Dominando Histerese em AmpOps: Um Guia Profissional Completo

Muitos conceitos fundamentais no mundo técnico são difíceis de lidar por causa de quão enganosos seus significados podem ser. Infelizmente, 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 queria desistir. Mas, não se preocupe, temos uma solução!

Felizmente, escrevemos este artigo para decompor o conceito de histerese em AmpOps em um guia simples, mas abrangente.

Você está pronto? Então, vamos começar!

O que é Histerese em AmpOp?

O tópico de histerese em AmpOps começará a fazer sentido uma vez que definimos a palavra Histerese. Simplificando, Histerese significa ficar para trás ou seguir atrás ou resistir à mudança de um estado anterior. Além disso, em engenharia, Histerese descreve operações não simétricas, ou em palavras mais simples, o caminho de A para B é diferente de B para A.

O que mais, você pode encontrar Histerese em áreas de magnetismo, deformação não plástica e, claro, circuitos eletrônicos como AmpOps (que funcionam como comparadores).

Para decompor ainda mais, vamos dar uma olhada em um exemplo simples para ajudar a fixar o que Histerese em AmpOps significa.

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 de 11 volts, o relé será ativado.

Então, geralmente, se você reduzir esta tensão, deveria desligar o relé. Mas, esse não é o caso. O relé só desligará uma vez que a tensão vá bem abaixo de 9 volts.

A diferença entre os limiares de ativação e desativação do relé é o que chamamos de defasagem de tensão, e esta defasagem de tensão é o que nos referimos como Histerese.

Agora, a Histerese pode ter efeitos adversos em circuitos eletrônicos como circuitos BJT simples, e impede você de manter quaisquer níveis de limiar fixos no seu circuito. Então, na maioria das vezes, o nível de histerese é reduzido ao nível menor possível — para manter o controle sobre os valores de limiar do circuito.

Em contraste, circuitos AmpOps são eficazes em evitar efeitos de histerese ao lidar com certas operações. Para a maioria dos circuitos carregadores de bateria AmpOp, a ausência de Histerese se torna uma desvantagem significativa.

Então, em situações como esta, você forçaria histerese adicional no circuito instalando um resistor de realimentação através das saídas do AmpOp e em um de seus pinos de entrada.

Assim, isso ajudaria a incluir o efeito de histerese no seu circuito AmpOp.

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 ajuda a prevenir oscilações de quantidades mínimas de realimentação parasita.

No entanto, qualquer ruído externo de amplitude maior pode bloquear a Histerese interna desses comparadores, mesmo que seja suficiente para parar auto-oscilações. Em situações como esta, simplesmente incluir 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 Histerese em um circuito comparador para definir o ciclo de trabalho da forma de onda de saída.

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

Por esta razão, os dois termos podem funcionar intercambiavelmente, já que a Histerese é importante para ambos os circuitos. Além disso, entender como esses circuitos funcionam ajuda muito a entender como a Histerese funciona em cursos avançados.

Agora, comparar dois circuitos integrados padrão com o AmpOp 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.

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

Histerese em um Comparador

A Histerese em um circuito comparador simples é responsável pela produção de comportamento de comutação estável. Quando você adiciona um resistor de realimentação positiva, ele cria uma histerese no circuito, que define o limiar para comutação sempre que o sinal de entrada aumenta ou diminui.

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. Então, adicionar Histerese ao circuito comparador contrapõe qualquer comutação errada causada por ruído.

Histerese em um Amplificador Operacional

A Histerese em um AmpOp é semelhante a como a realimentação positiva cria tensão de histerese em um comparador (não tensões negativas). Assim, isso permite que o AmpOp forme um circuito trigger Schmitt.

Aqui é onde as coisas ficam interessantes.

Quando você impulsiona um amplificador operacional como um circuito de malha fechada para saturação (com Histerese), a saída saturar e dará os mesmos resultados que você obteria de um comparador. Funciona para entrada inversora e não inversora.

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 de limiar mínima usada pelo circuito. Então, o comparador avalia e compara a faixa de tensão de entrada (Vin) com a tensão de limiar fixa (Vth) para encontrar a relação entre tensão.

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

Assim, a qualquer momento que a diferença de tensão da corrente de polarização de entrada for mais significativa que o limiar, a saída se moveria para mais perto da alimentação negativa. Da mesma forma, a saída do comparador se moveria para mais perto dos trilhos de alimentação positiva se o ponto for maior que a tensão de referência de entrada.

Embora esta técnica tenha seus benefícios, como decidir se um sinal está acima de um limiar definido, ela tem um problema. O ruído no sinal de entrada pode criar múltiplas transições tanto acima quanto abaixo do ponto fixo, o que dispara resultados flutuantes.

Você pode ver as múltiplas transições no diagrama acima. Imagine o sinal de entrada como um parâmetro de temperatura, e a saída era uma aplicação de temperatura crítica para tornar as coisas mais transparentes. Agora, o sinal de saída inconsistente pode não dar 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 múltiplas vezes em situações de limiar crítico.

Felizmente, este é um problema que a Histerese resolve, pois contrapõe completamente o sinal trêmulo ao comutar limiares e dá algum tipo de imunidade a ruído.

Comparador com Histerese

Agora, aqui está um diagrama do circuito comparador com Histerese. Aqui, o resistor RH foca no nível de limiar da Histerese. Então, a qualquer momento que a tensão de saída se torne lógica alta (5V), O RH paralela Rx. Assim, permitindo corrente contínua extra fluir para Ry e aumentando o limite do limiar (VH) para 2,7v. Também, a resposta de saída não mudará para lógica baixa se a corrente de entrada não for maior que a tensão de limiar (2,7v).

No entanto, quando a saída está em lógica baixa, Rh torna-se paralela a Ry. Assim, reduzindo a corrente fluindo para Ry e derrubando a tensão de limiar para 2,3v. Agora, para voltar à lógica alta (5V), o sinal de entrada deve ser menor que 2,3v.

Projeto de Comparador com Histerese

Então, para decompor o projeto do comparador com histerese, olharemos os esquemáticos, os componentes e o projeto.

Esquemáticos

Dê uma olhada no diagrama abaixo:

Componentes Eletrônicos Necessários

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

Requisitos de Projeto

• +5V tensão de alimentação
• 0V a 5V entrada

Projeto do Comparador com Histerese

Para os projetos, podemos usar as equações (1) e (2) para selecionar os valores dos resistores para criar suas tensões de limiar 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 esta classificação para que RX funcionasse para minimizar o consumo de corrente. Por outro lado, implementamos Rh com um valor de 576k. Assim, confirmamos as equações (1) e (2) no 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 de temperatura normal e superaquecimento.

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

Bem, isso encerra este artigo; se você tiver alguma dúvida, sinta-se à vontade para nos contatar.