Histéresis de Opamp: cálculos y consideraciones de diseño

Histéresis de Opamp: cálculos y consideraciones de diseño

En la mayoría de los circuitos de carga automática de baterías de este blog, es posible que haya visto un amplificador operacional con una función de histéresis incluida para alguna función crucial. El siguiente artículo explica la importancia y las técnicas de diseño para la función de histéresis en circuitos opamp.

Para saber exactamente qué es una histéresis, puede consultar este artículo que explica la histéresis a través de un ejemplo de un relé



Principio de funcionamiento

La Figura 2 muestra un diseño convencional para un comparador sin emplear la histéresis. Esta disposición funciona mediante el uso de un divisor de voltaje (Rx y Ry) para establecer el voltaje umbral mínimo.



comparador sin histéresis

El comparador evaluaría y compararía la señal de entrada o el voltaje (Vln) con el voltaje umbral establecido (Vth).

El voltaje de alimentación de entrada del comparador que se va a comparar está conectado a la entrada inversora, como resultado, la salida tendrá una polaridad invertida.



Cada vez que Vin> Vth, se supone que la salida se acerca al suministro negativo (GND o lógica baja para el diagrama que se muestra). y cuando Vln

Esta sencilla solución le permite decidir si una señal genuina, por ejemplo, la temperatura está por encima de un límite de umbral decisivo dado.

Aun así, el uso de esta técnica puede resultar complicado. La interferencia en la señal de alimentación de entrada podría hacer que la entrada cambie por encima y por debajo del umbral establecido, lo que provocaría resultados de salida inconsistentes o fluctuantes.



Comparador sin histéresis

La Figura 3 ilustra la respuesta de salida de un comparador sin histéresis con un patrón de voltaje de entrada fluctuante.

respuesta de salida de un comparador sin histéresis con un patrón de voltaje de entrada fluctuante

Mientras que el voltaje de la señal de entrada llega al límite establecido (por la red del divisor de voltaje) (Vth = 2.5V), se ajusta tanto por encima como por debajo del umbral mínimo en varias ocasiones.

Como resultado, la salida también fluctúa de acuerdo con la entrada. En circuitos reales, esta salida inestable puede causar fácilmente problemas desfavorables.

Como ilustración, piense en la señal de entrada como un parámetro de temperatura y la respuesta de salida como una aplicación crucial basada en la temperatura, que pasa a ser interpretada por un microcontrolador.

La respuesta de la señal de salida fluctuante puede no aportar una información fiel al microcontrolador y podría producir resultados 'confusos' para el microcontrolador en los niveles de umbral cruciales.

Además, imagine que se requiere la salida del comparador para operar un motor o una válvula. Esta conmutación inconsistente durante los límites del umbral podría obligar a la válvula o al motor a encenderse / apagarse muchas veces en el transcurso de las situaciones de umbral cruciales.

Pero una solución 'genial' a través de una modesta alteración del circuito comparador le permite incluir histéresis que, a su vez, elimina por completo la salida temblorosa durante los cambios de umbral.

La histéresis aprovecha un par de límites de voltaje de umbral distintos para mantenerse alejado de las transiciones fluctuantes como se ve en el circuito discutido.

La señal de entrada debe pasar por encima del umbral superior (VH) para generar un cambio de una salida baja o por debajo del límite de umbral inferior establecido (VL) para cambiar a una salida alta.

Comparador con histéresis

La figura 4 indica histéresis en un comparador. La resistencia Rh se bloquea en el nivel de umbral de histéresis.

comparador con histéresis que permite dos ajustes de umbral

Cada vez que la salida está en un nivel lógico alto (5 V), Rh permanece en paralelo con Rx. Esto empuja corriente adicional a Ry, elevando el voltaje límite de umbral (VH) a 2.7V. Es probable que la señal de entrada deba ir por encima de VH = 2,7 V para que la respuesta de salida se mueva a un nivel lógico bajo (0 V).

Mientras que la salida está en lógica baja (0 V), Rh se establece en paralelo con Ry. Esto reduce la corriente en Ry, bajando el voltaje de umbral a 2.3V. La señal de entrada querrá ir por debajo de VL = 2,3 V para establecer la salida en un nivel lógico alto (5 V).

Salida del compartimiento con entrada fluctuante

La figura 5 significa la salida de un comparador con histéresis con un voltaje de entrada fluctuante. Se supone que el nivel de la señal de entrada se mueve por encima del límite de umbral más alto (VH = 2.7V) para que la salida del amplificador operacional se deslice hasta la lógica baja (0V).

respuesta de salida de un comparador con histéresis con un voltaje de entrada fluctuante

Además, el nivel de la señal de entrada debe moverse por debajo del umbral inferior para que la salida del amplificador operacional suba suavemente a un nivel lógico alto (5 V).

La perturbación en este ejemplo puede ser insignificante y, por lo tanto, puede ignorarse gracias a la histéresis.

Pero dicho esto, en los casos en los que los niveles de la señal de entrada estuvieran por encima del rango calculado de histéresis (2.7V - 2.3V) podrían generar respuestas de transición de salida fluctuantes suplementarias.

Para remediar esto, se requiere que la configuración del rango de histéresis se extienda lo suficiente para descartar la perturbación inducida en el modelo de circuito específico dado.

La Sección 2.1 le proporciona una solución para determinar los componentes para fijar los umbrales de acuerdo con las demandas de su aplicación seleccionada.

Diseño del comparador de histéresis

Las ecuaciones (1) y (2) pueden ayudar a decidir sobre las resistencias deseadas para crear los voltajes umbral de histéresis VH y VL. Se requiere seleccionar un valor único (RX) arbitrariamente.

En esta ilustración, RX se determinó en 100k para ayudar a reducir el consumo de corriente. Se calculó que Rh era 575k, por lo que se implementó el valor estándar inmediato 576k. La confirmación de las ecuaciones (1) y (2) se presenta en el Apéndice A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Diseño del comparador de histéresis

Discutir la histéresis con un ejemplo práctico

Tomamos el ejemplo de un circuito de cargador de batería IC 741 y aprendemos cómo la resistencia de histéresis de retroalimentación permite al usuario establecer el corte de carga completa y la restauración de carga baja del relé por alguna diferencia de voltaje. Si no se introdujo la histéresis, el relé se encendería y apagaría rápidamente en el nivel de corte causando un problema grave con el sistema.

La pregunta fue planteada por uno de los lectores dedicados de este blog, el Sr. Mike.

Por qué se utiliza Reference Zener

Pregunta:

1) ¡Hola, este circuito es muy genial!

Pero tengo algunas preguntas sobre los opamps comparadores

¿Por qué se utilizan 4,7 zeners para el voltaje de referencia? Si no queremos que los 12 voltios caigan por debajo de 11 para la descarga, ¿por qué un valor zener tan bajo?

¿La resistencia de retroalimentación va al punto de tierra virtual una resistencia de 100K? Si es así, ¿por qué se eligió este valor?

¡Gracias por cualquier ayuda!

2) Además, me disculpo, me olvidé de ¿por qué hay 4.7 zeners en las bases de los transistores BC 547?

3) También mi última pregunta de hoy para este circuito. Los LED de indicación rojo / verde ¿cómo se encienden? Quiero decir que el LED rojo está conectado a través de su resistencia al riel superior +, se conecta a la salida del OPAMP, luego baja en serie hacia el LED verde.

Parecería que ambos estarían encendidos al mismo tiempo, ya que están en serie, en ambos circuitos.

¿Tiene algo que ver con el circuito de retroalimentación y la tierra virtual? Oh, creo que puedo ver. Entonces, cuando el OPAMP está apagado, el LED rojo superior

¿La corriente pasa a través de la resistencia de retroalimentación (por lo tanto, está 'encendida') al punto de tierra virtual? Pero, ¿cómo se apaga cuando el OPAMP tiene salida? Cuando el OP AMP obtiene una salida, puedo ver que baja al LED verde, pero ¿cómo, en ese estado, se apaga el LED rojo?

Gracias de nuevo por cualquier ayuda.

Mi respuesta

4.7 no es un valor fijo, también se puede cambiar a otros valores, el pin # 3 preestablecido finalmente ajusta y calibra el umbral según el valor zener seleccionado.

Pregunta

Entonces, ¿el voltaje de referencia es que el zener está en el pin 2 (opamp de vista superior) correcto? El potenciómetro y la resistencia de retroalimentación de 100K están creando valor de histéresis (es decir, la diferencia entre el pin 2 y 3 para hacer que el opamp oscile alto a su voltaje de riel +)?

El opamp en esta configuración siempre está tratando de hacer que los pines 2 y 3 lleguen al mismo valor a través de su resistencia de retroalimentación, ¿correcto (cero, ya que el divisor de retroalimentación es @ 0 y el pin 3 es @ tierra)?

He visto este controlador de cargador solar sin la retroalimentación, solo usando varios opamps con pines de referencia de voltaje y una olla en el otro.

Solo estoy tratando de entender cómo funciona la histéresis, en este caso no entiendo las matemáticas en este circuito. ¿Es absolutamente necesaria la retroalimentación preestablecida de 100k 10k?

En otros circuitos opamp, no usan ninguna retroalimentación, solo utilícelos en el modo de configuración del comparador con voltaje de referencia en el pin invertido / no invertido, y cuando se excede uno, el opamp cambia a su voltaje de riel

¿Qué está haciendo la retroalimentación? Entiendo la fórmula de ganancia de opamp, en este caso, ¿es 100k / 10k x diferencia de voltaje del valor de voltaje POT (preestablecido) y 4.7 zener?

¿O es este un tipo de disparador Schmidt de circuito LTP UTP de histéresis?

Todavía no obtengo la retroalimentación con la mayoría de los comparadores opamp de 100k / 10k que he visto, solo use el opamp en saturación, ¿podría explicar por qué la retroalimentación y la ganancia para esto?

Ok, estoy equivocado, el preajuste de 10K se usa para dividir el voltaje del riel de 12 voltios, ¿correcto? Entonces, ¿cuándo su valor preestablecido de acuerdo con el limpiaparabrisas POT es mayor? que el zener de 4.7V, balanceamos el opamp alto? todavía no recibo la retroalimentación de 100k y por qué se usa en un circuito comparador

cómo se implementa la histéresis en opamp

Por qué se utiliza la resistencia de retroalimentación

Mi respuesta

Consulte la figura de ejemplo anterior para comprender cómo funciona la resistencia de retroalimentación en un circuito Opamp

Estoy seguro de que sabe cómo funcionan los divisores de voltaje. Tan pronto como el lleno

se detecta el umbral de carga, según el ajuste del pin n. ° 3 preestablecido, el voltaje en el pin n. ° 3 se vuelve un poco más alto que el voltaje zener del pin n. ° 2, esto obliga a la salida del opamp a oscilar al nivel de suministro desde su cero voltio anterior ... lo que significa que cambia de, digamos, 0 a 14V instantáneamente.

En esta situación, podemos asumir ahora que la retroalimentación está conectada entre 'suministro positivo' y el pin n. ° 3 ... cuando esto sucede, la resistencia de retroalimentación comienza a suministrar estos 14 V al pin n. ° 3, lo que significa que refuerza aún más el voltaje preestablecido y agrega algo voltios adicionales dependiendo de su valor de resistencia, técnicamente esto significa que esta retroalimentación se vuelve en paralelo con la resistencia preestablecida que se establece entre su brazo central y el brazo positivo.

Así que suponga que durante la transición, el pin n. ° 3 fue de 4.8V y esto cambió la salida al nivel de suministro y permitió que el suministro volviera al pin n. ° 3 a través de la resistencia de retroalimentación, lo que provocó que el pin n. ° 3 fuera un poco más alto, digamos a 5 V .... debido a este pin # 3, el voltaje tardará más en volver a estar por debajo del nivel de valor zener de 4.7V porque se ha elevado a 5V ... esto se llama histéresis.

Ambos LED nunca se encenderán porque su unión está conectada con el pin # 6 del opamp que estará a 0V o al voltaje de suministro, lo que se asegurará de que el LED rojo se encienda o el verde, pero nunca juntos.

¿Qué es la histéresis?

Pregunta

Gracias por responder a todas mis preguntas, especialmente la de los comentarios, que parece una configuración un poco avanzada, por lo que es nuevo para mí, ¿esta opción de circuito de punto de ajuste de bajo voltaje funcionaría también 14 voltios en el zener no invertido, 12 voltios en el invertido? pin de referencia.

Una vez que el riel de 14 VCC bajó a 12, la salida del amplificador operacional se activa. Esto activaría la parte de bajo voltaje del circuito. En su caso, ¿el potenciómetro de 10k está simplemente 'ajustando', 'dividiendo' o llevando el riel de 14 voltios a un voltaje más cercano al 4.7zener? ¿Aún controla los 14 VCC.

Quiero decir, una vez que llegue a 11 VCC, etc., querrá una relación que haga oscilar el amplificador operacional alto. si reemplaza el 4.7 con otro valor zener, el divisor de olla establecerá una nueva proporción, pero la olla todavía está 'siguiendo' o en proporción con el riel de 14 VCC? En lugar de poner 14VDC en un pin de opamp, lo deja caer a través de un divisor, pero la relación sigue controlando una pequeña caída de, digamos, 14VDC a 11 VDC a través de la olla de 10K, ¿eso bajará a 4.7V?

Solo estoy tratando de entender cómo el circuito cierra la 'propagación' de 11 VCC (donde queremos que esté el punto de ajuste de bajo voltaje) y el voltaje de referencia de 4,7 VCC. la mayoría de los circuitos comparadores que he visto solo tienen el ref vdc en el pin 2, por ejemplo, 6 VDC. y un voltaje de carril de, digamos, 12 VCC. Luego, una olla coloca un divisor de ese riel de 12VCC, cae a, por ejemplo, 6 VCC a través del punto medio del divisor. Una vez que el voltaje en el pin 3 se acerca a la referencia 6 VDC @ pin 2, el opamp oscila de acuerdo con su configuración (invertida o no invertida)

Quizás donde estoy metiendo la pata es aquí: en otros circuitos que he visto, se supone que el voltaje del riel es rígido, pero en este caso, va a caer Su esa caída (14VDC a 11VDC) altera el divisor de voltaje de 10K ¿proporción?

¿Y estás usando esa relación para hacer referencia al zener de 4.7? entonces, si tiene el potenciómetro de 10K en su posición media de 5 k, ese divisor establecería el 14VDC en 7 VDC (R2 / R1 + R2) si el riel 14 fuera a 11 VDC, la posición media del divisor ahora es 5.5, por lo que depende de dónde esté el limpiaparabrisas, ¿estoy empezando a obtenerlo?

¿Simplemente ajustamos el limpiaparabrisas hasta que el 4.7 esté en relación con el divisor de voltaje y la caída del riel que queremos?

¿Entonces este circuito está usando los principios del comparador opamp regular, pero con el efecto adicional de la histéresis para el control del punto de ajuste de bajo voltaje?

Mi respuesta

Sí, lo estás haciendo bien.

Un zener de 12V también funcionaría, pero eso haría que el opamp cambie entre 12V y 12.2V, el sistema de retroalimentación permite que el opamp cambie entre 11V y 14.V, esa es la principal ventaja de usar una resistencia de histéresis de retroalimentación.

De manera similar, en mi caso, si se quitara la resistencia de retroalimentación, el amplificador operacional comenzaría a oscilar con frecuencia entre el nivel de corte de 14.4V y el nivel de reversión de 14.2V. porque según la configuración del preajuste de 10K, el opamp se cortaría a 14.4V y tan pronto como el voltaje de la batería cayera en unos pocos milivoltios, el opamp se apagaría nuevamente, y esto continuaría continuamente causando un encendido / apagado constante conmutación del relé.

Sin embargo, la situación anterior estaría bien si no se usara un relé en lugar de un transistor.

Pregunta

Normalmente, lo que veo en los comparadores es un voltaje fijo como el que tiene en el pin 2, generalmente a través de un divisor de voltaje o zener, etc., luego en el pin 3 un voltaje variable desde la fuente - olla - configuración de tierra con limpiador (olla) en el medio y el el limpiaparabrisas encontrará el punto de ajuste del pin 2.

En su caso, 4.7 fijó el voltaje zener y balanceó el opamp aproximadamente a sus rieles, de acuerdo con su configuración, ¿dónde es confuso que el limpiador de 10K en su circuito esté configurado en 14.4 voltios? ¿Entonces se supone que disparará el zener 4.7? ¿No consigo el partido?

Cómo configurar los puntos de disparo de umbral

Mi respuesta

Primero establecemos el umbral superior cortado a través de la olla suministrando 14,4 V desde una fuente de alimentación variable con la resistencia de retroalimentación desconectada.

una vez que se establece lo anterior, conectamos una resistencia de histéresis correctamente seleccionada en la ranura, y luego comenzamos a reducir el voltaje hasta que encontremos que el opamp se apaga en el nivel inferior deseado, digamos 11V.

esto configura el circuito perfectamente.

AHORA, antes de confirmar esto prácticamente nos aseguramos de que la batería esté primero conectada y luego la energía esté encendida.

esto es importante para que la fuente de alimentación pueda verse arrastrada por el nivel de la batería y comenzar con un nivel que sea exactamente igual al nivel de descarga de la batería.

eso es todo, después de esto, todo es fácil con el opamp siguiendo el patrón de corte establecido por el usuario.

Otra cosa importante es que, la corriente de la fuente de alimentación debe ser alrededor de 1/10 del AH de la batería para que la fuente de alimentación pueda reducirse fácilmente por el nivel de la batería inicialmente.

Pregunta

Sí, lo estaba pensando y sin la histéresis no funcionaría. Si pongo un zener de 7 en el pin 2, establezco Vin @ pin 3 a través de un divisor de voltaje de 5k en 7 voltios, y una batería descargada en el circuito, tan pronto como la batería se cargue a 14 voltios, el relé entraría y tire de la carga, pero la carga dejaría caer el 7 en la olla hacia abajo inmediatamente, por lo que el relé se desconectaría. Sin la histéresis, ahora puedo ver por qué no trabajaría, gracias

Mi respuesta

Incluso sin una carga, la batería nunca se adherirá al límite de 14,4 V e intentará instantáneamente estabilizarse en alrededor de 12,9 V o 13 V.

Cuando el opamp o / p cambia a (+) se vuelve tan bueno como el riel de suministro, lo que implica que la resistencia de retroalimentación se enlaza con el riel de suministro, lo que además implica que el pin # 3 está sujeto a un voltaje paralelo separado además del preajusta la resistencia de la sección superior que está conectada con el riel de suministro.

Este voltaje agregado de la retroalimentación hace que el pin # 3 suba de 4.7V a 5V ... esto cambia el cálculo para el pin3 / 2 y obliga al opamp a permanecer bloqueado hasta que los 5V hayan caído por debajo de 4.7v, lo que solo ocurre cuando el voltaje de la batería ha bajado a 11V .... sin esto, el opamp habría cambiado continuamente entre 14.4V y 14.2V

¿Qué es el voltaje de carga total y la histéresis?

La siguiente discusión nos informa sobre cuál es el voltaje de carga total para las baterías de plomo-ácido y la importancia de la histéresis en los sistemas de carga de baterías. Las preguntas fueron hechas por el Sr. Girish

Discusión de los parámetros de carga de la batería
Tengo un par de preguntas que me hacen rascarme la cabeza:
1) ¿Cuál es el voltaje total de la batería para una batería estándar de plomo-ácido, a qué voltaje la batería debe desconectarse del cargador? ¿Cuál debe ser el voltaje de carga flotante para una batería de plomo-ácido?
2) ¿La resistencia de histéresis es crucial en el circuito comparador? sin él, ¿funcionará correctamente? Busqué en Google y encontré muchas respuestas confusas. Espero que puedas responder. Los proyectos están en camino.
Saludos.

Histéresis y corte de carga completa
Hola Girish,
1) Para una batería de plomo-ácido de 12V, la carga completa de la fuente de alimentación es de 14.3V (límite de corte), la carga flotante puede ser la cantidad más baja de corriente a este voltaje, lo que evita que la batería se descargue automáticamente y también evita el batería por sobrecarga.

Como regla general, esta corriente podría rondar los Ah / 70, es decir, de 50 a 100 veces menor que la clasificación AH de la batería.
Se requiere histéresis en los amplificadores operacionales para evitar que produzcan una salida fluctuante (ON / OFF) en respuesta a una entrada fluctuante que está siendo monitoreada por el amplificador operacional.

Por ejemplo, si un amplificador operacional sin una función de histéresis está configurado para monitorear una situación de sobrecarga en un sistema de carga de la batería, entonces al nivel de carga completa tan pronto como corta el suministro de carga a la batería, la batería mostrará la tendencia a dejar caer su voltaje e intente establecerse en una posición de voltaje más bajo.

Puede compararlo con bombear aire dentro de un tubo, siempre que haya presión de bombeo, el aire dentro del tubo se mantiene, pero tan pronto se detiene el bombeo, el tubo comienza a desinflarse lentamente ... lo mismo sucede con la batería.

Cuando esto sucede, la referencia de entrada del opamp se revierte y se solicita a su salida que vuelva a encender la carga, lo que una vez más empuja el voltaje de la batería hacia el umbral de corte más alto, y el ciclo sigue repitiéndose ……. esta acción crea un cambio rápido de la salida del amplificador operacional en el umbral de carga completa. Esta condición generalmente no se recomienda en ningún sistema comparador controlado por amplificador operacional y esto podría dar lugar a vibraciones del relé.

Para evitar esto, agregamos una resistencia de histéresis a través del pin de salida y el pin de detección del opamp, de modo que en el límite de corte el opamp apague su salida y se enganche en esa posición, y a menos y hasta que la entrada de alimentación de detección realmente ha caído a un límite inferior inseguro (en el que la histéresis de un amplificador no puede mantener el pestillo), el amplificador operacional se enciende nuevamente.

Si tiene más dudas sobre el voltaje de carga completo para las baterías de plomo-ácido y la importancia de la histéresis en los sistemas de carga de baterías, no dude en publicarlas a través de los comentarios.




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