Histéresis de opamps:la guía definitiva

Muchos conceptos fundamentales en el mundo técnico son difíciles de manejar debido a lo engañosos que pueden ser sus significados. Desafortunadamente, Histéresis es uno de esos conceptos básicos.

Es posible que hayas intentado buscar el concepto solo para darte por vencido o encontrarte con algo tan complicado y largo que te gustaría darte por vencido. Pero, no te preocupes, ¡tenemos una solución!

Afortunadamente, escribimos este artículo para desglosar el concepto de histéresis de opamps en una guía simple pero completa.

¿Estás listo? Entonces, ¡comencemos!

¿Qué es la histéresis en Opamp?

Diagrama de amplificadores operacionales

El tema de la histéresis de opamps comenzará a tener sentido una vez que definamos la palabra histéresis. En pocas palabras, histéresis significa retrasarse o seguir atrás o resistir el cambio de un estado anterior. Además, en ingeniería, la histéresis describe operaciones no simétricas o, en palabras más sencillas, el camino de A a B es diferente de B a A.

Además, puede encontrar histéresis en áreas de magnetismo, deformación no plástica y, por supuesto, circuitos electrónicos como amplificadores operacionales (que funcionan como comparadores).

Comparador de enclavamiento dedicado dinámico

Para desglosarlo aún más, echemos un vistazo a un ejemplo simple para ayudar a determinar qué significa histéresis en opamps.

Cuando conecta un relé de 12 voltios a una fuente de alimentación variable y aumenta lentamente el voltaje de suministro de entrada de 0 a 12, notará que alrededor de los 11 voltios, el relé se activará.

Entonces, por lo general, si reduce este voltaje, debería apagar el relé. Pero ese no es el caso. El relé solo se apagará una vez que el voltaje esté muy por debajo de los 9 voltios.

La diferencia entre los umbrales de activación y desactivación del relé es lo que llamamos retardo de tensión, y este retardo de tensión es lo que llamamos histéresis.

Ahora, la histéresis puede tener efectos adversos en los circuitos electrónicos, como los circuitos BJT únicos, y le impide mantener niveles de umbral fijos en su curso. Por lo tanto, la mayoría de las veces, el nivel de histéresis se reduce al menor nivel posible para mantener el control sobre los valores de umbral del circuito.

En contraste, los circuitos opamps son efectivos para evitar los efectos de histéresis cuando se manejan ciertas operaciones. Para la mayoría de los circuitos de cargador de batería opamp, la ausencia de histéresis se convierte en una desventaja significativa.

Entonces, en situaciones como esta, forzarías una histéresis adicional en el circuito instalando una resistencia de retroalimentación en las salidas del opamp y en uno de sus pines de entrada.

Por lo tanto, ayudaría a incluir el efecto de histéresis en su circuito de amplificadores operacionales.

Por otro lado, la mayoría de los comparadores vienen con histéresis incorporada, y estos comparadores suelen tener un valor entre 5 mV y 10 mV. Además, la histéresis interna de estos comparadores analógicos les ayuda a evitar las oscilaciones de cantidades mínimas de retroalimentación parásita.

Sin embargo, cualquier ruido externo de mayor amplitud puede bloquear la Histéresis interna de estos comparadores, aunque es suficiente para detener las auto-oscilaciones. En situaciones como esta, simplemente incluir Histéresis externa resolvería el problema.

Principio de funcionamiento

Aunque la histéresis no se desea en algunos circuitos, sigue siendo valiosa para los circuitos analógicos, ya que ayuda a controlar la conmutación en circuitos con transistores. Por lo tanto, puede usar Histéresis en un circuito comparador para establecer el ciclo de trabajo de la forma de onda de salida.

Nota:Los amplificadores operacionales y los comparadores son dos componentes esenciales e iguales en estos circuitos. Más importante aún, un opamp puede funcionar como un comparador, pero no todos los comparadores pueden funcionar como amplificadores .

Por esta razón, los dos términos pueden funcionar indistintamente ya que la histéresis es importante para ambos circuitos. Además, comprender cómo funcionan estos circuitos ayuda mucho a entender cómo funciona la histéresis en cursos avanzados.

Ahora, la comparación de dos circuitos integrados estándar con el amplificador operacional y el comparador facilita la comprensión de cómo funciona la histéresis en algunos de estos circuitos y cómo usarla para modificar el comportamiento de conmutación de estos circuitos según lo desee.

Comparación de circuitos integrados con ambos componentes

La primera impresión que obtiene del diagrama anterior es cuán similares son los dos componentes. Sin embargo, existen diferencias, como que el comparador es un emisor conectado a tierra mientras que el opamp no lo es. Por esta razón, la salida del comparador funciona bien para la saturación. Por otro lado, la producción del amplificador operacional funciona mejor para operaciones lineales.

Circuito Integrado

Histéresis en un Comparador

La histéresis en un circuito comparador simple es responsable de la producción de un comportamiento de conmutación estable. Cuando agrega una resistencia de retroalimentación positiva, crea una histéresis en el curso, que establece el umbral para cambiar cada vez que la señal de entrada aumenta o disminuye.

Aquí está la parte difícil.

El ruido espurio en la señal de entrada puede afectar todo el proceso. Así, se producen múltiples transiciones a medida que aumenta la señal de entrada. Por lo tanto, agregar histéresis al circuito del comparador contrarresta cualquier cambio erróneo causado por el ruido.

Histéresis en un Amplificador Operacional

La histéresis en un amplificador operacional es similar a cómo la retroalimentación positiva crea un voltaje de histéresis en un comparador (no voltajes negativos). Por lo tanto, esto permite que el opamp forme un circuito disparador Schmitt.

Aquí es donde las cosas se ponen interesantes.

Cuando maneja un amplificador operacional como un circuito de bucle cerrado hasta la saturación (con histéresis), la salida se saturará y le dará los mismos resultados que obtendría de un comparador. Funciona para entrada inversora y entrada no inversora.

Comparador sin Histéresis

Comparador sin histéresis

Fuente:Pxhere

Aquí hay un circuito comparador estándar sin histéresis. Para este circuito, la red divisoria de tensión, Rx y Ry, crea la tensión umbral mínima utilizada por el curso. Entonces, el comparador evalúa y compara el rango de voltaje de entrada (Vin) con el voltaje de umbral fijo (Vth) para encontrar la relación entre el voltaje.

Ahora, conectar el voltaje de alimentación de entrada (que desea comparar) a la entrada inversora del circuito crea una salida con polaridad invertida.

Por lo tanto, cada vez que la diferencia de voltaje de la corriente de polarización de entrada sea más significativa que el umbral, la salida se moverá más cerca del suministro negativo. Asimismo, la salida del comparador se movería más cerca de los rieles de suministro positivo si el punto es más alto que el voltaje de referencia de entrada.

Si bien esta técnica tiene sus beneficios, como decidir si una señal está por encima de un umbral establecido, tiene un problema. El ruido en la señal de entrada puede crear múltiples transiciones tanto por encima como por debajo del punto fijo, lo que desencadena resultados fluctuantes.

La salida de un comparador sin histéresis

Puede ver las múltiples transiciones en el diagrama anterior. Imagine la señal de entrada como un parámetro de temperatura y la salida como una aplicación de temperatura crítica para hacer las cosas más transparentes. Ahora, es posible que la señal de salida inconsistente no le proporcione los resultados deseados.

O imagine que necesita la salida de un comparador para hacer funcionar un motor o una válvula. La señal fluctuante activaría o desactivaría la válvula varias veces en situaciones críticas de umbral.

Afortunadamente, este es un problema que la histéresis resuelve, ya que contrarresta por completo la señal inestable al cambiar los umbrales y brinda algún tipo de inmunidad al ruido.

Comparador con Histéresis

Circuitos comparador con Histéresis

Ahora, aquí hay un diagrama del circuito comparador con Histéresis. Aquí, la resistencia RH se enfoca en el nivel de umbral de la Histéresis. Entonces, cada vez que el voltaje de salida se vuelve lógico alto (5V), el RH se pondrá en paralelo con Rx. Por lo tanto, permite que la corriente continua adicional fluya hacia Ry y aumenta el límite del umbral (VH) a 2.7v. Además, la respuesta de salida no cambiará a lógica baja si la corriente de entrada no es superior al voltaje de umbral (2,7 V).

Sin embargo, cuando la salida está en nivel lógico bajo, Rh se vuelve paralelo a Ry. Por lo tanto, se reduce la corriente que fluye hacia Ry y se reduce el voltaje de umbral a 0 2.3v. Ahora, para volver a la lógica alta (5 V), la señal de entrada debe ser inferior a 2,3 V.

Diseño de Comparador de Histéresis

Entonces, para desglosar el diseño del comparador de histéresis, veremos los esquemas, los componentes y el diseño.

Esquemas

Echa un vistazo al siguiente diagrama:

Esquema del circuito del comparador de histéresis

Componentes electrónicos necesarios

• (1) Placa de circuito impreso (PCB)
• Comparador (aquí, puede usar cualquier comparador. Por ejemplo, usamos un TLV3201 para aplicaciones de baja potencia. Este comparador tiene una corriente de reposo baja)
• resistencias de película metálica estándar (0,1 %)

Requisitos de diseño

• Tensión de alimentación de +5v
• Entrada de 0v a 5v

Diseño del comparador de histéresis

Fórmulas de diseño del comparador de histéresis

Para los diseños, podemos usar las ecuaciones (1) y (2) para seleccionar los valores de resistencia para crear sus voltajes de umbral de histéresis (es decir, VH y VL). Además, deberá elegir un RX con un solo valor.

Determinamos que nuestro RX tendría una calificación de 100k. Elegimos esta calificación para que RX trabajara para minimizar el consumo actual. Por otro lado, implementamos Rh con un valor de 576k. Por lo tanto, confirmamos las ecuaciones (1) y (2) en el apéndice A:Rh/Rx =VL/VH – VL.

Palabras finales

Los comparadores son útiles cuando se trata de diferenciar entre dos niveles de señal. Por ejemplo, puede usar un comparador para distinguir entre condiciones normales y de exceso de temperatura.

Además, la variación de ruido o señal en el umbral de comparación da como resultado múltiples transiciones. Entonces, la ventaja de la histéresis en un circuito comparador es que fija un punto superior e inferior para resolver el problema de las numerosas transiciones.

Bueno, eso concluye este artículo; Si tiene alguna pregunta, no dude en contactarnos.