Opamps Hysterese-Viele grundlegende Konzepte in der technischen Welt sind schwer zu handhaben, weil ihre Bedeutungen trügerisch sein können. Leider ist Hysterese eines dieser grundlegenden Konzepte.
Möglicherweise haben Sie versucht, das Konzept zu suchen, nur um aufzugeben oder etwas zu treffen, das so kompliziert und lang ist, dass Sie aufgeben möchten. Aber keine Sorge, wir haben eine Lösung!
Glücklicherweise haben wir diesen Artikel geschrieben, um das Konzept der Operationsverstärker Hysterese in einen einfachen, aber umfassenden Leitfaden zu zerlegen.
Bist du so weit? Dann fangen wir an!
Was ist Hysterese bei Opamp?
Opamps-Diagramm
Quelle:
Wikimedia Commons
Das Thema Opamps Hysterese wird Sinn ergeben, sobald wir das Wort Hysterese definiert haben. Einfach ausgedrückt bedeutet Hysterese, sich von einem früheren Zustand zu verzögern oder ihnen zu folgen oder sich der Veränderung zu widersetzen. Außerdem beschreibt Hysterese in der Technik nichtsymmetrische Operationen, oder in einfacheren Worten, der Weg von A nach B unterscheidet sich von B nach A.
Darüber hinaus finden Sie Hysterese in Bereichen wie Magnetismus, nicht-plastische Verformung und natürlich elektronische Schaltungen wie Operationsverstärker (die als Komparatoren arbeiten).
Dynamischer dedizierter Komparator mit Verriegelung
Quelle:
Wikimedia Commons
Um es weiter aufzuschlüsseln, werfen wir einen Blick auf ein einfaches Beispiel, um herauszufinden, was Hysterese in Operationsverstärkern bedeutet.
Wenn Sie ein 12-Volt-Relais an eine variable Stromversorgung anschließen und die Eingangsversorgungsspannung langsam von 0 – 12 erhöhen, werden Sie feststellen, dass das Relais um die 11 Volt herum aktiviert wird.
Wenn Sie also diese Spannung reduzieren, sollte das Relais normalerweise ausgeschaltet werden. Aber das ist nicht der Fall. Das Relais schaltet sich erst ab, wenn die Spannung weit unter 9 Volt fällt.
Der Unterschied zwischen den Aktivierungs- und Deaktivierungsschwellen des Relais ist das, was wir eine Spannungsverzögerung nennen, und diese Spannungsverzögerung ist das, was wir als Hysterese bezeichnen.
Jetzt kann Hysterese negative Auswirkungen auf elektronische Schaltungen wie einzelne BJT-Schaltungen haben und verhindert, dass Sie feste Schwellenwerte auf Ihrem Kurs einhalten. In den meisten Fällen wird der Hysteresepegel auf das geringstmögliche Niveau reduziert, um die Kontrolle über die Schwellenwerte des Schaltkreises zu behalten.
Im Gegensatz dazu sind Operationsverstärkerschaltungen wirksam, um Hystereseeffekte bei der Handhabung bestimmter Operationen zu vermeiden. Für die meisten Opamp-Batterieladekreise wird das Fehlen von Hysterese zu einem erheblichen Nachteil.
In solchen Situationen würden Sie also eine zusätzliche Hysterese in die Schaltung zwingen, indem Sie einen Rückkopplungswiderstand über die Operationsverstärkerausgänge und an einem ihrer Eingangspins installieren.
Daher würde es helfen, den Hystereseeffekt in Ihre Operationsverstärkerschaltung aufzunehmen.
Auf der anderen Seite kommen die meisten Komparatoren mit eingebauter Hysterese, und diese Komparatoren haben normalerweise einen Wert zwischen 5mV bis 10mV. Auch die interne Hysterese dieser analogen Komparatoren hilft ihnen, Schwingungen durch minimale Mengen an parasitärer Rückkopplung zu verhindern.
Jedes externe Rauschen mit größerer Amplitude kann jedoch die interne Hysterese dieser Komparatoren blockieren, obwohl es ausreicht, um Selbstschwingungen zu stoppen. In solchen Situationen würde die einfache Einbeziehung der externen Hysterese das Problem lösen.
Opamps Hysterese-Funktionsprinzip
Obwohl Hysterese in einigen Schaltkreisen nicht erwünscht ist, ist sie für analoge Schaltungen immer noch wertvoll, da sie hilft, das Schalten in Schaltkreisen mit Transistoren zu steuern. So können Sie Hysterese in einer Komparatorschaltung verwenden, um das Tastverhältnis der Ausgangswellenform einzustellen.
Anmerkung: Operationsverstärker und Komparatoren sind zwei wesentliche und gleiche Komponenten in diesen Schaltkreisen. Noch wichtiger ist, dass ein Operationsverstärker als Komparator arbeiten kann, aber nicht alle Komparatoren können als
Verstärker
.
Aus diesem Grund können die beiden Begriffe austauschbar funktionieren, da die Hysterese für beide Schaltkreise wichtig ist. Außerdem ist das Verständnis, wie diese Schaltkreise funktionieren, ein langer Weg, um zu verstehen, wie Hysterese in fortgeschrittenen Kursen funktioniert.
Wenn Sie nun zwei integrierte Standardschaltungen mit dem Operationsverstärker und dem Komparator vergleichen, können Sie leichter verstehen, wie die Hysterese in einigen dieser Schaltkreise funktioniert und wie Sie damit das Schaltverhalten dieser Schaltkreise an ihre Wünsche anpassen können.
Vergleich von ICs mit beiden Komponenten
Quelle:
Pxhere
Der erste Eindruck, den Sie aus dem obigen Diagramm erhalten, ist, wie ähnlich die beiden Komponenten sind. Es gibt jedoch Unterschiede, wie z.B. dass der Komparator ein geerdeter Emitter ist, während der Operationsverstärker dies nicht ist. Aus diesem Grund funktioniert die Ausgabe des Komparators gut für die Sättigung. Auf der anderen Seite funktioniert die Herstellung des Operationsverstärkers besser für lineare Operationen.
Integrierter Schaltkreis
Opamps Hysterese-Hysterese in einem Komparator
Die Hysterese in einer einfachen Komparatorschaltung ist für die Erzeugung eines stabilen Schaltverhaltens verantwortlich. Wenn Sie einen positiven Rückkopplungswiderstand hinzufügen, erzeugt dies eine Hysterese im Kurs, die den Schwellenwert für das Schalten festlegt, wenn das Eingangssignal zunimmt oder abnimmt.
Hier ist der knifflige Teil.
Das störende Rauschen auf dem Eingangssignal kann den gesamten Prozess beeinflussen. Somit werden mehrere Übergänge erzeugt, wenn das Eingangssignal zunimmt. Das Hinzufügen von Hysterese zum Komparatorkreis wirkt also jedem durch Rauschen verursachten Schaltfehlern entgegen.
Opamps Hysterese-Hysterese in einem Operationsverstärker
Die Hysterese in einem Operationsverstärker ähnelt der Art und Weise, wie positive Rückkopplung eine Hysteresespannung in einem Komparator erzeugt (nicht negative Spannungen). So kann der Operationsverstärker eine Schmitt-Triggerschaltung bilden.
Hier wird es interessant.
Wenn Sie einen Operationsverstärker als geschlossene Schaltung zur Sättigung (mit Hysterese) antreiben, wird der Ausgang gesättigt und liefert Ihnen die gleichen Ergebnisse, die Sie von einem Komparator erhalten würden. Es funktioniert für invertierende Eingaben und nicht invertierende Eingaben.
Komparator ohne Hysterese
Komparator ohne Hysterese
Opamps Hysterese-Quelle: Pxhere
Hier ist eine Standard-Komparatorschaltung ohne Hysterese. Für diese Schaltung erzeugt das Spannungsteilernetzwerk Rx und Ry die minimale Schwellenwertspannung, die vom Kurs verwendet wird. Der Komparator bewertet und vergleicht also den Eingangsspannungsbereich (Vin) mit der festen Schwellenspannung (Vth), um die Beziehung zwischen der Spannung zu finden.
Wenn Sie nun die Eingangszufuhrspannung (die Sie vergleichen möchten) an den invertierenden Eingang der Schaltung anschließen, wird ein Ausgang mit invertierter Polarität erzeugt.
Jedes Mal, wenn die Spannungsdifferenz des Eingangsvorspannungsstroms signifikanter ist als der Schwellenwert, würde sich der Ausgang näher an die negative Versorgung bewegen. Ebenso würde sich der Komparatorausgang näher an positive Versorgungsschienen bewegen, wenn der Punkt höher als die Eingangsreferenzspannung ist.
Während diese Technik ihre Vorteile hat, wie die Entscheidung, ob ein Signal über einem festgelegten Schwellenwert liegt, hat sie ein Problem. Das Rauschen auf dem Eingangssignal kann mehrere Übergänge sowohl über als auch unter dem Fixpunkt erzeugen, was schwankende Ergebnisse auslöst.
Die Ausgabe eines Komparators ohne Hysterese
Quelle:
Pxhere
Sie können die verschiedenen Übergänge im obigen Diagramm sehen. Stellen Sie sich das Eingangssignal als Temperaturparameter vor, und der Ausgang war eine kritische Temperaturanwendung, um die Dinge transparenter zu machen. Jetzt liefert Ihnen das inkonsistente Ausgangssignal möglicherweise nicht die gewünschten Ergebnisse.
Oder stellen Sie sich vor, Sie benötigen den Ausgang eines Komparators, um einen Motor oder ein Ventil zu betreiben. Das schwankende Signal würde das Ventil in kritischen Schwellensituationen mehrfach ein- und ausschalten.
Glücklicherweise ist dies ein Problem, das Hysteresis löst, da es dem wackeligen Signal beim Umschalten der Schwellenwerte vollständig entgegenwirkt und eine Art Störfestigkeit verleiht.
Opamps Hysterese-Komparator mit Hysterese
Komparatorschaltungen mit Hysterese
Quelle:
Pxhere
Nun, hier ist ein Diagramm der Komparatorschaltung mit Hysterese. Hier konzentriert sich der Widerstand RH auf den Schwellenwert der Hysterese. Jedes Mal, wenn die Ausgangsspannung logisch hoch wird (5 V), würde die RH parallel zu Rx verlaufen. So kann zusätzlicher Gleichstrom in Ry fließen und der Schwellenwert (VH) auf 2,7 V erhöht werden. Außerdem ändert sich die Ausgangsantwort nicht auf logisch niedrig, wenn der Eingangsstrom nicht höher als die Schwellenwertspannung (2,7 V) ist.
Wenn die Ausgabe jedoch auf logisch niedrig ist, wird Rh parallel zu Ry. So wird der in Ry fließende Strom reduziert und die Schwellenspannung t0 um 2,3 V gesenkt. Um nun zu Logic High (5V) zurückzukehren, muss das Eingangssignal niedriger als 2,3 V sein.
Opamps Hysterese-Design des Hysteresekomparators
Um das Design des Hysteresekomparators aufzuschlüsseln, betrachten wir die Schaltpläne, die Komponenten und das Design.
Schaltpläne
Werfen Sie einen Blick auf das diagramm unten:
Schaltpläne für Hysterese-Komparatorschaltungen
Quelle:
Pxhere
Opamps Hysterese-Erforderliche elektronische Komponenten
(1) Leiterplatte (PCB)
Komparator (hier können Sie jeden Komparator verwenden. Zum Beispiel haben wir einen TLV3201 für Low-Power-Anwendungen verwendet. Dieser Komparator hat einen niedrigen Ruhestrom)
Standard-Metallfilmwiderstände (0,1 %)
Design-Anforderungen
+5V Versorgungsspannung
0V bis 5V Eingang
Hysterese-Komparator-Design
Designformeln für Hysteresekomparatoren
Quelle:
Pxhere
Für die Designs können wir die Gleichungen (1) und (2) verwenden, um die Widerstandswerte für die Erstellung Ihrer Hystereseschwellenspannungen (d. H. VH und VL) auszuwählen. Außerdem müssen Sie einen RX mit einem einzigen Wert auswählen.
Wir haben festgestellt, dass unser RX eine Bewertung von 100.000 haben würde. Wir haben diese Bewertung gewählt, damit RX die Stromaufnahme minimiert. Auf der anderen Seite haben wir Rh mit einem Wert von 576k implementiert. So bestätigten wir die Gleichungen (1) und (2) in Anhang A: Rh/Rx = VL/VH – VL.
Abschließende Worte
Komparatoren sind hilfreich, wenn es darum geht, zwischen zwei Signalpegeln zu unterscheiden. Sie können beispielsweise einen Komparator verwenden, um zwischen normalen und Übertemperaturbedingungen zu unterscheiden.
Auch die Variation von Rauschen oder Signal am Schwellenwert für den Vergleich führt zu mehreren Übergängen. Der Vorteil der Hysterese in einer Vergleichsschaltung besteht also darin, dass sie einen unteren und oberen Punkt fixiert, um das Problem der zahlreichen Übergänge zu lösen.
Nun, das schließt diesen Artikel ab; Wenn Sie Fragen haben, zögern Sie nicht uns zu kontaktieren.
