria com que o opamp alternasse entre 12V e 12,2V, o sistema feedaback permite que o opamp alterne entre 11V e 14.V, que é a principal vantagem de usar um resistor de histerese de feedback.

Da mesma forma, no meu caso, se o resistor de feedback fosse removido, o opamp começaria a oscilar frequentemente entre o nível de corte de 14,4 V e o nível de reversão de 14,2 V. porque de acordo com a configuração do pré-ajuste de 10K, o opamp desligaria em 14,4V e assim que a tensão da bateria caísse alguns mili-volts, o opamp desligaria novamente, e isso continuaria continuamente causando um ON / OFF constante comutação do relé.

No entanto, a situação acima seria adequada se um relé não fosse usado em vez de um transistor.

Pergunta

Normalmente o que vejo nos comparadores é uma voltagem fixa como você tem @ pino 2, geralmente através de um divisor de voltagem ou zener etc, então no pino 3 uma voltagem variável da fonte - pot - configuração de terra com wiper (potenciômetro) no meio e o o limpador encontrará o ponto de ajuste do pino 2.

No seu caso, 4,7 fixou a tensão zener e balançou o OP aprox para seus trilhos, de acordo com sua configuração onde é confuso que o wiper de 10K em seu circuito está definido para 14,4 volts? Então isso deve desarmar o 4.7 zener? Eu não consigo a correspondência?

Como configurar os pontos de disparo de limite

A minha resposta

primeiro definimos o corte de limite superior através do potenciômetro, fornecendo 14,4 V de uma fonte de alimentação variável com o resistor de feedback desconectado.

uma vez que o acima é definido, conectamos um resistor de histerese corretamente selecionado no slot e, em seguida, começamos a reduzir a tensão até encontrar o opamp desligando no menor desejado, digamos 11V.

isso configura o circuito perfeitamente.

AGORA, antes de confirmar isso de forma prática, certificamo-nos de que primeiro a bateria está conectada e depois a energia é LIGADA.

isso é importante para que a fonte de alimentação possa ser puxada para baixo pelo nível da bateria e comece com um nível que seja exatamente igual ao nível de descarga da bateria.

isso é tudo, depois disso tudo é fácil com o opamp seguindo o padrão de corte definido pelo usuário.

outra coisa importante é que, a corrente da fonte de alimentação deve estar em torno de 1/10 do AH da bateria para que a fonte de alimentação possa ser facilmente puxada para baixo pelo nível da bateria inicialmente.

Pergunta

Sim, eu estava pensando sobre isso e sem a histerese não funcionaria. Se eu colocar um 7 zener no pino 2, definir Vin @ pino 3 através de um divisor de tensão de 5k para 7 volts, e uma bateria descarregada no circuito, assim que a bateria for carregada para 14 volts, o relé entrará e puxar a carga, mas a carga deixaria cair o 7 no pote imediatamente, então o relé cairia. Sem a histerese, posso ver agora porque não funcionaria, obrigado

A minha resposta

Mesmo sem uma carga, a bateria nunca atingirá o limite de 14,4 V e tentará instantaneamente cair para cerca de 12,9 V ou 13 V.

Quando opamp o / p oscila para (+), torna-se tão bom quanto o trilho de alimentação, o que implica que o resistor de feedback fica ligado ao trilho de alimentação, o que implica ainda que o pino # 3 está sujeito a uma tensão paralela separada, além do pré-ajusta a resistência da seção superior que está conectada ao trilho de alimentação.

Esta tensão adicional do feedback faz com que o pino # 3 suba de 4,7 V para dizer 5 V ... isso muda o cálculo para o pino 3/2 e força o amp op a permanecer travado até que 5 V caia abaixo de 4,7 V, o que acontece apenas quando a tensão da bateria caiu para 11 V .... sem isso, o opamp teria alternado continuamente entre 14,4 V e 14,2 V

O que é tensão de carga total e histerese

A discussão a seguir nos diz sobre qual é a tensão de carga total para baterias de chumbo-ácido e a significância da histerese em sistemas de carregamento de bateria. As perguntas foram feitas pelo Sr. Girish

Discutindo os parâmetros de carregamento da bateria
Tenho algumas perguntas que me fazem coçar a cabeça:
1) Qual é a tensão total da bateria para uma bateria de ácido-chumbo padrão, em que tensão a bateria precisa ser desligada do carregador. Qual deve ser a tensão de carga flutuante para uma bateria de chumbo-ácido.
2) O resistor de histerese é crucial no circuito do comparador? sem ele vai funcionar corretamente? Eu pesquisei e encontrei muitas respostas confusas. Eu espero que você possa responder. Projetos estão a caminho.
Cumprimentos.

Corte e histerese de carga total
Oi Girish,
1) Para uma bateria de chumbo-ácido de 12 V, a carga total da fonte de alimentação é de 14,3 V (limite de corte), a carga flutuante pode ser a menor quantidade de corrente nesta tensão que evita que a bateria se descarregue automaticamente e também evita o bateria de carregamento excessivo.

Como regra geral, essa corrente pode ser em torno de Ah / 70, ou seja, 50 a 100 vezes menor que a classificação AH da bateria.
A histerese é necessária em opamps para evitar que eles produzam uma saída flutuante (ON / OFF) em resposta a uma entrada flutuante que está sendo monitorada pelo opamp.

Por exemplo, se um opamp sem um recurso de histerese for configurado para monitorar uma situação de sobrecarga em um sistema de carga de bateria, então, no nível de carga total, assim que cortar o fornecimento de carga para a bateria, a bateria mostrará a tendência de cair voltagem e tente se estabelecer em alguma posição de voltagem mais baixa.

Você pode comparar isso a bombear ar dentro de um tubo, desde que a pressão de bombeamento esteja lá, o ar dentro do tubo se mantém, mas assim que o bombeamento é interrompido o tubo começa a esvaziar lentamente ... o mesmo acontece com a bateria.

Quando isso acontece, a referência de entrada opamp é revertida e sua saída é solicitada a ligar o carregamento novamente, o que mais uma vez empurra a tensão da bateria para o limite de corte mais alto, e o ciclo continua se repetindo ……. esta ação cria uma mudança rápida da saída opamp no limite de carga total. Esta condição geralmente não é recomendada em qualquer sistema comparador controlado por opamp e isso pode causar vibração do relé.

Para evitar isso, adicionamos um resistor de histerese através do pino de saída e do pino de detecção do opamp, de modo que no limite de corte o op desligue sua saída e trave nessa posição, e a menos e até a entrada de alimentação de detecção realmente caiu para um limite inferior inseguro (em que a histerese de oamp é incapaz de segurar a trava), o opamp então liga novamente.

Se você tiver mais dúvidas sobre a tensão de carga total para baterias de chumbo-ácido e o significado da histerese em sistemas de carregamento de baterias, não hesite em colocá-las nos comentários.