Opamp Hysteresis - Perhitungan dan Pertimbangan Desain

Di sebagian besar rangkaian pengisi daya baterai otomatis di blog ini Anda mungkin pernah melihat opamp dengan fitur histeresis yang disertakan untuk beberapa fungsi penting. Artikel berikut menjelaskan signifikansi dan teknik desain untuk fungsi histeresis di sirkuit opamp.

Untuk mempelajari dengan tepat apa itu histeresis, Anda dapat merujuk ke artikel ini yang mana menjelaskan histeresis melalui contoh relai

Prinsip operasi

Gambar 2 menunjukkan desain konvensional untuk pembanding tanpa menggunakan histeresis. Pengaturan ini bekerja dengan menggunakan pembagi tegangan (Rx dan Ry) untuk menetapkan tegangan ambang minimum.

Komparator akan mengevaluasi dan membandingkan sinyal input atau tegangan (Vln) ke tegangan ambang batas yang ditetapkan (Vth).

Tegangan umpan masukan komparator yang akan dibandingkan dihubungkan ke masukan pembalik, akibatnya keluaran akan menampilkan polaritas terbalik.

Setiap kali Vin> Vth output seharusnya mendekati suplai negatif (GND atau logika rendah untuk diagram yang ditunjukkan). dan saat Vln

Solusi mudah ini memungkinkan Anda untuk memutuskan apakah sinyal asli atau tidak, misalnya suhu berada di atas batas ambang yang ditentukan.

Meski begitu, menggunakan teknik ini mungkin memiliki kesulitan. Gangguan pada sinyal umpan masukan berpotensi menyebabkan masukan berubah di atas dan di bawah ambang batas yang ditetapkan, yang memicu hasil keluaran yang tidak konsisten atau berfluktuasi.

Pembanding tanpa Histeresis

Gambar 3 mengilustrasikan respon keluaran dari sebuah komparator tanpa histeresis dengan pola tegangan masukan yang berfluktuasi.

Sementara tegangan sinyal input mencapai batas yang ditetapkan (oleh jaringan pembagi tegangan) (Vth = 2.5V), ia menyesuaikan di atas serta di bawah ambang minimum sejumlah contoh.

Akibatnya output pun berfluktuasi sesuai dengan inputnya. Di sirkuit aktual, keluaran yang tidak stabil ini dapat dengan mudah menyebabkan masalah yang tidak diinginkan.

Sebagai gambaran, anggaplah sinyal masukan menjadi parameter suhu dan tanggapan keluaran menjadi aplikasi berbasis suhu yang penting, yang kebetulan diinterpretasikan oleh mikrokontroler.

Respons sinyal keluaran yang berfluktuasi mungkin tidak memberikan informasi yang benar ke mikrokontroler dan dapat menghasilkan hasil yang 'membingungkan' untuk mikrokontroler pada tingkat ambang batas yang penting.

Selain itu, bayangkan output komparator diperlukan untuk mengoperasikan motor atau katup. Peralihan yang tidak konsisten selama batas ambang dapat memaksa katup atau motor dihidupkan / dimatikan berkali-kali selama situasi ambang batas yang krusial ..

Tetapi solusi 'keren' melalui perubahan sederhana pada rangkaian komparator memungkinkan Anda untuk memasukkan histeresis yang pada gilirannya sepenuhnya menghilangkan output yang tidak stabil selama pergantian ambang batas.

Histeresis memanfaatkan beberapa batas tegangan ambang yang berbeda untuk tetap bersih dari transisi yang berfluktuasi seperti yang terlihat pada rangkaian yang dibahas.

Umpan sinyal input harus melewati ambang atas (VH) untuk menghasilkan peralihan dari output rendah atau di bawah batas ambang batas bawah (VL) untuk beralih ke output tinggi.

Pembanding dengan Histeresis

Gambar 4 menunjukkan histeresis pada komparator. Resistor Rh mengunci level ambang histeresis.

Setiap kali output berada pada logika tinggi (5V), Rh tetap sejajar dengan Rx. Ini mendorong arus ekstra ke Ry, menaikkan tegangan batas ambang (VH) ke 2.7V. Sinyal input kemungkinan harus di atas VH = 2.7V untuk meminta respons output berpindah ke logika rendah (0V).

Saat output berada pada logika rendah (0V), Rh disetel sejajar dengan Ry. Ini memotong arus ke Ry, menurunkan tegangan ambang ke 2.3V. Sinyal input harus berada di bawah VL = 2.3V untuk menetapkan output ke logika tinggi (5V).

Output Pembanding dengan Input Berfluktuasi

Gambar 5 menandakan output dari komparator dengan histeresis dengan tegangan input yang berfluktuasi. Level sinyal input seharusnya bergerak melewati batas ambang yang lebih tinggi (VH = 2.7V) agar output opamp tergelincir ke logika rendah (0V).

Juga, level sinyal input harus bergerak di bawah ambang bawah agar output opamp naik dengan lancar ke logika tinggi (5V).

Gangguan dalam contoh ini dapat diabaikan dan karena itu dapat diabaikan, berkat histeresis.

Tetapi setelah mengatakan ini, dalam kasus di mana level sinyal input berada di atas rentang histeresis yang dihitung (2.7V - 2.3V) dapat menghasilkan respons transisi output berfluktuasi tambahan.

Untuk mengatasinya, pengaturan kisaran histeresis perlu diperpanjang secukupnya untuk menghilangkan gangguan yang diinduksi dalam model sirkuit spesifik yang diberikan.

Bagian 2.1 memberi Anda solusi untuk menentukan komponen untuk memperbaiki ambang sesuai dengan permintaan aplikasi yang Anda pilih.

Desain Pembanding Histeresis

Persamaan (1) dan (2) dapat membantu untuk memutuskan resistor yang ingin membuat tegangan ambang batas histeresis VH dan VL. Nilai tunggal (RX) diperlukan untuk dipilih secara sewenang-wenang.

Dalam ilustrasi ini, RX ditentukan hingga 100k untuk membantu mengurangi tarikan arus. Rh dihitung menjadi 575k, dengan demikian nilai standar langsung 576k diterapkan. Konfirmasi Persamaan (1) dan (2) disajikan pada Lampiran A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Membahas histeresis dengan Contoh Praktis

Kami mengambil contoh rangkaian pengisi daya baterai IC 741 dan mempelajari bagaimana resistor histeresis umpan balik memungkinkan pengguna untuk mengatur pemutusan muatan penuh dan pemulihan muatan rendah pada relai terpisah oleh beberapa perbedaan tegangan. Jika histeresis tidak diperkenalkan, relai akan dengan cepat AKTIF MATI pada tingkat pemotongan yang menyebabkan masalah serius pada sistem.

Pertanyaan itu diajukan oleh salah satu pembaca blog yang berdedikasi ini, Mr. Mike.

Mengapa Referensi Zener Digunakan

Pertanyaan:

1) Hai sirkuit ini sangat jenius!

Tapi saya punya beberapa pertanyaan tentang opamps komparator

Mengapa 4,7 zener digunakan untuk tegangan referensi? Jika kita tidak ingin 12 volt turun di bawah 11 untuk pembuangan, mengapa nilai zener rendah?

Apakah resistor umpan balik yang menuju ke titik arde virtual adalah resistor 100K? Jika ya, mengapa nilai ini dipilih?

Terima kasih atas bantuannya!

2) Juga, saya minta maaf, saya lupa mengapa ada 4,7 zener di dasar transistor BC 547?

3) Juga pertanyaan terakhir saya untuk hari ini untuk sirkuit ini. LED indikasi merah / hijau bagaimana cara menyala? Maksud saya, LED merah dihubungkan melalui resistornya ke atas + rel, terhubung ke output OPAMP, lalu turun secara seri menuju LED hijau.

Tampaknya keduanya akan menyala pada saat yang sama, karena mereka seri, di kedua sirkuit.

Apakah itu ada hubungannya dengan sirkuit umpan balik dan arde virtual? Oh, saya pikir saya dapat melihat. Jadi saat OPAMP mati, LED atas berwarna merah

Arus mengalir melalui resistor umpan balik (jadi 'on') ke titik ground virtual? Tetapi bagaimana cara dimatikan, ketika OPAMP memiliki output? Ketika OP AMP mendapatkan output, saya dapat melihat itu turun ke LED hijau, tetapi bagaimana, dalam keadaan itu, apakah LED merah kemudian dimatikan?

Sekali lagi terima kasih atas bantuannya!

Balasan saya

4.7 bukan nilai tetap, ia juga dapat diubah ke nilai lain, pin # 3 preset akhirnya menyesuaikan dan mengkalibrasi ambang sesuai nilai zener yang dipilih.

Pertanyaan

Jadi tegangan referensi adalah zener berada di pin 2 (opamp tampilan atas) benar? Resistor dan pot umpan balik 100K menciptakan nilai histeresis (artinya, perbedaan antara pin 2 dan 3 untuk membuat opamp berayun tinggi ke tegangan + relnya)?

Opamp dalam konfigurasi ini selalu berusaha membuat pin 2 dan 3 tiba pada nilai yang sama melalui resistor umpan baliknya, benar (nol, karena pembagi umpan balik adalah @ 0 dan pin 3 adalah @ ground)?

Saya telah melihat pengontrol pengisi daya surya ini dilakukan tanpa umpan balik, hanya menggunakan beberapa opamp dengan pin referensi tegangan dan pot di sisi lain.

Saya hanya mencoba memahami bagaimana histeresis bekerja dalam hal ini Saya tidak memahami matematika di sirkuit ini. Apakah umpan balik preset 100k 10k mutlak diperlukan?

Di rangkaian opamp lain, mereka tidak menggunakan umpan balik apa pun hanya menggunakannya dalam mode konfigurasi komparator dengan tegangan ref pada pin invert / non invert, dan ketika ada yang terlampaui, opamp berayun ke tegangan relnya.

Apa yang dilakukan umpan balik itu? Saya memahami rumus gain opamp, dalam hal ini apakah perbedaan tegangan 100k / 10k x dari nilai tegangan POT (preset) dan 4,7 zener?

Atau apakah ini jenis pemicu Schmidt dari rangkaian Histeresis UTP LTP

Saya masih tidak mendapatkan umpan balik dengan 100k / 10k paling opamp komparator yang pernah saya lihat hanya menggunakan opamp dalam saturasi, dapatkah Anda menjelaskan mengapa umpan balik dan keuntungan untuk ini?

Ok saya melakukan kesalahan, preset 10K digunakan untuk membagi tegangan dari rel 12volt, benar? Jadi, kapan nilai presetnya menurut POT wiper lebih tinggi? daripada zener 4.7V, kita mengayunkan opamp tinggi-tinggi? masih tidak mendapatkan umpan balik 100k dan mengapa digunakan dalam rangkaian komparator

Mengapa Resistor Umpan Balik Digunakan

Balasan saya

Silakan merujuk ke gambar contoh di atas untuk memahami bagaimana resistor umpan balik bekerja dalam rangkaian Opamp

Saya yakin Anda tahu tentang cara kerja pembagi tegangan? Begitu penuh

ambang batas muatan terdeteksi, sesuai dengan penyesuaian pin # 3, tegangan pada pin # 3 menjadi lebih tinggi dari tegangan zener pin # 2, ini memaksa keluaran opamp untuk berayun ke level suplai dari volt nol sebelumnya .... artinya itu berubah dari katakan 0 menjadi 14V secara instan.

Dalam situasi ini kita dapat mengasumsikan sekarang bahwa umpan balik terhubung antara 'suplai positif' dan pin # 3 ... ketika ini terjadi resistor umpan balik mulai memasok 14V ini ke pin # 3, yang berarti itu semakin memperkuat tegangan preset dan menambahkan beberapa Volt ekstra tergantung pada nilai resistansinya, secara teknis ini berarti umpan balik ini menjadi sejajar dengan resistor preset yang diatur antara lengan tengahnya dan lengan positif.

Jadi misalkan selama transisi pin # 3 adalah 4.8V dan ini mengalihkan output ke level suplai dan memungkinkan suplai mencapai kembali ke pin # 3 melalui resistor umpan balik, yang menyebabkan pin # 3 menjadi sedikit lebih tinggi katakanlah pada 5V .... karena tegangan pin # 3 ini akan membutuhkan waktu lebih lama untuk kembali ke bawah level nilai zener 4.7V karena telah dinaikkan ke 5V ... ini disebut histeresis.

Kedua LED tidak akan pernah menyala karena persimpangan mereka terhubung dengan pin # 6 dari opamp yang akan berada pada 0V atau volt suplai yang akan memastikan bahwa LED merah menyala atau hijau, tetapi tidak pernah bersamaan.

Apa itu Histeresis

Pertanyaan

Terima kasih telah menjawab semua pertanyaan saya, terutama yang tentang umpan balik, yang tampaknya konfigurasi agak canggih jadi ini baru bagi saya apakah opsi rangkaian titik setel tegangan rendah ini berfungsi juga 14 volt pada non invert, zener 12 volt pada pembalik pin referensi.

Setelah rel 14 VDC turun menjadi 12, output opamp akan menyala. Ini akan mengaktifkan bagian tegangan rendah dari rangkaian. Dalam kasus Anda, pot 10k hanya 'menyesuaikan', 'membagi' atau membawa rel 14volt ke tegangan yang lebih dekat ke 4.7zener? Anda masih mengendalikan 14 VDC.

Maksud saya setelah mencapai 11 VDC dll, Anda menginginkan rasio yang akan mengayunkan opamp tinggi. jika Anda mengganti 4,7 dengan nilai zener lain, pembagi pot akan menyiapkan rasio baru, tetapi pot masih 'mengikuti' atau sebanding dengan rel 14 VDC? Alih-alih meletakkan 14VDC pada satu pin opamp, Anda menjatuhkannya melalui pembagi, tetapi rasionya masih mengendalikan penurunan kecil dari katakanlah 14VDC ke 11 VDC melalui pot 10K, yang akan turun menjadi 4,7V?

Saya hanya mencoba untuk memahami bagaimana rangkaian menutup 'penyebaran' dari 11VDC (di mana kami ingin titik setel tegangan rendah) dan tegangan ref 4,7 vdc. sebagian besar rangkaian komparator yang pernah saya lihat hanya memiliki ref vdc di pin 2, misalnya 6 VDC. dan tegangan rel katakanlah 12 VDC. Kemudian sebuah pot memasang pembatas dari rel 12VDC, turun menjadi 6 VDC melalui titik tengah pembatas. Setelah tegangan pada pin 3 mendekati ref 6 VDC @ pin 2, opamp berayun sesuai konfigurasinya, (invert atau non-invert)

Mungkin tempat saya mengacaukannya adalah di sini - di sirkuit lain yang telah saya lihat, tegangan rel dianggap kaku, tetapi dalam hal ini, akan turun. Penurunan itu (14VDC ke 11VDC) mengganggu pembagi tegangan 10K perbandingan?

Dan Anda menggunakan rasio itu untuk mereferensikan 4,7 zener? jadi jika Anda memiliki pot 10K pada posisi tengah 5 k, pembagi itu akan mengatur 14VDC pada 7 VDC (R2 / R1 + R2) jika rel 14 pergi ke 11 VDC, posisi tengah pembagi sekarang 5,5, jadi itu tergantung di mana wiper berada, apakah saya mulai mendapatkannya?

Kita tinggal mengatur wiper sampai 4,7 sebanding dengan pembagi tegangan dan rel drop yang kita inginkan?

jadi rangkaian ini menggunakan prinsip komparator opamp biasa, tetapi dengan tambahan pengaruh hystersis untuk kontrol set point tegangan rendah?

Balasan saya

Ya, Anda melakukannya dengan benar.

Zener 12V juga akan berfungsi, tetapi itu akan menyebabkan opamp beralih antara 12V dan 12,2V, sistem umpan balik memungkinkan opamp untuk beralih antara 11V dan 14.V, itulah keuntungan utama menggunakan resistor histeresis umpan balik.

Demikian pula dalam kasus saya, jika resistor umpan balik dilepas, opamp akan mulai sering berosilasi antara level cut-off 14.4V dan level pengembalian 14.2V. karena sesuai pengaturan preset 10K, opamp akan terputus pada 14.4V dan segera setelah tegangan baterai turun beberapa mili-volt, opamp akan kembali OFF, dan ini akan terus berlanjut menyebabkan ON / OFF konstan peralihan relai.

Namun situasi di atas akan baik-baik saja jika relay tidak digunakan melainkan transistor digunakan.

Pertanyaan

Biasanya yang saya lihat di komparator adalah tegangan tetap seperti Anda memiliki @ pin 2, biasanya melalui pembagi tegangan atau zener dll, kemudian pada pin 3 tegangan variabel dari sumber - pot - konfigurasi tanah dengan wiper (pot) di tengah dan wiper akan menemukan set point dari pin 2.

Dalam kasus Anda 4,7 tegangan zener tetap dan ayunkan opamp kira-kira ke relnya, menurut konfigurasinya di mana yang membingungkan adalah bahwa wiper 10K di sirkuit Anda disetel pada 14,4 volt? Maka itu seharusnya perjalanan 4,7 zener? Saya tidak mendapatkan yang cocok?

Cara Mengatur Titik Perjalanan Ambang

Balasan saya

kami pertama-tama mengatur ambang batas atas yang dipotong melalui pot dengan memasok 14.4V dari catu daya variabel dengan resistor umpan balik terputus.

setelah di atas diatur, kami menghubungkan resistor histeresis yang dipilih dengan benar di slot, dan kemudian mulai mengurangi tegangan sampai kami menemukan opamp dimatikan pada yang diinginkan lebih rendah katakan 11V.

ini mengatur sirkuit dengan sempurna.

SEKARANG, sebelum mengkonfirmasi ini secara praktis, kami memastikan bahwa baterai terlebih dahulu terhubung dan kemudian daya dihidupkan.

ini penting agar catu daya dapat terseret oleh level baterai dan mulai dengan level yang persis sama dengan level pengosongan baterai.

itu saja, setelah ini semuanya lancar dengan opamp mengikuti pola cut off yang ditetapkan oleh pengguna.

Hal penting lainnya adalah, arus catu daya harus sekitar 1 / 10th dari baterai AH sehingga catu daya dapat dengan mudah ditarik ke bawah oleh level baterai pada awalnya.

Pertanyaan

Ya, saya sedang memikirkannya dan tanpa histeresis itu tidak akan berhasil. Jika saya memasang 7 zener pada pin 2, atur Vin @ pin 3 melalui pembagi tegangan 5k menjadi 7 volt, dan baterai habis di sirkuit, segera setelah baterai terisi hingga 14 volt, relai akan turun dan menarik beban, tetapi beban akan menjatuhkan 7 di pot segera, sehingga relai akan putus. Tanpa histeresis, sekarang saya bisa mengerti mengapa saya tidak mau bekerja, terima kasih

Balasan saya

Bahkan tanpa beban, baterai tidak akan pernah melekat pada batas 14,4V dan akan langsung mencoba menetap di sekitar 12,9V atau 13V.

Ketika opamp output daya berayun ke (+) itu menjadi sebaik rel suplai, yang menyiratkan bahwa resistor umpan balik dihubungkan dengan rel suplai, yang selanjutnya menyiratkan bahwa pin # 3 dikenakan tegangan paralel terpisah di samping mengatur resistan bagian atas yang dihubungkan dengan rel suplai.

Tegangan tambahan dari umpan balik ini menyebabkan pin # 3 naik dari 4.7V menjadi 5V ... ini mengubah kalkulasi untuk pin3 / 2 dan memaksa opamp untuk tetap terkunci hingga 5V turun di bawah 4.7v, yang hanya terjadi ketika tegangan baterai telah turun ke 11V .... tanpa ini opamp akan terus menerus beralih antara 14.4V dan 14.2V

Apa Tegangan Pengisian Penuh dan Histeresis

Diskusi berikut memberi tahu kita tentang apa tegangan pengisian penuh untuk baterai asam timbal dan signifikansi histeresis dalam sistem pengisian baterai. Pertanyaan-pertanyaan itu diajukan oleh Mr. Girish

Membahas Parameter Pengisian Baterai
Saya punya beberapa pertanyaan yang membuat saya menggaruk kepala:
1) Berapa voltase baterai penuh untuk baterai Asam Timbal standar, berapa voltase baterai yang perlu diputus dari pengisi daya. Berapa tegangan muatan float untuk baterai asam timbal.
2) Apakah resistor histeresis sangat penting dalam rangkaian komparator? tanpanya apakah akan bekerja dengan baik? Saya telah mencari di Google dan menemukan banyak jawaban yang membingungkan. Saya harap Anda bisa menjawab. Proyek sedang dalam proses.
Salam.

Batas Pengisian Penuh dan Histeresis
Hai Girish,
1) Untuk baterai asam timbal 12V, muatan penuh dari catu daya adalah 14,3V (batas cut-off), muatan float bisa menjadi jumlah arus terendah pada tegangan ini yang mencegah baterai dari pemakaian sendiri, dan juga mencegah baterai dari pengisian berlebih.

Sebagai aturan praktis, arus ini bisa sekitar Ah / 70, yaitu 50 hingga 100 kali lebih kecil dari nilai AH baterai.
Histeresis diperlukan dalam opamp untuk mencegahnya menghasilkan output yang berfluktuasi (ON / OFF) sebagai respons terhadap input yang berfluktuasi yang sedang dipantau oleh opamp.

Misalnya jika sebuah opamp tanpa fitur histeresis dikonfigurasi untuk memantau situasi pengisian berlebih dalam sistem pengisian daya baterai, maka pada tingkat pengisian penuh segera setelah memotong pasokan pengisian ke baterai, baterai akan menunjukkan kecenderungan untuk menjatuhkannya. tegangan dan mencoba untuk menetap ke beberapa posisi tegangan yang lebih rendah.

Anda dapat membandingkannya dengan memompa udara di dalam tabung, asalkan ada tekanan pemompaan yang menahan udara di dalam tabung, tetapi segera setelah pemompaan dihentikan, tabung mulai mengempis perlahan… hal yang sama terjadi dengan baterai.

Ketika ini terjadi referensi input opamp kembali, dan outputnya diminta untuk menghidupkan pengisian lagi, yang sekali lagi mendorong tegangan baterai ke ambang batas potong yang lebih tinggi, dan siklus terus berulang ……. tindakan ini menciptakan peralihan cepat dari keluaran opamp pada ambang pengisian penuh. Kondisi ini biasanya tidak direkomendasikan dalam sistem komparator yang dikontrol opamp dan ini mungkin menimbulkan obrolan relai.

Untuk mencegah hal ini, kami menambahkan resistor histeresis di pin output dan pin penginderaan opamp, sehingga pada batas cut-off opamp mematikan output dan kaitnya pada posisi itu, dan kecuali dan sampai input umpan penginderaan telah benar-benar turun ke batas bawah yang tidak aman (di mana histeresis tiram tidak dapat menahan kait), opamp kemudian AKTIF lagi.

Jika Anda memiliki lebih banyak keraguan mengenai voltase pengisian penuh untuk baterai asam timbal dan signifikansi histeresis dalam sistem pengisian baterai, jangan ragu untuk mengutarakannya melalui komentar.