Hystérésis d'Opamp - Calculs et considérations de conception

Dans la plupart des circuits de chargeur de batterie automatiques de ce blog, vous avez peut-être vu un ampli-op avec une fonction d'hystérésis incluse pour une fonction cruciale. L'article suivant explique la signification et les techniques de conception de la fonction d'hystérésis dans les circuits opamp.

Pour savoir exactement ce qu'est une hystérésis, vous pouvez vous référer à cet article qui explique l'hystérésis à travers un exemple de relais

Principe d'opération

La figure 2 montre une conception conventionnelle d'un comparateur sans utiliser l'hystérésis. Cet agencement fonctionne en utilisant un diviseur de tension (Rx et Ry) pour établir la tension de seuil minimale.

Le comparateur évaluerait et comparerait le signal d'entrée ou la tension (Vln) à la tension de seuil définie (Vth).

La tension d'alimentation d'entrée du comparateur qui doit être comparée est connectée à l'entrée inverseuse, en conséquence, la sortie va présenter une polarité inversée.

A chaque fois que Vin> Vth, la sortie est supposée se rapprocher de l'alimentation négative (GND ou logique bas pour le schéma représenté). et quand Vln

Cette solution simple vous permet de décider si un vrai signal, par exemple la température, est au-dessus d'une limite de seuil décisive donnée.

Même ainsi, l'utilisation de cette technique peut présenter une situation difficile. Les interférences sur le signal d'alimentation d'entrée pourraient potentiellement provoquer des changements d'entrée au-dessus et en dessous du seuil défini, déclenchant des résultats de sortie incohérents ou fluctuants.

Comparateur sans hystérésis

La figure 3 illustre la réponse de sortie d'un comparateur sans hystérésis avec une configuration de tension d'entrée fluctuante.

Alors que la tension du signal d'entrée atteint la limite définie (par le réseau diviseur de tension) (Vth = 2,5 V), elle s'ajuste au-dessus et en dessous du seuil minimum d'un certain nombre d'instances.

En conséquence, la sortie fluctue également en fonction de l'entrée. Dans les circuits réels, cette sortie instable peut facilement causer des problèmes défavorables.

À titre d'illustration, considérez le signal d'entrée comme un paramètre de température et la réponse de sortie comme une application cruciale basée sur la température, qui se trouve être interprétée par un microcontrôleur.

La réponse fluctuante du signal de sortie peut ne pas fournir une information fidèle au microcontrôleur et pourrait produire des résultats «confus» pour le microcontrôleur aux niveaux de seuil cruciaux.

De plus, imaginez que la sortie du comparateur est nécessaire pour faire fonctionner un moteur ou une vanne. Cette commutation incohérente pendant les limites de seuil pourrait forcer la vanne ou le moteur à être allumé / éteint plusieurs fois au cours des situations de seuil cruciales.

Mais une solution «cool» grâce à une modeste modification du circuit comparateur vous permet d'inclure une hystérésis qui à son tour élimine complètement la sortie instable pendant les changements de seuil.

L'hystérésis tire parti de quelques limites de tension de seuil distinctes pour rester à l'écart des transitions fluctuantes comme on le voit dans le circuit discuté.

L'alimentation du signal d'entrée doit dépasser le seuil supérieur (VH) pour générer un basculement d'une sortie basse ou en dessous de la limite de seuil de consigne inférieure (VL) pour basculer sur une sortie haute.

Comparateur avec hystérésis

La figure 4 indique l'hystérésis sur un comparateur. La résistance Rh se verrouille sur le niveau de seuil d'hystérésis.

Chaque fois que la sortie est à un niveau logique haut (5V), Rh reste en parallèle avec Rx. Cela pousse un courant supplémentaire dans Ry, élevant la tension limite de seuil (VH) à 2,7V. Le signal d'entrée devra probablement dépasser VH = 2,7 V pour inciter la réponse de sortie à passer à un niveau logique bas (0 V).

Lorsque la sortie est au niveau logique bas (0 V), Rh est mis en parallèle avec Ry. Cela réduit le courant dans Ry, abaissant la tension de seuil à 2,3 V. Le signal d'entrée voudra descendre en dessous de VL = 2,3 V pour régler la sortie à un niveau logique haut (5 V).

Sortie Compartaor avec entrée fluctuante

La figure 5 signifie la sortie d'un comparateur avec hystérésis avec une tension d'entrée fluctuante. Le niveau du signal d'entrée est censé dépasser la limite de seuil supérieure (VH = 2,7 V) pour que la sortie de l'amplificateur optique glisse vers le bas au niveau logique bas (0 V).

En outre, le niveau du signal d'entrée doit se déplacer sous le seuil inférieur pour que la sortie de l'amplificateur optique grimpe en douceur au niveau logique haut (5 V).

La perturbation dans cet exemple peut être négligeable et donc peut être ignorée, grâce à l'hystérésis.

Mais cela dit, dans les cas où les niveaux de signal d'entrée étaient supérieurs à la plage calculée d'hystérésis (2,7 V - 2,3 V), cela pourrait entraîner la génération de réponses de transition de sortie fluctuantes supplémentaires.

Pour remédier à cela, le réglage de la plage d'hystérésis doit être suffisamment étendu pour éliminer la perturbation induite dans le modèle de circuit spécifique donné.

La section 2.1 vous propose une solution pour déterminer les composants pour fixer les seuils en fonction des demandes d'application sélectionnées.

Conception du comparateur d'hystérésis

Les équations (1) et (2) peuvent être utiles pour décider des résistances souhaitées pour créer les tensions de seuil d'hystérésis VH et VL. Une valeur unique (RX) doit être choisie arbitrairement.

Dans cette illustration, RX a été déterminé à 100k pour aider à réduire la consommation de courant. Rh a été calculé à 575k, en conséquence la valeur standard immédiate de 576k a été implémentée. La confirmation des équations (1) et (2) est présentée à l'annexe A.

Rh / Rx = VL / VH - VL

Discuter de l'hystérésis avec un exemple pratique

Nous prenons l'exemple d'un circuit de chargeur de batterie IC 741 et apprenons comment la résistance d'hystérésis de rétroaction permet à l'utilisateur de régler la coupure de charge complète et la restauration de charge faible du relais par une différence de tension. Si l'hystérésis n'était pas introduite, le relais se mettrait rapidement en MARCHE ARRÊT au niveau de coupure, causant un grave problème avec le système.

La question a été soulevée par l'un des lecteurs dévoués de ce blog, M. Mike.

Pourquoi Reference Zener est utilisé

Question:

1) Salut ce circuit est très génial!

Mais j'ai quelques questions sur les opamps de comparaison

Pourquoi 4,7 zeners sont-ils utilisés pour la tension de référence? Si nous ne voulons pas que les 12 volts descendent en dessous de 11 pour la décharge, pourquoi une valeur Zener aussi basse?

La résistance de rétroaction va-t-elle au point de masse virtuel une résistance de 100K? Si oui, pourquoi cette valeur a-t-elle été choisie?

Merci pour toute aide!

2) Aussi, je m'excuse, j'ai oublié car pourquoi y a-t-il 4,7 zeners aux bases des transistors BC 547?

3) Aussi ma dernière question pour aujourd'hui pour ce circuit. Les LED d'indication rouge / verte comment s'allument-elles? Je veux dire que la LED rouge est connectée via sa résistance au rail supérieur +, se connecte à la sortie de l'OPAMP, puis descend en série vers la LED verte.

Il semblerait qu'ils soient tous les deux allumés en même temps, puisqu'ils sont en série, dans les deux circuits.

Cela a-t-il quelque chose à voir avec le circuit de rétroaction et la masse virtuelle? Oh je pense que je peux voir. Ainsi, lorsque l'OPAMP est éteint, la LED rouge supérieure

Le courant passe à travers la résistance de rétroaction (donc son «on») au point de terre virtuel? Mais comment s'éteint-il, quand l'OPAMP a une sortie? Lorsque l'OP AMP obtient une sortie, je peux voir que cela descend jusqu'à la LED verte, mais comment, dans cet état, la LED rouge s'éte-t-elle alors?

Merci encore pour toute aide!

Ma réponse

4.7 n'est pas une valeur fixe, elle peut également être remplacée par d'autres valeurs, le préréglage de la broche n ° 3 ajuste et étalonne finalement le seuil selon la valeur zener sélectionnée.

Question

Donc, la tension de référence est-ce que le zener est à la broche 2 (amplificateur opérationnel vue de dessus) correct? La résistance de retour de 100K et le potentiomètre créent le valeur d'hystérésis (ce qui signifie, la différence entre les broches 2 et 3 pour faire basculer l'ampli-op à sa tension + rail)?

L'ampli op dans cette configuration essaie toujours de faire en sorte que les broches 2 et 3 arrivent à la même valeur via sa résistance de rétroaction, correcte (zéro, puisque le diviseur de rétroaction est @ 0 et la broche 3 est @ masse)?

J'ai vu ce contrôleur de chargeur solaire se passer de la rétroaction, en utilisant simplement plusieurs amplificateurs opérationnels avec des broches de référence de tension et un pot sur l'autre.

J'essaie juste de comprendre comment l'hystérésis fonctionne dans ce cas, je ne comprends pas les mathématiques dans ce circuit. Le retour préréglé 100k 10k est-il absolument nécessaire?

Dans d'autres circuits opamp, ils n'utilisent aucune rétroaction, utilisez-les simplement en mode de configuration de comparateur avec une tension de référence à la broche inversée / non inversée, et quand on est dépassé, l'ampli op bascule à sa tension de rail

Que fait le feed-back? Je comprends la formule de gain opamp, dans ce cas, est-ce 100k / 10k x différence de tension entre la valeur de tension POT (préréglée) et 4,7 zener?

Ou est-ce un type de déclenchement Schmidt de circuit UTP LTP à hystérésis

Je ne reçois toujours pas le retour d'informations avec la plupart des comparateurs d'amplis 100k / 10k que j'ai vus simplement utiliser l'ampli op en saturation, pourriez-vous expliquer pourquoi le retour et le gain pour cela?

Ok, je suis gaffé, le préréglage 10K est utilisé pour diviser la tension du rail 12 volts, correct? Alors, quand sa valeur prédéfinie en fonction de l'essuie-glace POT est plus? que le zener 4.7V, on balance l'opamp haut? toujours pas le retour de 100k et pourquoi il est utilisé dans un circuit comparateur

Pourquoi la résistance de rétroaction est utilisée

Ma réponse

Veuillez vous référer à la figure d'exemple ci-dessus pour comprendre comment la résistance de rétroaction fonctionne dans un circuit Opamp

Je suis sûr que vous savez comment fonctionnent les diviseurs de tension? Dès que le plein

seuil de charge est détecté, selon le réglage de la broche n ° 3 préréglée, la tension à la broche n ° 3 devient juste supérieure à la tension zener de la broche n ° 2, cela force la sortie de l'ampli-op à basculer vers le niveau d'alimentation de son zéro volt précédent .... ce qui signifie qu'il passe de 0 à 14 V instantanément.

Dans cette situation, nous pouvons supposer maintenant que la rétroaction est connectée entre `` alimentation positive '' et la broche n ° 3 ... lorsque cela se produit, la résistance de rétroaction commence à fournir ce 14V à la broche n ° 3, ce qui signifie qu'elle renforce encore la tension préréglée et ajoute un peu volts supplémentaires en fonction de sa valeur de résistance, cela signifie techniquement que cette rétroaction devient parallèle avec la résistance préréglée qui est placée entre son bras central et le bras positif.

Supposons donc que pendant la transition, la broche n ° 3 était de 4,8 V et cela commutait la sortie au niveau d'alimentation et permettait à l'alimentation de revenir à la broche n ° 3 via la résistance de rétroaction, ce qui faisait que la broche n ° 3 était un peu plus haute, disons à 5 V .... en raison de cette broche n ° 3, la tension prendra plus de temps pour revenir en dessous du niveau de valeur zener de 4,7 V car elle a été augmentée à 5 V ... cela s'appelle l'hystérésis.

Les deux LED ne s'allumeront jamais car leur jonction est connectée à la broche n ° 6 de l'amplificateur opérationnel qui sera soit à 0V soit à la tension d'alimentation, ce qui garantira que la LED rouge s'allume ou la verte, mais jamais ensemble.

Qu'est-ce que l'hystérésis

Question

Merci d'avoir répondu à toutes mes questions, en particulier celle sur les commentaires, qui semble une configuration un peu avancée, donc sa nouvelle pour moi serait que cette option de circuit de point de consigne basse tension fonctionnerait également 14 volts sur le zener non inversé, 12 volts sur l'inverseur broche de référence.

Une fois que le rail 14 VDC est tombé à 12, la sortie de l'ampli-op se déclenche. Cela activerait la partie basse tension du circuit. Dans votre cas, le potentiomètre 10k est juste en train de «régler», de «diviser» ou d'amener le rail de 14 volts à une tension plus proche du 4,7zener? Vous contrôlez toujours le 14 VDC.

Je veux dire une fois qu'il passe à 11 VDC, etc., vous voulez un rapport qui fera basculer l'ampli-op. si vous remplaçiez le 4.7 par une autre valeur zener, le diviseur de pot établirait un nouveau rapport, mais le pot est toujours «suivant» ou en rapport avec le rail 14 VDC? Au lieu de mettre 14VDC sur une broche opamp, vous le faites passer à travers un diviseur, mais le rapport contrôle toujours une petite baisse de par exemple 14VDC à 11 VDC via le pot 10K, qui tombera à 4,7V?

J'essaie juste de comprendre comment le circuit ferme la «propagation» de 11 V CC (où nous voulons que le point de consigne de basse tension soit) et la tension de référence de 4,7 V CC. la plupart des circuits comparateurs que j'ai vus ont juste la référence vdc sur la broche 2, par exemple 6 VDC. et une tension de rail de par exemple 12 VDC. Ensuite, un pot installe un diviseur à partir de ce rail de 12VDC, tombe à dire 6 VDC à travers le point médian du diviseur. Une fois que la tension sur la broche 3 s'approche de la référence 6 VDC @ broche 2, l'ampli op oscille en fonction de sa configuration, (inversée ou non inversée)

Peut-être que là où je me trompe, c'est ici - dans d'autres circuits que j'ai examinés, la tension du rail est supposée être raide, mais dans ce cas, elle va baisser Sa cette baisse (14VDC à 11VDC) bouleverse le diviseur de tension 10K rapport?

Et vous utilisez ce ratio pour référencer le 4.7 zener? donc si vous avez le pot 10K à sa position médiane de 5 k, ce diviseur réglerait le 14VDC à 7 VDC (R2 / R1 + R2) si le rail 14 passait à 11 VDC, la position médiane du diviseur est maintenant 5,5, donc il dépend de l'endroit où se trouve l'essuie-glace, est-ce que je commence à l'obtenir?

Nous ajustons simplement l'essuie-glace jusqu'à ce que le 4.7 soit en rapport avec le diviseur de tension et la chute de rail que nous voulons?

donc ce circuit utilise les principes réguliers du comparateur opamp, mais avec l'effet supplémentaire de l'hystersis pour le contrôle du point de consigne basse tension?

Ma réponse

Oui, vous avez raison.

Un zener 12V fonctionnerait également, mais cela ferait basculer l'ampli-op entre 12V et 12.2V, le système d'alimentation permet à l'ampli-op de basculer entre 11V et 14.V, c'est le principal avantage de l'utilisation d'une résistance d'hystérésis de rétroaction.

De même dans mon cas, si la résistance de rétroaction était supprimée, l'amplificateur opérationnel commencerait à osciller fréquemment entre le niveau de coupure de 14,4 V et le niveau de retour de 14,2 V. car selon le réglage du préréglage 10K, l'ampli-op serait coupé à 14,4V et dès que la tension de la batterie chutait de quelques milli-volts, l'ampli-op s'éteindrait à nouveau, ce qui continuerait de fonctionner en continu provoquant un ON / OFF constant commutation du relais.

Cependant, la situation ci-dessus serait bien si un relais n'était pas utilisé plutôt qu'un transistor était utilisé.

Question

Normalement, ce que je vois dans les comparateurs est une tension fixe comme vous avez @ la broche 2, généralement via un diviseur de tension ou un zener, etc., puis à la broche 3 une tension variable de la configuration source - pot - masse avec essuie-glace (pot) au milieu et le l'essuie-glace trouvera le point de consigne de la broche 2.

Dans votre cas 4,7 tension zener fixe et faites pivoter l'ampli-op environ sur ses rails, selon sa configuration où il est déroutant que l'essuie-glace 10K de votre circuit soit réglé à 14,4 volts? Alors c'est censé faire trébucher le 4.7 zener? Je ne fais pas le match?

Comment configurer les points de déclenchement de seuil

Ma réponse

nous définissons d'abord le seuil supérieur de coupure à travers le pot en fournissant 14,4V à partir d'une alimentation variable avec résistance de retour déconnectée.

une fois que ce qui précède est réglé, nous connectons une résistance d'hystérésis correctement sélectionnée dans la fente, puis commençons à réduire la tension jusqu'à ce que nous trouvions l'amplificateur opérationnel s'éteignant au niveau inférieur souhaité, par exemple 11V.

cela met parfaitement en place le circuit.

MAINTENANT, avant de confirmer cela pratiquement, nous nous assurons que la batterie est d'abord connectée, puis que l'alimentation est allumée.

ceci est important pour que l'alimentation puisse être entraînée vers le bas par le niveau de la batterie et commencer avec un niveau exactement égal au niveau de décharge de la batterie.

c'est tout, après cela, tout est en douceur avec l'ampli op selon le modèle de coupure défini par l'utilisateur.

une autre chose importante est que le courant d'alimentation doit être d'environ 1 / 10ème de la batterie AH afin que l'alimentation puisse être facilement abaissée par le niveau de la batterie au départ.

Question

Oui, j'y réfléchissais et sans l'hystérésis ça ne marcherait pas. Si je mets un 7 zener sur la broche 2, réglez Vin @ broche 3 à travers un diviseur de tension 5k à 7 volts et une batterie déchargée sur le circuit, dès que la batterie est chargée à 14 volts, le relais tombe et tirer dans la charge, mais la charge laisserait tomber le 7 au pot vers le bas immédiatement, de sorte que le relais tomberait. Sans l'hystérésis, je vois maintenant pourquoi je ne travaillerais pas, merci

Ma réponse

Même sans charge, la batterie ne s'accroche jamais à la limite de 14,4 V et essaiera instantanément de s'installer à environ 12,9 ou 13 V.

Lorsque l'opamp o / p bascule sur (+), il devient aussi bon que le rail d'alimentation, ce qui implique que la résistance de rétroaction est liée au rail d'alimentation, cela implique en outre que la broche n ° 3 est soumise à une tension parallèle distincte en plus du présélectionne la résistance de la section supérieure qui est connectée au rail d'alimentation.

Cette tension ajoutée à partir de la rétroaction fait passer la broche n ° 3 de 4,7 V à 5 V ... cela change le calcul pour la broche 3/2 et force l'ampli-op à rester verrouillé jusqu'à ce que le 5 V soit descendu en dessous de 4,7 V, ce qui ne se produit que lorsque la tension de la batterie a chuté à 11V .... sans cela, l'amplificateur opérationnel aurait basculé en continu entre 14.4V et 14.2V

Qu'est-ce que la tension de charge complète et l'hystérésis?

La discussion suivante nous indique quelle est la tension de charge complète pour les batteries au plomb et l'importance de l'hystérésis dans les systèmes de charge de batterie. Les questions ont été posées par M. Girish

Discussion sur les paramètres de charge de la batterie
J'ai quelques questions qui me font me gratter la tête:
1) Quelle est la tension totale de la batterie pour une batterie au plomb-acide standard, à quelle tension la batterie doit-elle être coupée du chargeur? Quelle doit être la tension de charge flottante pour une batterie au plomb-acide.
2) La résistance d'hystérésis est-elle cruciale dans le circuit du comparateur? sans cela fonctionnera-t-il correctement? J'ai cherché sur Google et trouvé de nombreuses réponses déroutantes. J'espère que vous pourrez répondre. Des projets sont en cours.
Salutations.

Coupure de charge complète et hystérésis
Salut Girish,
1) Pour une batterie au plomb de 12 V, la charge complète de l'alimentation est de 14,3 V (limite de coupure), la charge flottante peut être la plus faible quantité de courant à cette tension, ce qui empêche la batterie de se décharger automatiquement, et empêche également le batterie de surcharge.

En règle générale, ce courant pourrait être d'environ Ah / 70, soit 50 à 100 fois moins que la cote AH de la batterie.
Une hystérésis est nécessaire dans les amplificateurs opérationnels pour éviter qu'ils ne produisent une sortie fluctuante (ON / OFF) en réponse à une entrée fluctuante qui est surveillée par l'amplificateur opérationnel.

Par exemple, si un amplificateur opérationnel sans fonction d'hystérésis est configuré pour surveiller une situation de surcharge dans un système de charge de batterie, alors au niveau de charge complète dès qu'il coupe l'alimentation de charge de la batterie, la batterie aura tendance à laisser tomber son tension et essayez de vous installer dans une position de tension inférieure.

Vous pouvez le comparer au pompage de l'air à l'intérieur d'un tube, tant qu'il y a une pression de pompage, l'air à l'intérieur du tube tient, mais dès que le pompage est arrêté, le tube commence à se dégonfler lentement… il en va de même avec la batterie.

Lorsque cela se produit, la référence d'entrée opamp revient et sa sortie est invitée à activer à nouveau la charge, ce qui pousse à nouveau la tension de la batterie vers le seuil de coupure supérieur, et le cycle continue de se répéter ……. cette action crée une commutation rapide de la sortie de l'amplificateur opérationnel au seuil de charge complète. Cette condition n'est généralement pas recommandée dans tout système de comparateur commandé par un amplificateur opérationnel et cela peut provoquer des bruits de relais.

Pour éviter cela, nous ajoutons une résistance d'hystérésis à travers la broche de sortie et la broche de détection de l'ampli-op, de sorte qu'à la limite de coupure, l'ampli-op coupe sa sortie et se verrouille dans cette position, et à moins et jusqu'à ce que l'entrée d'alimentation de détection a vraiment chuté à une limite inférieure dangereuse (dans laquelle l'hystérésis de l'amortisseur est incapable de maintenir le loquet), l'amplificateur opérationnel se rallume alors.

Si vous avez plus de doutes concernant la tension de charge complète des batteries au plomb et l'importance de l'hystérésis dans les systèmes de charge de batteries, n'hésitez pas à les faire part de vos commentaires.