W większości układów automatycznych ładowarek akumulatorów na tym blogu można było spotkać wzmacniacz operacyjny z funkcją histerezy dla niektórych kluczowych funkcji. Poniższy artykuł wyjaśnia znaczenie i techniki projektowania funkcji histerezy w obwodach opamp.
Aby dowiedzieć się dokładnie, czym jest histereza, możesz zapoznać się z tym artykułem, który wyjaśnia histerezę na przykładzie przekaźnika
Zasada działania
Rysunek 2 przedstawia konwencjonalną konstrukcję komparatora bez stosowania histerezy. Ten układ działa przy użyciu dzielnika napięcia (Rx i Ry) w celu ustalenia minimalnego napięcia progowego.
Komparator oceni i porówna sygnał wejściowy lub napięcie (Vln) z ustawionym napięciem progowym (Vth).
Porównywane napięcie wejściowe komparatora jest podłączone do wejścia odwracającego, w wyniku czego wyjście będzie miało odwróconą polaryzację.
Za każdym razem, gdy Vin> Vth, wyjście ma zbliżyć się do ujemnego zasilania (GND lub niski stan logiczny dla pokazanego schematu). a kiedy Vln To proste rozwiązanie pozwala zdecydować, czy rzeczywisty sygnał, na przykład temperatura, przekracza określony decydujący próg. Mimo to użycie tej techniki może mieć kłopoty. Zakłócenia na wejściowym sygnale zasilającym mogą potencjalnie spowodować przełączenia wejścia powyżej i poniżej ustawionego progu, wyzwalając niespójne lub wahające się wyniki wyjściowe. Rysunek 3 ilustruje odpowiedź wyjściową komparatora bez histerezy ze zmiennym wzorem napięcia wejściowego. Podczas gdy napięcie sygnału wejściowego osiąga ustawioną granicę (przez sieć dzielnika napięcia) (Vth = 2,5 V), dostosowuje się zarówno powyżej, jak i poniżej progu minimalnego w wielu przypadkach. W rezultacie wyjście również zmienia się zgodnie z wejściem. W rzeczywistych obwodach to niestabilne wyjście może łatwo powodować niekorzystne problemy. Na przykład, pomyśl o sygnale wejściowym jako parametrze temperatury, a odpowiedź wyjściowa jako kluczowa aplikacja oparta na temperaturze, co jest interpretowane przez mikrokontroler. Wahająca się odpowiedź sygnału wyjściowego może nie dostarczać dokładnych informacji do mikrokontrolera i może powodować „mylące” wyniki dla mikrokontrolera na kluczowych poziomach progowych. Dodatkowo wyobraź sobie, że wyjście komparatora jest potrzebne do obsługi silnika lub zaworu. To niespójne przełączanie podczas granicznych wartości progowych może wymusić wielokrotne włączanie / wyłączanie zaworu lub silnika w trakcie krytycznych sytuacji progowych. Ale „fajne” rozwiązanie poprzez niewielką zmianę w obwodzie komparatora umożliwia uwzględnienie histerezy, która z kolei całkowicie eliminuje niestabilność sygnału wyjściowego podczas przełączania progów. Histereza wykorzystuje kilka wyraźnych granic napięcia progowego, aby uniknąć fluktuujących przejść, jak widać w omawianym obwodzie. Wejście sygnału wejściowego musi przekroczyć górny próg (VH), aby wygenerować przełączenie niskiego poziomu wyjściowego lub poniżej dolnej ustawionej wartości progowej (VL), aby przełączyć się na wysoki poziom wyjściowy. Rysunek 4 przedstawia histerezę komparatora. Rezystor Rh blokuje się na poziomie progu histerezy. Za każdym razem, gdy wyjście jest na wysokim poziomie logicznym (5 V), Rh pozostaje równolegle z Rx. To popycha dodatkowy prąd do Ry, podnosząc napięcie progowe (VH) do 2,7 V. Sygnał wejściowy będzie prawdopodobnie musiał przekroczyć VH = 2,7 V, aby skłonić odpowiedź wyjściową do przejścia do niskiego poziomu logicznego (0 V). Gdy wyjście ma stan logiczny niski (0 V), Rh jest ustawiane równolegle z Ry. Zmniejsza to prąd w Ry, obniżając napięcie progowe do 2,3 V. Sygnał wejściowy będzie chciał spaść poniżej VL = 2,3 V, aby ustawić wyjście na wysoki stan logiczny (5 V). Rysunek 5 przedstawia wyjście komparatora z histerezą ze zmiennym napięciem wejściowym. Poziom sygnału wejściowego powinien przekroczyć górną granicę progową (VH = 2,7 V), aby wyjście wzmacniacza operacyjnego spadło do niskiego poziomu logicznego (0 V). Ponadto poziom sygnału wejściowego musi spaść poniżej dolnego progu, aby wyjście wzmacniacza operacyjnego płynnie wzrosło do logicznego wysokiego (5 V). Zakłócenie w tym przykładzie może być znikome i dlatego można je zignorować dzięki histerezie. Ale to powiedziawszy, w przypadkach, gdy poziomy sygnału wejściowego były powyżej obliczonego zakresu histerezy (2,7 V - 2,3 V), może to skutkować generowaniem dodatkowych fluktuujących odpowiedzi przejściowych wyjścia. Aby temu zaradzić, ustawienie zakresu histerezy musi być dostatecznie rozszerzone, aby zlikwidować indukowane zakłócenie w danym modelu obwodu. Sekcja 2.1 zawiera rozwiązanie umożliwiające określenie komponentów w celu ustalenia progów zgodnie z wybranymi wymaganiami aplikacji. Równania (1) i (2) mogą być pomocne przy wyborze rezystorów, które mają tworzyć napięcia progowe histerezy VH i VL. Do wybrania dowolnej wartości wymagana jest pojedyncza wartość (RX). Na tej ilustracji RX określono na 100k, aby pomóc zmniejszyć pobór prądu. Obliczono, że Rh wynosi 575k, odpowiednio zaimplementowano natychmiastową wartość standardową 576k. Potwierdzenie równań (1) i (2) przedstawiono w załączniku A. Rh / Rx = VL / VH - VL Bierzemy przykład obwodu ładowarki akumulatora IC 741 i dowiadujemy się, w jaki sposób rezystor histerezy sprzężenia zwrotnego umożliwia użytkownikowi ustawienie pełnego odcięcia ładowania i przywracania niskiego naładowania przekaźnika o pewną różnicę napięcia. Gdyby histereza nie została wprowadzona, przekaźnik szybko by się wyłączył na poziomie odcięcia powodując poważny problem z systemem. Pytanie zostało postawione przez jednego z oddanych czytelników tego bloga, pana Mike'a. Pytanie: 1) Cześć, ten obwód jest bardzo genialny! Ale mam kilka pytań dotyczących wzmacniaczy operacyjnych komparatorów Dlaczego jako napięcie odniesienia używa się 4.7 zenerów? Jeśli nie chcemy, aby napięcie 12 V spadło poniżej 11 w celu rozładowania, po co tak niska wartość Zenera? Czy rezystor sprzężenia zwrotnego idący do wirtualnego punktu uziemienia jest rezystorem 100K? Jeśli tak, dlaczego wybrano tę wartość? Dzięki za pomoc! 2) Poza tym, przepraszam, zapomniałem, bo dlaczego u podstaw tranzystorów BC 547 jest 4,7 zenerów? 3) Również moje ostatnie pytanie na dziś na ten tor. Jak się świecą czerwone / zielone diody sygnalizacyjne? Chodzi mi o to, że czerwona dioda LED jest podłączona przez swój rezystor do górnej szyny +, łączy się z wyjściem OPAMP, a następnie schodzi szeregowo w kierunku zielonej diody. Wydawałoby się, że oba są włączone w tym samym czasie, ponieważ są połączone szeregowo w obu obwodach. Czy ma to coś wspólnego z obwodem sprzężenia zwrotnego i wirtualną masą? Och, chyba zobaczę. Więc gdy OPAMP jest wyłączony, górna czerwona dioda LED Prąd przepływa przez rezystor sprzężenia zwrotnego (czyli jest „włączony”) do wirtualnego punktu masy? Ale jak to się wyłącza, gdy OPAMP ma wyjście? Kiedy OP AMP otrzymuje wyjście, widzę, że przechodzi do zielonej diody LED, ale jak w tym stanie czerwona dioda LED zostaje wyłączona? Jeszcze raz dziękuję za wszelką pomoc! Moja odpowiedź 4.7 nie jest wartością stałą, można ją również zmienić na inne wartości, preset pin nr 3 ostatecznie dostosowuje i kalibruje próg zgodnie z wybraną wartością zenera. Pytanie Więc napięcie odniesienia czy Zener jest na pinie 2 (wzmacniacz operacyjny z góry), prawda? Rezystor sprzężenia zwrotnego 100K i potencjometr tworzą wartość histerezy (co oznacza różnicę między pinem 2 i 3, aby opamp wychylał się wysoko do jego napięcia + szyny)? Wzmacniacz operacyjny w tej konfiguracji zawsze stara się, aby piny 2 i 3 osiągnęły tę samą wartość za pośrednictwem rezystora sprzężenia zwrotnego, prawda (zero, ponieważ dzielnik sprzężenia zwrotnego to @ 0, a pin 3 to @ masa)? Widziałem ten kontroler ładowarki słonecznej wykonany bez sprzężenia zwrotnego, po prostu używając kilku wzmacniaczy operacyjnych z pinami odniesienia napięcia i potencjometru na drugim. Próbuję tylko zrozumieć, jak działa histereza w tym przypadku, nie rozumiem matematyki w tym obwodzie. Czy sprzężenie zwrotne 100k 10k presetu jest absolutnie konieczne? W innych obwodach wzmacniacza operacyjnego nie używają żadnego sprzężenia zwrotnego, po prostu używają ich w trybie konfiguracji komparatora z napięciem odniesienia na pinie odwróconym / nieodwróconym, a po przekroczeniu jednego z nich opamp zmienia się do napięcia na szynie Co robi sprzężenie zwrotne? Rozumiem formułę wzmocnienia opamp, czy w tym przypadku jest to 100k / 10k x różnica napięcia wartości napięcia POT (wstępnie ustawiona) i 4,7 zenera? Czy jest to obwód UTP LTP typu Histereza wyzwalacza Schmidta Nadal nie otrzymuję informacji zwrotnej z większością komparatorów 100k / 10k, które widziałem po prostu używają wzmacniacza operacyjnego w nasyceniu, czy możesz wyjaśnić, dlaczego sprzężenie zwrotne i zysk w tym przypadku? Ok, jestem głupia, że ustawienie wstępne 10K służy do dzielenia napięcia z szyny 12 V, prawda? Więc kiedy jego zadana wartość według wycieraczki POT jest większa? niż 4,7 V zener, huśtamy opamp wysoko? nadal nie otrzymuję sprzężenia zwrotnego 100k i dlaczego jest używany w obwodzie komparatora Moja odpowiedź Proszę odnieść się do powyższego przykładowego rysunku, aby zrozumieć, jak działa rezystor sprzężenia zwrotnego w obwodzie Opamp Na pewno wiesz, jak działają dzielniki napięcia? Jak tylko w pełni próg ładowania jest wykrywany, zgodnie z regulacją wstępnie ustawionego styku nr 3 napięcie na styku nr 3 staje się nieco wyższe niż napięcie Zenera na pinie nr 2, co zmusza wyjście wzmacniacza operacyjnego do zmiany poziomu zasilania z poprzedniego zerowego napięcia ... co oznacza, że natychmiast zmienia się z, powiedzmy, 0 na 14 V. W tej sytuacji możemy teraz założyć, że sprzężenie zwrotne jest podłączone między `` dodatnim zasilaniem '' a pinem # 3 ... kiedy to się stanie, rezystor sprzężenia zwrotnego zaczyna dostarczać to 14V do pin # 3, co oznacza, że dodatkowo wzmacnia ustawione napięcie i dodaje trochę dodatkowe wolty w zależności od jego wartości rezystancji, technicznie oznacza to, że sprzężenie zwrotne jest równoległe z wstępnie ustawionym rezystorem, który jest ustawiony między jego środkowym ramieniem a dodatnim ramieniem. Załóżmy więc, że podczas przejścia pin # 3 miał 4,8V, co przełączyło wyjście na poziom zasilania i pozwoliło na powrót zasilania z powrotem do pinu # 3 przez rezystor sprzężenia zwrotnego, co spowodowało, że pin # 3 stał się nieco wyższy, powiedzmy przy 5V .... z powodu tego pinu # 3, powrót napięcia poniżej poziomu 4,7 V Zenera będzie trwał dłużej, ponieważ zostało podniesione do 5 V ... nazywa się to histerezą. Obie diody nigdy się nie zaświecą, ponieważ ich złącze jest połączone ze stykiem nr 6 wzmacniacza operacyjnego, który będzie miał napięcie 0 V lub napięcie zasilania, co zapewni, że świeci się czerwona dioda LED lub zielona, ale nigdy razem. Pytanie Dziękuję za odpowiedzi na wszystkie moje pytania, szczególnie te dotyczące sprzężenia zwrotnego, które wydają się nieco zaawansowaną konfiguracją, więc nowością dla mnie byłoby, aby ta opcja obwodu nastawy niskiego napięcia działała również 14 V na nieodwróconym, 12 V Zenera na falowniku pin referencyjny. Gdy szyna 14 VDC spadnie do 12, wyjście opamp włącza się. To spowodowałoby aktywację niskonapięciowej części obwodu. W twoim przypadku potencjometr 10k po prostu „reguluje”, „dzieli” lub doprowadza szynę 14 V do napięcia bliższego 4,7 zenera? Nadal kontrolujesz 14 V DC. Chodzi mi o to, że kiedy dojdzie do 11 VDC itp., Potrzebujesz współczynnika, który będzie wychylał opamp wysoko. jeśli zastąpisz 4,7 inną wartością zenera, dzielnik puli ustawiłby nowy współczynnik, ale garnek nadal `` podąża '' lub w stosunku do szyny 14 VDC? Zamiast umieszczać 14VDC na jednym pinie wzmacniacza, upuszczasz go przez dzielnik, ale stosunek nadal kontroluje mały spadek z powiedzmy 14VDC do 11 VDC przez potencjometr 10K, który spadnie do 4,7V? Próbuję tylko zrozumieć, w jaki sposób obwód zamyka `` rozpiętość '' z 11 V DC (gdzie chcemy, aby był ustawiony punkt niskiego napięcia) i napięcie odniesienia 4,7 V DC. większość obwodów komparatora, które widziałem, ma tylko ref VDC na pinie 2, na przykład 6 VDC. i napięcie szyny powiedzmy 12 VDC. Następnie garnek ustawia rozdzielacz z tej szyny 12VDC, spada do, powiedzmy, 6 VDC przez środkowy punkt rozdzielacza. Gdy napięcie na pinie 3 zbliży się do 6 VDC na pinie 2, opamp zmienia się zgodnie ze swoją konfiguracją (odwrócony lub nieodwrócony) Być może tam, gdzie psuję, jest tutaj - w innych obwodach, na które patrzyłem, zakłada się, że napięcie na szynie jest sztywne, ale w tym przypadku spadnie. Ten spadek (14 VDC do 11 VDC) zaburza dzielnik napięcia 10K stosunek? I używasz tego stosunku do odniesienia 4,7 zenera? więc jeśli masz potencjometr 10K w środkowej pozycji 5 k, ten dzielnik ustawiłby 14 VDC na 7 VDC (R2 / R1 + R2), gdyby szyna 14 przeszła na 11 VDC, środkowa pozycja rozdzielacza wynosi teraz 5,5, więc zależy od tego, gdzie jest wycieraczka, czy zaczynam ją rozumieć? Po prostu regulujemy wycieraczkę, aż 4,7 będzie w stosunku do dzielnika napięcia i spadku szyny, którego chcemy? więc ten obwód używa zwykłych zasad komparatora opamp, ale z dodatkowym wpływem histerezy na sterowanie wartością zadaną niskiego napięcia? Moja odpowiedź Tak, robisz to dobrze. Zener 12 V również działałby, ale spowodowałoby to przełączanie wzmacniacza operacyjnego między 12 V a 12,2 V, system zasilający umożliwia przełączanie między 11 V a 14 V, to główna zaleta stosowania rezystora histerezy sprzężenia zwrotnego. Podobnie w moim przypadku, jeśli rezystor sprzężenia zwrotnego zostanie usunięty, wzmacniacz operacyjny zacznie często oscylować między poziomem odcięcia 14,4 V a poziomem przywracania 14,2 V. ponieważ zgodnie z ustawieniem ustawienia 10K wzmacniacz operacyjny wyłączyłby się przy 14,4 V i gdy tylko napięcie akumulatora spadło o kilka mili woltów, wzmacniacz operacyjny ponownie się wyłączył, a to kontynuowałoby ciągłe włączanie / wyłączanie przełączanie przekaźnika. Jednak powyższa sytuacja byłaby dobra, gdyby nie zastosowano przekaźnika, a raczej tranzystora. Pytanie Zwykle to, co widzę w komparatorach, to stałe napięcie, takie jak masz @ pin 2, zwykle przez dzielnik napięcia lub zener itp., A następnie na pinie 3 zmienne napięcie ze źródła - pot - uziemienie config z wycieraczką (potencjometrem) pośrodku i wycieraczka znajdzie nastawę pinu 2. W twoim przypadku 4,7 stałe napięcie Zenera i przesuń opamp w przybliżeniu na szyny, zgodnie z jego konfiguracją, gdzie mylące jest to, że wycieraczka 10K w twoim obwodzie jest ustawiona na 14,4 wolta? Więc to ma wyzwolić 4,7 zenera? Nie dostaję meczu? Moja odpowiedź Najpierw ustawiamy górny próg odcięcia przez potencjometr, podając 14,4 V ze zmiennego zasilacza z odłączonym rezystorem sprzężenia zwrotnego. po ustawieniu powyższego podłączamy do gniazda odpowiednio dobrany rezystor histerezy, a następnie zaczynamy zmniejszać napięcie, aż do momentu, gdy opamp wyłącza się przy żądanym niższym poziomie, powiedzmy 11V. to doskonale ustawia obwód. TERAZ, zanim praktycznie to potwierdzimy, upewniamy się, że najpierw bateria jest podłączona, a następnie włączone jest zasilanie. jest to ważne, aby zasilacz mógł zostać obniżony przez poziom naładowania akumulatora i rozpocząć od poziomu, który jest dokładnie równy poziomowi rozładowania akumulatora. to wszystko, po tym wszystkim płynie gładko z opampem podążającym za odciętym wzorem ustawionym przez użytkownika. Kolejną ważną rzeczą jest to, że prąd zasilacza musi wynosić około 1/10 akumulatora AH, aby początkowo można było łatwo zmniejszyć napięcie zasilacza o poziom akumulatora. Pytanie Tak, myślałem nad tym i bez histerezy to by nie zadziałało. Jeśli wstawię 7 Zenera na pin 2, ustaw Vin @ pin 3 przez dzielnik napięcia 5k na 7 V, a rozładowany akumulator w obwodzie, jak tylko akumulator zostanie naładowany do 14 V, przekaźnik spadnie i wciągnąć obciążenie, ale obciążenie natychmiast upuściłoby 7 na potencjometrze, więc przekaźnik odpadłby. Bez histerezy widzę teraz, dlaczego nie pracowałbym, dzięki Moja odpowiedź Nawet bez obciążenia akumulator nigdy nie będzie trzymał się limitu 14,4 V i natychmiast spróbuje ustabilizować się do około 12,9 V lub 13 V. Kiedy opamp o / p zmienia się na (+), staje się tak dobry jak szyna zasilająca, co oznacza, że rezystor sprzężenia zwrotnego zostaje połączony z szyną zasilającą, co dodatkowo oznacza, że pin # 3 jest poddawany oddzielnemu równoległemu napięciu oprócz wstępnie ustawia rezystancję sekcji górnej, która jest połączona z szyną zasilającą. To dodatkowe napięcie ze sprzężenia zwrotnego powoduje wzrost pinu # 3 z 4,7 V do 5 V ... zmienia to obliczenia dla pinu 3/2 i zmusza wzmacniacz operacyjny do pozostania w stanie zablokowanym, dopóki 5 V nie spadnie poniżej 4,7 V, co zdarza się tylko gdy napięcie akumulatora spadło znacznie do 11 V ... bez tego wzmacniacz operacyjny przełączałby się w sposób ciągły między 14,4 V a 14,2 V Poniższa dyskusja mówi nam o tym, jakie jest pełne napięcie ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych i znaczenie histerezy w układach ładowania akumulatorów. Pytania zadał pan Girish Omówienie parametrów ładowania baterii Pełne odcięcie ładowania i histereza Z reguły prąd ten może wynosić około Ah / 70, czyli 50 do 100 razy mniej niż ocena AH akumulatora. Na przykład, jeśli wzmacniacz operacyjny bez funkcji histerezy jest skonfigurowany do monitorowania sytuacji przeładowania w systemie ładowania akumulatora, to przy pełnym poziomie naładowania, gdy tylko odcina zasilanie akumulatora, akumulator będzie wykazywał tendencję do spadania. napięcie i spróbuj ustabilizować się do jakiejś niższej pozycji napięcia. Można to porównać do pompowania powietrza w rurce, o ile ciśnienie pompowania utrzymuje się, ale powietrze wewnątrz rury utrzymuje się, ale gdy tylko pompowanie zostanie zatrzymane, rura zaczyna powoli opróżniać się… to samo dzieje się z akumulatorem. Kiedy tak się dzieje, odniesienie na wejściu operacyjnym odwraca się, a na jego wyjściu pojawia się monit o ponowne włączenie ładowania, co ponownie przesuwa napięcie akumulatora w kierunku wyższego progu odcięcia, a cykl się powtarza ……. działanie to powoduje szybkie przełączanie wyjścia wzmacniacza operacyjnego przy progu pełnego naładowania. Ten warunek zwykle nie jest zalecany w żadnym systemie komparatorów sterowanych przez opamp i może to powodować drganie przekaźnika. Aby temu zapobiec, dodajemy rezystor histerezy na pin wyjściowy i pin czujnikowy wzmacniacza operacyjnego, tak aby na granicy odcięcia wzmacniacz operacyjny wyłączał wyjście i blokował się w tej pozycji, chyba że i do momentu wejścia zasilania czujnika naprawdę spadł do niebezpiecznej dolnej granicy (gdzie histereza oamp nie jest w stanie utrzymać zatrzasku), wówczas wzmacniacz operacyjny włącza się ponownie. Jeśli masz więcej wątpliwości co do pełnego napięcia ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych i znaczenia histerezy w układach ładowania akumulatorów, nie wahaj się ich wypowiedzieć w komentarzach.Komparator bez histerezy
Komparator z histerezą
Wyjście Compartaor ze zmiennym wejściem
Konstrukcja komparatora histerezy
Omówienie histerezy na praktycznym przykładzie
Dlaczego używany jest Reference Zener
Dlaczego używany jest rezystor sprzężenia zwrotnego
Co to jest histereza
Jak ustawić progowe punkty wyzwolenia
Co to jest pełne napięcie ładowania i histereza
Mam kilka pytań, które sprawiają, że drapię się w głowę:
1) Jakie jest pełne napięcie akumulatora dla standardowego akumulatora kwasowo-ołowiowego, przy jakim napięciu akumulator musi być odłączony od ładowarki. Jakie musi być napięcie ładowania podtrzymującego dla akumulatora kwasowo-ołowiowego.
2) Czy rezystor histerezy ma kluczowe znaczenie w obwodzie komparatora? bez tego będzie działać poprawnie? Poszukałem w Google i znalazłem wiele mylących odpowiedzi. Mam nadzieję, że możesz odpowiedzieć. Projekty są w drodze.
Pozdrowienia.
Cześć Girish,
1) W przypadku akumulatora kwasowo-ołowiowego 12 V pełne ładowanie z zasilacza wynosi 14,3 V (granica odcięcia), ładowanie podtrzymujące może być najmniejszą ilością prądu przy tym napięciu, co zapobiega samorozładowaniu akumulatora, a także zapobiega bateria przed przeładowaniem.
W wzmacniaczach operacyjnych wymagana jest histereza, aby zapobiec wytwarzaniu zmiennego sygnału wyjściowego (WŁ. / WYŁ.) W odpowiedzi na wahające się wejście, które jest monitorowane przez wzmacniacz operacyjny.
Poprzedni: Obwód kontrolera jednofazowej pompy strumieniowej Dalej: Jak wykonać obwód testera wilgotności gleby za pomocą pojedynczego układu IC 741
