Opamps Hysteresis:o guia definitivo

Muitos conceitos fundamentais no mundo técnico são difíceis de lidar por causa de quão enganosos seus significados podem ser. Infelizmente, a histerese é um desses conceitos básicos.

Você pode ter tentado pesquisar o conceito apenas para desistir ou encontrar algo tão complicado e longo que você gostaria de desistir. Mas, não se preocupe, nós temos uma solução!

Felizmente, escrevemos este artigo para dividir o conceito de opamps Histerese em um guia simples, mas abrangente.

Você está pronto? Então, vamos começar!

O que é histerese no Opamp?

Diagrama Opamps

O tópico de opamps Histerese começará a fazer sentido quando definirmos a palavra Histerese. Simplificando, a histerese significa atrasar ou seguir atrás ou resistir à mudança de um estado anterior. Além disso, na engenharia, a histerese descreve operações não simétricas ou, em palavras mais simples, o caminho de A para B é diferente de B para A.

Além disso, você pode encontrar histerese em áreas de magnetismo, deformação não plástica e, claro, circuitos eletrônicos como opamps (que funcionam como comparadores).

Comparador de travamento dedicado dinâmico

Para detalhar ainda mais, vamos dar uma olhada em um exemplo simples para ajudar a definir o que significa histerese em opamps.

Quando você conecta um relé de 12 volts a uma fonte de alimentação variável e aumenta lentamente a tensão de alimentação de entrada de 0 a 12, você notará que em torno dos 11 volts, o relé será ativado.

Então, geralmente, se você reduzir essa tensão, deve desligar o relé. Mas, esse não é o caso. O relé só desligará quando a tensão ficar abaixo de 9 volts.

A diferença entre os limites de ativação e desativação do relé é o que chamamos de atraso de tensão, e esse atraso de tensão é o que chamamos de histerese.

Agora, a histerese pode ter efeitos adversos em circuitos eletrônicos, como circuitos únicos de BJT, e impede que você mantenha quaisquer níveis de limite fixos em seu curso. Assim, na maioria das vezes, o nível de histerese é reduzido ao menor nível possível - para manter o controle sobre os valores de limite do circuito.

Em contraste, os circuitos opamps são eficazes para evitar efeitos de histerese ao lidar com certas operações. Para a maioria dos circuitos de carregador de bateria opamp, a ausência de histerese se torna uma desvantagem significativa.

Então, em situações como essa, você forçaria histerese adicional no circuito instalando um resistor de feedback nas saídas do opamp e em um de seus pinos de entrada.

Assim, ajudaria a incluir o efeito de histerese em seu circuito de opamps.

Por outro lado, a maioria dos comparadores vem com histerese embutida, e esses comparadores geralmente têm um valor entre 5mV a 10mV. Além disso, a histerese interna desses comparadores analógicos os ajuda a evitar oscilações de quantidades mínimas de feedback parasita.

No entanto, qualquer ruído externo de maior amplitude pode bloquear a histerese interna desses comparadores, embora seja suficiente para interromper as auto-oscilações. Em situações como essa, simplesmente incluir a Histerese externa resolveria o problema.

Princípio de operação

Embora a histerese não seja desejada em alguns circuitos, ainda é valiosa para circuitos analógicos, pois ajuda a controlar a comutação em circuitos com transistores. Assim, você pode usar a Histerese em um circuito comparador para definir o ciclo de trabalho da forma de onda de saída.

Nota:Opamps e comparadores são dois componentes essenciais e iguais nestes circuitos. Mais importante, um opamp pode funcionar como um comparador, mas nem todos os comparadores podem funcionar como amplificadores .

Por esse motivo, os dois termos podem funcionar de forma intercambiável, pois a histerese é importante para ambos os circuitos. Além disso, entender como esses circuitos funcionam ajuda bastante a entender como a histerese funciona em cursos avançados.

Agora, comparar dois circuitos integrados padrão com o amplificador operacional e o comparador torna mais fácil entender como a histerese funciona em alguns desses circuitos e como usá-la para modificar o comportamento de comutação desses circuitos para o que você deseja.

Comparação de CIs com ambos os Componentes

A primeira impressão que você obtém do diagrama acima é como os dois componentes são semelhantes. No entanto, existem diferenças, como o comparador ser um emissor aterrado enquanto o opamp não é. Por esta razão, a saída do comparador funciona bem para saturação. Por outro lado, a produção do amplificador operacional funciona melhor para operações lineares.

Circuito Integrado

Histerese em um comparador

A histerese em um circuito comparador simples é responsável pela produção de um comportamento de comutação estável. Quando você adiciona um resistor de feedback positivo, ele cria uma histerese no curso, que define o limite para comutação sempre que o sinal de entrada aumentar ou diminuir.

Aqui está a parte complicada.

O ruído espúrio no sinal de entrada pode afetar todo o processo. Assim, produzindo múltiplas transições à medida que o sinal de entrada aumenta. Assim, adicionar Histerese aos contadores do circuito comparador elimina qualquer erro de comutação causado por ruído.

Histerese em um amplificador operacional

A histerese em um opamp é semelhante à forma como o feedback positivo cria tensão de histerese em um comparador (não tensões negativas). Assim, isso permite que o opamp forme um circuito de disparo Schmitt.

Aqui é onde as coisas ficam interessantes.

Quando você conduz um amplificador operacional como um circuito de malha fechada até a saturação (com histerese), a saída saturará e fornecerá os mesmos resultados que você obteria de um comparador. Funciona para entrada inversora e entrada não inversora.

Comparador sem histerese

Comparador sem histerese

Fonte:Pxhere

Aqui está um circuito comparador padrão sem histerese. Para este circuito, a rede divisora ​​de tensão, Rx e Ry, cria a tensão limite mínima utilizada pelo curso. Assim, o comparador avalia e compara a faixa de tensão de entrada (Vin) com a tensão de limiar fixo (Vth) para encontrar a relação entre a tensão.

Agora, conectar a tensão de alimentação de entrada (que você deseja comparar) à entrada inversora do circuito cria uma saída com polaridade invertida.

Assim, sempre que a diferença de tensão da corrente de polarização de entrada for mais significativa que o limite, a saída se aproximará da fonte negativa. Da mesma forma, a saída do comparador se aproximará dos trilhos de alimentação positivos se o ponto for mais alto que a tensão de referência de entrada.

Embora essa técnica tenha seus benefícios, como decidir se um sinal está acima de um limite definido, ela tem um problema. O ruído no sinal de entrada pode criar múltiplas transições acima e abaixo do ponto fixo, o que desencadeia resultados flutuantes.

A saída de um comparador sem histerese

Você pode ver as múltiplas transições no diagrama acima. Imagine o sinal de entrada como um parâmetro de temperatura e a saída foi uma aplicação crítica de temperatura para tornar as coisas mais transparentes. Agora, o sinal de saída inconsistente pode não fornecer os resultados desejados.

Ou imagine que você precisa da saída de um comparador para acionar um motor ou válvula. O sinal flutuante ligaria/desligaria a válvula várias vezes em situações críticas de limite.

Felizmente, este é um problema que a histerese resolve, pois contraria completamente o sinal instável ao alternar os limites e fornece algum tipo de imunidade a ruídos.

Comparador com histerese

Circuitos comparadores com histerese

Agora, aqui está um diagrama do circuito comparador com histerese. Aqui, o resistor RH se concentra no nível de limiar da histerese. Assim, sempre que a tensão de saída se tornar lógica alta (5V), o RH será paralelo a Rx. Assim, permitindo que uma corrente contínua extra flua para Ry e aumentando o limite de limiar (VH) para 2,7v. Além disso, a resposta de saída não mudará para baixo lógico se a corrente de entrada não for maior que a tensão limite (2,7v).

No entanto, quando a saída está em nível lógico baixo, Rh se torna paralelo a Ry. Assim, reduzindo a corrente que flui para Ry e diminuindo a tensão de limiar t0 2,3v. Agora, para voltar ao nível lógico alto (5V), o sinal de entrada deve ser inferior a 2,3 v.

Design do Comparador de Histerese

Então, para detalhar o design do comparador de histerese, veremos os esquemas, os componentes e o design.

Esquemas

Dê uma olhada no diagrama abaixo:

Esquemas do circuito do comparador de histerese

Componentes eletrônicos obrigatórios

• (1) Placa de circuito impresso (PCB)
• Comparador (aqui, você pode usar qualquer comparador. Por exemplo, usamos um TLV3201 para aplicações de baixa potência. Este comparador tem uma baixa corrente quiescente)
• resistores de filme metálico padrão (0,1%)

Requisitos de projeto

• tensão de alimentação de +5v
• Entrada de 0v a 5v

Design do Comparador de Histerese

Fórmulas de projeto do comparador de histerese

Para os projetos, podemos usar as equações (1) e (2) para selecionar os valores do resistor para criar suas tensões de limite de histerese (ou seja, VH e VL). Além disso, você precisará escolher um RX com um único valor.

Determinamos que nosso RX teria uma classificação de 100k. Escolhemos essa classificação para que o RX trabalhasse para minimizar o consumo atual. Por outro lado, implementamos Rh com um valor de 576k. Assim, confirmamos as equações (1) e (2) do apêndice A:Rh/Rx =VL/VH – VL.

Palavras finais

Comparadores são úteis quando se trata de diferenciar entre dois níveis de sinal. Por exemplo, você pode usar um comparador para distinguir entre condições normais e de temperatura excessiva.

Além disso, a variação de ruído ou sinal no limiar para comparação resulta em múltiplas transições. Assim, a vantagem da histerese em um circuito comparador é que ela fixa um ponto inferior e superior para resolver o problema de inúmeras transições.

Bem, isso encerra este artigo; se você tiver alguma dúvida, não hesite em contactar-nos.