Comment faire fonctionner un comparateur d'opamp en mode déclencheur schmitt?

Je veux contrôler un petit ventilateur de boîtier 12V. Je vais définir des valeurs de R ₁ , R ₂ et R ₃ pour que le ventilateur fonctionne au-dessus des températures de 40 ^o C.

Je comprends que dans ce type de systèmes, il y aura une région indécise dans laquelle la sortie du comparateur passera rapidement de haut en bas. Dans ce cas pratique, lorsque la température est voisine de 40 ^o C, il y aura un comportement instable.

Existe-t-il un moyen de faire fonctionner ce circuit en mode de déclenchement schmitt (par exemple, arrêter en dessous de 38 ^o C, démarrer au-dessus de 42 ^o C et garder l'état précédent entre 38 ^o C et 42 ^o C) en le modifiant le moins possible, et sans utiliser de porte logique de déclenchement schmitt.

Pour créer un déclencheur Schmitt, vous devez fournir une rétroaction positive, de la sortie de l'ampli op à l'entrée non inverseuse. Habituellement, cette entrée sera la tension de seuil, et elle prendra l'une des deux valeurs (c'est l'hystérésis) en fonction de la sortie de l'ampli op.

Dans votre cas, vous avez le signal sur l'entrée non inverseuse. Vous pouvez également le faire fonctionner de cette façon, mais je vous suggère de commuter les deux entrées, et également d'échanger R1 et PTC ont toujours le même comportement: une résistance PTC plus élevée diminuera l'entrée inverseuse, et lorsqu'elle atteindra le seuil, le ventilateur sera allumé. Faisons donc cela et ajoutons un R5 de sortie au nœud R2 / R3.

Vous mentionnez l'hystérésis en ° C, mais nous avons besoin des tensions. Faisons un calcul théorique avec un et comme seuils, et supposons un ampli op de sortie rail à rail. Ensuite, nous avons deux situations: le seuil haut et le seuil bas, et trois variables: R2, R3 et R5 ajouté. Nous pouvons donc choisir l'une des résistances, réparons R2.$V_H$$V_L$

Maintenant, en appliquant KCL (la loi actuelle de Kirchhoff) pour le nœud R2 / R3 / R5:

$\dfrac{12 V - V_L}{R3} + \dfrac{0 V - V_L}{R5} = \dfrac{V_L}{R2}$

et

$\dfrac{12 V - V_H}{R3} + \dfrac{12 V - V_H}{R5} = \dfrac{V_H}{R2}$

Il s'agit d'un ensemble d'équations linéaires à deux variables: R3 et R5, qui est facile à résoudre si vous pouvez remplir les tensions réelles pour et et un R2 librement choisi.$V_H$$V_L$

Supposons pour l'argument que, à 38 ° C, vous avez 6 V sur l'entrée inverseuse, et à 42 ° C, vous aurez 5 V. Choisissons une valeur 10 k pour R2. Ensuite, les équations ci-dessus deviennent $\Omega$

$\begin{cases} \dfrac{12 V - 5 V}{R3} + \dfrac{0 V - 5 V}{R5} = \dfrac{5 V}{10 k\Omega} \\ \\ \\ \dfrac{12 V - 6 V}{R3} + \dfrac{12 V - 6 V}{R5} = \dfrac{6 V}{10 k\Omega} \end{cases}$

ou

$\begin{cases} \dfrac{7 V}{R3} - \dfrac{5 V}{R5} = \dfrac{5 V}{10 k\Omega} \\ \\ \\ \dfrac{6 V}{R3} + \dfrac{6 V}{R5} = \dfrac{6 V}{10 k\Omega} \end{cases}$

puis après avoir remplacé et mélangé, nous trouvons

$\begin{cases} R3 = 12 k\Omega \\ R5 = 60 k\Omega \end{cases}$

J'ai déjà dit que c'était moins courant, mais vous pouvez également utiliser le schéma actuel, et les calculs sont similaires. Encore une fois, ajoutez une résistance de rétroaction R5 entre la sortie et l'entrée non inverseuse. Maintenant, l'entrée de référence est fixée par le rapport R2 / R3, et l'hystérésis va déplacer votre tension mesurée de haut en bas, ce qui - au moins pour moi - a besoin d'un peu de temps pour s'y habituer.

Supposons que nous fixions la tension de référence à 6 V en égalisant R2 et R3. Encore une fois, nous calculons les courants au nœud PTC / R1 / R5, où PTC et PTC sont les valeurs PTC à 38 ° C et 42 ° C respectivement, et R1 et R5 sont nos inconnues. alors $_L$$_H$

$\begin{cases} \dfrac{6 V}{PTC_H} = \dfrac{12 V - 6 V}{R1} + \dfrac{0 V - 6 V}{R5} \\ \\ \\ \dfrac{6 V}{PTC_L} = \dfrac{12 V - 6 V}{R1} + \dfrac{12 V - 6 V}{R5} \end{cases}$

Encore une fois, résolvez pour R1 et R5.

Vous devez ajouter quelques résistances de rétroaction positive pour ajouter une hystérésis à l'ampli-op.

Source d'image

C'est l'équation la plus générale au nœud qui provient de la loi actuelle de Kirchhoff:$V_{in}$

$\dfrac{V_{in} - V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{in} - V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{in} - V_{out}}{R_f} = 0$

D'après les caractéristiques de l'ampli op, nous savons que:

Vin <= VIL ==> Vout = VOL (Low  State)
Vin >= VIH ==> Vout = VOH (High State)

Nous pouvons donc écrire deux équations distinctes pour ces deux états.

$\dfrac{V_{IL} - V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{IL} - V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{IL} - V_{OL}}{R_f} = 0 \\ \dfrac{V_{IL}}{R_1 // R_2 // R_f} = \dfrac{V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{OL}}{R_f} \\ V_{IL} = (R_1 // R_2 // R_f) \left[ \dfrac{V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{OL}}{R_f} \right] \\ V_{IH} = (R_1 // R_2 // R_f) \left[ \dfrac{V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{OH}}{R_f} \right] \\ $

Exemple:

R1  = 100k
R2  = 100k
Vdd = +15V
Vss = -15V
VOH = +13V
VOL = -13V

% Matlab code for the plotting

R1              = 100000;
R2              = 100000;
Vdd             = +15;
Vss             = -15;
VOH             = +13;
VOL             = -13;

RMIN            = 10000;        % 10k
RMAX            = 10000000;     % 10M
VMIN            = -10.0;
VMAX            = +10.0;
POINTS          = (RMAX - RMIN) / 100;

Rf              = linspace(RMIN, RMAX, POINTS);
VIL             = zeros(1, POINTS);
VIH             = zeros(1, POINTS);

for i = 1 : 1 : POINTS
    VIL(i) = 1 / ((1/R1) + (1/R2) + (1/Rf(i))) * ((Vdd/R1) + (Vss/R2) + (VOL/Rf(i)));
    VIH(i) = 1 / ((1/R1) + (1/R2) + (1/Rf(i))) * ((Vdd/R1) + (Vss/R2) + (VOH/Rf(i)));
end;

close all;
hFig = figure;
hold on;
plot([0 10], [0 0], 'Color', [0.75 0.75 0.75]);
plot(Rf/1000000, VIL, 'Color', [0 0 1]);
plot(Rf/1000000, VIH, 'Color', [1 0 0]);
xlim([RMIN/1000000, RMAX/1000000]);
ylim([VMIN, VMAX]);
xlabel('R_f (M\Omega)');
ylabel('VIL & VIH (V)');
hold off;

Comme indiqué précédemment, l'utilisation de la rétroaction est la clé pour archiver l'hystérésis en utilisant des amplificateurs opérationnels.

Cet article d'Albert Lee montre de manière pratique comment le faire et comment faire les calculs pour calculer les niveaux d'hystérésis souhaités sur le système.