Opamp 히스테리시스 – 계산 및 설계 고려 사항

이 블로그의 대부분의 자동 배터리 충전기 회로에서 몇 가지 중요한 기능에 포함 된 히스테리시스 기능이있는 opamp를 보셨을 것입니다. 다음 기사에서는 opamp 회로의 히스테리시스 기능에 대한 중요성과 설계 기술을 설명합니다.

히스테리시스가 무엇인지 정확히 알아 보려면이 기사를 참조하십시오. 릴레이의 예를 통해 히스테리시스를 설명합니다.

작동 원리

그림 2는 히스테리시스를 사용하지 않는 비교기의 기존 설계를 보여줍니다. 이 배열은 전압 분배기 (Rx 및 Ry)를 사용하여 최소 임계 전압을 설정하는 방식으로 작동합니다.

비교기는 입력 신호 또는 전압 (Vln)을 설정된 임계 전압 (Vth)과 평가하고 비교합니다.

비교 될 비교기 입력 공급 전압은 반전 입력에 연결되며, 결과적으로 출력은 반전 된 극성을 갖습니다.

Vin> Vth가 될 때마다 출력은 음의 전원에 가까워 져야합니다 (표시된 다이어그램의 경우 GND 또는 로직 로우). 그리고 Vln이

이 간편한 솔루션을 사용하면 온도와 같은 실제 신호가 주어진 결정적인 임계 값 한계를 초과하는지 여부를 결정할 수 있습니다.

그럼에도 불구하고이 기법을 사용하는 것은 곤경에 처할 수 있습니다. 입력 피드 신호에 대한 간섭은 잠재적으로 입력이 설정된 임계 값 위와 아래로 전환되어 일관되지 않거나 변동하는 출력 결과를 유발할 수 있습니다.

히스테리시스없는 비교기

그림 3은 변동하는 입력 전압 패턴으로 히스테리시스가없는 비교기의 출력 응답을 보여줍니다.

입력 신호 전압이 설정된 한계 (분압기 네트워크에 의해) (Vth = 2.5V)에 도달하는 동안 여러 인스턴스에서 최소 임계 값 위와 아래로 조정됩니다.

결과적으로 출력도 입력에 따라 변동합니다. 실제 회로에서이 불안정한 출력은 쉽게 불리한 문제를 일으킬 수 있습니다.

예를 들어 입력 신호를 온도 매개 변수로, 출력 응답을 중요한 온도 기반 애플리케이션으로 생각해보십시오. 이는 마이크로 컨트롤러에 의해 해석됩니다.

변동하는 출력 신호 응답은 마이크로 컨트롤러에 정확한 정보를 제공하지 못할 수 있으며 중요한 임계 값 수준에서 마이크로 컨트롤러에 '혼란스러운'결과를 생성 할 수 있습니다.

또한 모터 또는 밸브를 작동하려면 비교기 출력이 필요하다고 가정 해보십시오. 임계 값 제한 동안 이러한 일관되지 않은 전환은 중요한 임계 값 상황에서 밸브 또는 모터를 여러 번 켜고 끌 수 있습니다.

그러나 비교기 회로에 약간의 변경을 통해 '멋진'솔루션을 사용하면 히스테리시스를 포함 할 수 있으며 이는 임계 값 전환 중에 지터가 발생하는 출력을 완전히 제거합니다.

히스테리시스는 논의 된 회로에서 볼 수 있듯이 변동하는 전이로부터 명확하게 유지하기 위해 몇 가지 별개의 임계 전압 제한을 활용합니다.

입력 신호 피드는 낮은 출력의 전환을 생성하기 위해 상한 임계 값 (VH)을 초과하거나 높은 출력으로 전환하기 위해 설정된 하한 임계 값 제한 (VL) 미만이어야합니다.

히스테리시스가있는 비교기

그림 4는 비교기의 히스테리시스를 나타냅니다. 저항 Rh는 히스테리시스 임계 값 레벨에 고정됩니다.

출력이 로직 하이 (5V)가 될 때마다 Rh는 Rx와 병렬로 유지됩니다. 이렇게하면 추가 전류가 Ry로 푸시되어 임계 값 제한 전압 (VH)이 2.7V로 상승합니다. 입력 신호는 출력 응답이 로직 로우 (0V)로 이동하도록 프롬프트하기 위해 VH = 2.7V 이상으로 이동해야합니다.

출력이 로직 로우 (0V) 인 동안 Rh는 Ry와 병렬로 설정됩니다. 이는 전류를 Ry로 줄여 임계 전압을 2.3V로 낮 춥니 다. 입력 신호는 출력을 로직 하이 (5V)로 설정하기 위해 VL = 2.3V 아래로 내려 가야합니다.

변동 입력이있는 구획 출력

그림 5는 입력 전압이 변동하는 히스테리시스가있는 비교기의 출력을 나타냅니다. 입력 신호 레벨은 연산 증폭기 출력이 로직 로우 (0V)로 떨어지기 위해 더 높은 임계 값 한계 (VH = 2.7V)를 넘어 가야합니다.

또한 입력 신호 레벨은 연산 증폭기 출력이 로직 하이 (5V)로 원활하게 상승하도록 하한 임계 값 아래로 이동해야합니다.

이 예에서 방해는 무시할 수 있으므로 히스테리시스 덕분에 무시 될 수 있습니다.

그러나 입력 신호 레벨이 히스테리시스 계산 범위 (2.7V-2.3V)를 초과하는 경우 추가 변동 출력 전환 응답을 생성 할 수 있습니다.

이를 해결하려면 주어진 특정 회로 모델에서 유도 된 방해를 ​​제거 할 수 있도록 히스테리시스 범위 설정을 충분히 확장해야합니다.

섹션 2.1에서는 선택한 애플리케이션 요구 사항에 따라 임계 값을 수정하기위한 구성 요소를 결정하는 솔루션을 제공합니다.

히스테리시스 비교기 설계

방정식 (1) 및 (2)는 히스테리시스 임계 전압 VH 및 VL을 생성하려는 저항을 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 임의로 선택하려면 단일 값 (RX)이 필요합니다.

이 그림에서 RX는 전류 소모를 줄이기 위해 100k로 결정되었습니다. Rh는 575k로 계산되었으므로 즉시 표준 값 576k가 구현되었습니다. 방정식 (1) 및 (2)에 대한 확인은 부록 A에 나와 있습니다.

Rh / Rx = VL / VH-VL

실제 예를 사용하여 히스테리시스 논의

IC 741 배터리 충전기 회로의 예를 들어 피드백 히스테리시스 저항을 사용하여 사용자가 일부 전압 차이에 의해 릴레이의 완전 충전 차단 및 저 전하 복원을 분리하는 방법을 알아 봅니다. 히스테리시스가 도입되지 않으면 릴레이가 차단 레벨에서 빠르게 ON OFF로 전환되어 시스템에 심각한 문제가 발생합니다.

이 블로그의 열성적인 독자 중 한 명이 Mike 씨에 의해 질문이 제기되었습니다.

Reference Zener가 사용되는 이유

질문:

1) 안녕하세요이 회로는 매우 천재입니다!

하지만 비교기 opamp에 대해 몇 가지 질문이 있습니다.

4.7 제너가 기준 전압으로 사용되는 이유는 무엇입니까? 방전을 위해 12 볼트가 11 이하로 떨어지지 않게하려면 왜 제너 값이 낮을까요?

피드백 저항이 가상 접지 지점으로가는 100K 저항입니까? 그렇다면이 값을 선택한 이유는 무엇입니까?

도움을 주셔서 감사합니다!

2) 또한 사과드립니다. BC 547 트랜지스터의베이스에 4.7 제너가있는 이유는 무엇입니까?

3) 또한이 회로에 대한 오늘의 마지막 질문입니다. 적색 / 녹색 표시 LED는 어떻게 켜 집니까? 빨간색 LED는 저항을 통해 상단 + 레일에 연결되고 OPAMP의 출력에 연결 한 다음 녹색 LED를 향해 직렬로 내려갑니다.

두 회로에서 직렬로 연결되어 있기 때문에 동시에 둘 다 켜져있는 것처럼 보입니다.

피드백 회로 및 가상 접지와 관련이 있습니까? 오 볼 수있을 것 같아요. 따라서 OPAMP가 꺼지면 상단의 빨간색 LED가

전류가 피드백 저항을 통해 가상 접지점으로 이동합니까? 그러나 OPAMP에 출력이있을 때 어떻게 꺼지는가? OP AMP가 출력되면 녹색 LED로 내려가는 것을 볼 수 있지만 그 상태에서 빨간색 LED가 어떻게 꺼지는가?

도움을 주셔서 다시 한 번 감사드립니다!

내 답장

4.7은 고정 된 값이 아니며 다른 값으로도 변경할 수 있으며, 핀 # 3 사전 설정은 궁극적으로 선택 제너 값에 따라 임계 값을 조정하고 보정합니다.

질문

따라서 기준 전압은 제너가 핀 2 (평면도 opamp)에 맞습니까? 100K 피드백 저항과 포트는 히스테리시스 값 (즉, opamp를 + 레일 전압으로 높이기 위해 핀 2와 3의 차이)?

이 구성의 opamp는 항상 피드백 저항을 통해 핀 2와 3이 동일한 값에 도달하도록 시도합니다. 맞습니까 (피드백 분배기가 @ 0이고 핀 3이 @ 접지이기 때문에 0)?

나는이 태양열 충전기 컨트롤러가 피드백없이 수행되는 것을 보았습니다. 전압 레퍼런스 핀이있는 여러 opamp와 다른 하나의 포트를 사용합니다.

이 경우 히스테리시스가 어떻게 작동하는지 이해하려고 노력하고 있습니다.이 회로의 수학을 이해하지 못합니다. 100k 10k 사전 설정 피드백이 절대적으로 필요합니까?

다른 opamp 회로에서는 피드백을 사용하지 않고 반전 / 비 반전 핀에서 참조 전압을 사용하는 비교기 구성 모드에서 사용하고 하나를 초과하면 opamp가 레일 전압으로 스윙합니다.

피드백은 무엇을하고 있습니까? 나는 opamp 이득 공식을 이해합니다.이 경우 100k / 10k x POT 전압 (사전 설정) 값과 4.7 제너의 전압 차이입니까?

아니면 이것이 Schmidt 트리거 유형의 히스테리시스 UTP LTP 회로입니까?

나는 여전히 100k / 10k 대부분의 opamp 비교기로 피드백을 얻지 못합니다. 채도에서 opamp를 사용했습니다. 왜 피드백과 이득이 있는지 설명해 주시겠습니까?

좋아, 10K 사전 설정이 12 볼트 레일의 전압을 나누는 데 사용됩니다. 맞습니까? 그렇다면 POT 와이퍼에 따른 사전 설정 값이 더 많을 때? 4.7V 제너보다 opamp를 높게 스윙합니까? 여전히 100k 피드백을 얻지 못하며 비교기 회로에서 사용되는 이유

피드백 저항기가 사용되는 이유

내 답장

피드백 저항이 Opamp 회로에서 어떻게 작동하는지 이해하려면 위의 예제 그림을 참조하십시오.

전압 분배기가 어떻게 작동하는지 알고 계십니까? 가득 차 자마자

핀 # 3의 사전 설정 조정에 따라 핀 # 3의 전압이 핀 # 2 제너 전압보다 약간 높아짐에 따라 충전 임계 값이 감지되어 opamp 출력이 이전 제로 볼트에서 공급 레벨로 스윙하도록 강제합니다 .... 즉, 0에서 14V로 즉시 변경됩니다.

이 상황에서 피드백이 '양극 공급'과 핀 # 3 사이에 연결되었다고 가정 할 수 있습니다.이 경우 피드백 저항이이 14V를 핀 # 3에 공급하기 시작합니다. 즉, 미리 설정된 전압을 더 강화하고 일부를 추가합니다. 저항 값에 따라 추가 전압이 발생합니다. 기술적으로 이것은이 피드백이 중앙 암과 포지티브 암 사이에 설정된 미리 설정된 저항과 병렬이됨을 의미합니다.

따라서 전환하는 동안 핀 # 3이 4.8V이고 이로 인해 출력이 전원 레벨로 전환되고 전원이 피드백 저항을 통해 핀 # 3에 다시 도달 할 수있게되었다고 가정합니다. 이로 인해 핀 # 3이 5V에서 조금 더 높게 설정됩니다. ....이 핀 3 번 핀으로 인해 전압이 5V로 올라 갔기 때문에 4.7V 제너 값 레벨 아래로 돌아가는 데 시간이 더 오래 걸립니다. 이것을 히스테리시스라고합니다.

두 LED는 접합부가 opamp의 6 번 핀과 연결되어 0V 또는 공급 전압으로 연결되어 빨간색 LED가 켜지거나 녹색으로 켜지지 만 절대 함께 켜지지 않기 때문에 켜지지 않습니다.

히스테리시스 란?

질문

내 모든 질문, 특히 피드백에 대한 질문에 답 해주셔서 감사합니다. 약간 고급 구성으로 보이므로이 저전압 설정 점 회로 옵션은 비 반전에서 14V, 반전에서 12V 제너로 작동합니다. 참조 핀.

14VDC 레일이 12로 떨어지면 opamp 출력이 켜집니다. 이것은 회로의 저전압 부분을 활성화합니다. 귀하의 경우 10k 포트는 단지 '조정', '분할'또는 14V 레일을 4.7zener에 가까운 전압으로 가져 오는 것입니까? 여전히 14VDC를 제어합니다.

11 VDC 등으로 가면 opamp를 높이는 비율을 원합니다. 4.7을 다른 제너 값으로 바꾸면 포트 디바이더가 새로운 비율을 설정하지만 포트는 여전히 '따르고'있거나 레일 14VDC와 비율이 맞습니까? 하나의 opamp 핀에 14VDC를 넣는 대신 분배기를 통해 드롭하지만 비율은 여전히 ​​10K 포트를 통해 14VDC에서 11VDC로 작은 드롭을 제어합니다. 4.7V로 떨어질까요?

나는 회로가 11VDC (저전압 설정 포인트가되기를 원하는 곳)와 4.7 vdc의 참조 전압에서 '확산'을 어떻게 닫는 지 이해하려고합니다. 필자가 본 대부분의 비교기 회로는 핀 2 (예 : 6 VDC)에 ref vdc가 있습니다. 그리고 12 VDC의 레일 전압. 그런 다음 포트는 12VDC의 레일에서 분배기를 설정하고 분배기의 중간 지점을 통해 6VDC로 떨어집니다. 핀 3의 전압이 참조 6 VDC @ 핀 2에 가까워지면 opamp는 구성 (반전 또는 비 반전)에 따라 스윙합니다.

아마도 내가 엉망이되는 곳은 여기에 있습니다. 내가 본 다른 회로에서 레일 전압은 뻣뻣한 것으로 가정하지만이 경우에는 떨어질 것입니다. 비율?

4.7 제너를 참조하기 위해 그 비율을 사용하십니까? 따라서 중간 위치 5k에 10K 포트가있는 경우 14 레일이 11VDC로 이동하면 해당 분배기가 14VDC를 7VDC (R2 / R1 + R2)로 설정하고 분배기 중간 위치는 이제 5.5입니다. 와이퍼가 어디에 있는지에 따라 달라집니다.

4.7이 전압 분배기와 원하는 레일 강하에 비례 할 때까지 와이퍼를 조정하면됩니다.

따라서이 회로는 일반 opamp 비교기 원리를 사용하고 있지만 저전압 설정 점 제어에 대한 히스테리시스의 추가 영향이 있습니까?

내 답장

예, 당신은 그것을 올바르게하고 있습니다.

12V 제너도 작동하지만 이로 인해 opamp가 12V와 12.2V 사이에서 전환 될 수 있으며, 피드백 시스템은 opamp가 11V와 14.V 사이에서 전환 할 수 있도록하는데, 이것이 피드백 히스테리시스 저항을 사용하는 주요 이점입니다.

제 경우에도 마찬가지로 피드백 저항이 제거되면 opamp는 14.4V 컷오프 레벨과 14.2V 반전 레벨 사이에서 자주 진동하기 시작합니다. 10K 프리셋의 설정에 따라 opamp는 14.4V에서 차단되고 배터리 전압이 몇 밀리 볼트까지 떨어지 자마자 opamp가 다시 꺼지고 계속해서 ON / OFF가 발생하기 때문입니다. 릴레이 전환.

그러나 위의 상황은 트랜지스터를 사용하는 것보다 릴레이를 사용하지 않으면 괜찮을 것입니다.

질문

일반적으로 비교기에서 내가 보는 것은 @ 핀 2와 같은 고정 전압이며 일반적으로 전압 분배기 또는 제너 등을 통해 핀 3에서 소스의 가변 전압-포트-중간에 와이퍼 (포트)가있는 접지 구성 및 와이퍼는 핀 2의 설정 점을 찾습니다.

귀하의 경우 4.7 고정 제너 전압과 회로의 10K 와이퍼가 14.4V로 설정된 구성에 따라 opamp를 레일에 가깝게 스윙합니까? 그렇다면 4.7 제너를 트립해야하나요? 나는 일치하지 않는다?

임계 트립 포인트를 설정하는 방법

내 답장

먼저 피드백 저항을 분리 한 상태에서 가변 전원 공급 장치에서 14.4V를 공급하여 포트를 통해 차단 된 상한 임계 값을 설정합니다.

위의 값이 설정되면 슬롯에 올바르게 선택된 히스테리시스 저항을 연결 한 다음 원하는 낮은 11V에서 opamp가 꺼질 때까지 전압을 줄이기 시작합니다.

이것은 회로를 완벽하게 설정합니다.

이제 실제로 이것을 확인하기 전에 배터리가 먼저 연결되고 전원이 켜져 있는지 확인합니다.

이는 전원 공급 장치가 배터리 수준에 따라 아래로 끌려 가고 배터리 방전 수준과 정확히 동일한 수준으로 시작할 수 있도록하는 데 중요합니다.

그게 다야, 사용자가 설정 한 컷오프 패턴을 따르는 opamp와 함께 모든 부드러운 항해입니다.

또 다른 중요한 점은 전원 공급 장치 전류가 배터리 AH의 약 1/10이되어야 전원 공급 장치가 처음에 배터리 수준에 따라 쉽게 풀다운 될 수 있다는 것입니다.

질문

네, 히스테리시스가 없으면 작동하지 않을 것이라고 생각했습니다. 핀 2에 7 제너를 넣고 5k 전압 분배기를 통해 Vin @ 핀 3을 7V로 설정하고 회로에 방전 된 배터리를 설정하면 배터리가 14V로 충전 되 자마자 릴레이가 떨어집니다. 부하를 당겼지만 부하가 즉시 포트에서 7을 떨어 뜨려 릴레이가 떨어질 것입니다. 히스테리시스없이 왜 안되는지 알 수있어 고마워

내 답장

부하가 없어도 배터리는 14.4V 제한에 달라 붙지 않으며 즉시 약 12.9V 또는 13V로 안정화됩니다.

opamp o / p가 (+)로 스윙하면 공급 레일만큼 좋아집니다. 이는 피드백 저항이 공급 레일과 연결됨을 의미하며, 이는 핀 # 3에 추가로 별도의 병렬 전압이 적용됨을 의미합니다. 공급 레일과 연결된 상부 저항을 미리 설정합니다.

피드백에서 추가 된 전압으로 인해 핀 # 3이 4.7V에서 5V로 상승합니다. 이는 pin3 / 2에 대한 계산을 변경하고 5V가 4.7v 아래로 떨어질 때까지 opamp가 래치 된 상태를 유지하도록합니다. 배터리 전압이 11V로 떨어질 때 ....이없이 opamp는 14.4V와 14.2V 사이에서 계속 토글되었을 것입니다.

완전 충전 전압 및 히스테리시스 란?

다음 논의는 납축 배터리의 완전 충전 전압과 배터리 충전 시스템의 히스테리시스 중요성에 대해 알려줍니다. Girish 씨가 질문을했습니다.

배터리 충전 매개 변수 논의
머리를 긁는 몇 가지 질문이 있습니다.
1) 표준 납산 배터리의 전체 배터리 전압은 얼마이며 배터리가 충전기에서 차단되어야하는 전압은 얼마입니까? 납 축전지의 부동 충전 전압은 얼마입니까?
2) 비교기 회로에서 히스테리시스 저항이 중요합니까? 그것 없이는 제대로 작동합니까? 나는 봤는데 많은 혼란스러운 대답을 찾았습니다. 당신이 대답 할 수 있기를 바랍니다. 프로젝트가 진행 중입니다.
문안 인사.

완전 충전 차단 및 히스테리시스
안녕하세요 Girish,
1) 12V 납축 배터리의 경우 전원 공급 장치의 완전 충전은 14.3V (차단 한계)이며, 플로트 충전은이 전압에서 가장 낮은 전류량 일 수 있으며, 이는 배터리 자체 방전을 방지하고 과충전에서 배터리.

일반적으로이 전류는 약 Ah / 70 일 수 있으며 이는 배터리의 AH 등급보다 50 ~ 100 배 적습니다.
opamp에 의해 모니터링되는 변동 입력에 대한 응답으로 변동 출력 (ON / OFF)을 생성하는 것을 방지하기 위해 opamp에 히스테리시스가 필요합니다.

예를 들어 히스테리시스 기능이없는 opamp가 배터리 충전 시스템에서 과충전 상황을 모니터링하도록 구성된 경우 배터리에 대한 충전 공급을 차단하자마자 완전 충전 수준에서 배터리가 배터리를 떨어 뜨리는 경향이 있습니다. 전압을 낮추고 더 낮은 전압 위치로 정착을 시도하십시오.

펌핑 압력이있는 한 튜브 내부의 공기를 펌핑하는 것과 비교할 수 있지만 펌핑이 중지되면 튜브가 천천히 수축하기 시작합니다. 배터리도 마찬가지입니다.

이런 일이 발생하면 opamp 입력 레퍼런스가 되돌아 가고 그 출력은 충전을 다시 켜라는 메시지를 표시합니다. 그러면 배터리 전압이 더 높은 차단 임계 값으로 다시 밀려 나가고 사이클이 계속 반복됩니다. 이 동작은 완전 충전 임계 값에서 opamp 출력의 빠른 스위칭을 생성합니다. 이 조건은 일반적으로 opamp 제어 비교기 시스템에서 권장되지 않으며 이로 인해 릴레이 채터 링이 발생할 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 출력 핀과 opamp의 감지 핀에 히스테리시스 저항을 추가하여 컷오프 한계에서 opamp가 출력을 차단하고 해당 위치에서 래치하며 감지 피드 입력이 없을 때까지 안전하지 않은 하한 (oamp 히스테리시스가 래치를 유지할 수 없음)까지 실제로 떨어 졌으면 opamp가 다시 켜집니다.

납축 배터리의 완전 충전 전압과 배터리 충전 시스템의 히스테리시스 중요성에 대해 더 의심이 든다면 주저하지 말고 의견을 통해 알려주십시오.