Как мне заставить компаратор работать в режиме триггера Шмитта?

Я хочу управлять маленьким вентилятором на 12В. Я установлю значения R ₁ , R ₂ и R ₃ так, чтобы вентилятор работал при температуре выше 40 ^o C.

Я понимаю, что в системах такого типа будет нерешительная область, в которой производительность компаратора будет быстро меняться от высокой к низкой. В этом практическом случае, когда температура будет около 40 ^o C, будет нестабильное поведение.

Есть ли способ заставить эту схему работать в режиме триггера Шмитта (например, остановить при 38 ^o C, запустить при температуре выше 42 ^o C и сохранить предыдущее состояние между 38 ^o C и 42 ^o C), изменив ее как можно меньше, и без использования логического элемента триггера Шмитта.

Чтобы создать триггер Шмитта, вы должны предоставить положительную обратную связь от выхода операционного усилителя до неинвертирующего входа. Обычно этот вход будет пороговым напряжением, и он будет принимать одно из двух значений (это гистерезис) в зависимости от выхода операционного усилителя.

В вашем случае у вас есть сигнал на неинвертирующем входе. Вы также можете заставить его работать таким образом, но я бы посоветовал вам переключить оба входа, а также поменять местами R1 и PTC: при более высоком сопротивлении PTC инвертирующий вход уменьшится, и когда он достигнет порога, вентилятор будет работать. включен. Итак, давайте сделаем это и добавим R5 из вывода в узел R2 / R3.

$V_H$$V_L$

Теперь, применяя KCL (текущий закон Кирхгофа) для узла R2 / R3 / R5:

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

а также

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

$V_H$$V_L$

$\Omega$

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

или

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

затем после некоторой замены и перетасовки мы находим

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

Я уже говорил, что это менее распространено, но вы также можете использовать текущую схему, и расчеты аналогичны. Снова добавьте резистор обратной связи R5 между выходом и неинвертирующим входом. Теперь эталонный вход фиксируется соотношением R2 / R3, и гистерезис будет сдвигать измеренное напряжение вверх и вниз, к чему - по крайней мере, для меня - нужно немного привыкнуть.

$_L$$_H$

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

Опять решаем за R1 и R5.

Вы должны добавить пару резисторов с положительной обратной связью, чтобы добавить гистерезис к операционному усилителю.

Источник изображения

$V_{in}$

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

Из характеристик операционных усилителей мы знаем, что:

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

Таким образом, мы можем написать два отдельных уравнения для этих двух состояний.

$\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] \\ $

Пример:

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;

Как отмечалось ранее, использование обратной связи является ключом к архивированию гистерезиса с использованием операционных усилителей.

Эта статья от Альберта Ли показывает на практике, как это сделать и как сделать математику для расчета желаемых уровней гистерезиса в системе.