Diseñe un circuito que apague la salida entre dos niveles de voltaje de entrada

Perdón por la imagen en mal estado de las características de transferencia

Los circuitos para las tres etapas del voltaje de entrada se pueden dibujar fácilmente, pero estoy confundido acerca de cómo hacer que el circuito "identifique" los voltajes.

Por ejemplo, ¿cómo puedo apagar la salida exactamente entre -3V y +5V? ¡Por favor, ayúdame!

Esto se puede hacer con el llamado detector de ventana: en.wikipedia.org/wiki/Window_detector
Estoy de acuerdo, usa un comparador de ventanas
Gracias por la sugerencia. ¿Puede distinguir el circuito para las características de transferencia dadas?
Esto parece tarea. No estamos aquí para hacer la tarea por usted. Ese es tu trabajo.
Este es un examen del año pasado y estamos resolviendo para el examen de mañana. Al menos podría dar algunas pistas para la porción entre -3V y +5V
¿Cuál es el rango del voltaje de entrada? Es decir, ¿qué tan negativo y qué tan positivo llega?
@Viki, ya te hemos dado pistas. Busque comparadores de ventana. ¡HAGA UN TRABAJO POR SU CUENTA!
@derstrom8 Por supuesto que lo haré. ¡No hay ABSOLUTAMENTE NADA de qué preocuparse!
Sugerencia importante: un comparador de ventanas no tiene nada que ver con la solución que espera su instructor.
^¡Exacto! Estamos destinados a usar solo amplificadores operacionales, diodos y resistencias
@Viki Puede usar amplificadores operacionales como comparadores. Puede crear un comparador de ventanas usando dos de ellos.
@ destrom8, sin embargo, no se necesita un comparador de ventanas para resolver el problema.
Hmmm... Parece que he pasado por alto algo, que es que cuando Vin tiene una rotación positiva, Vout tendrá una pendiente de 1 hasta que Vin llegue a -3 voltios, cuando la pendiente de Vout llegue a cero. Luego permanece en cero hasta que Vin llega a 5 voltios, luego cambia a 2 a medida que Vin se vuelve más y más positivo. ¿Está bien? Si es así, tendré que editar mi respuesta ya que Vout muestra una pendiente de cero para cualquier valor de Vin entre cero voltios y 5 voltios, y una pendiente de 1 en cualquier otro lugar.
@EMFi: en realidad, la pendiente es 1/2, no 2, para Vin> 5.

Respuestas (3)

Eche un vistazo a los diodos Zener para proporcionar las referencias de +5 y -3 V. Puede organizarlos para restarlos del voltaje de entrada. Por ejemplo, se puede usar un zener de 5 V para crear (Vin - 5).

Después de restar las compensaciones de 5 V y 3 V, puede usar divisores de resistencia para obtener cualquier pendiente < 1.

Agregado:

Ha pasado suficiente tiempo y aparentemente el OP se ha verificado, así que aquí está la respuesta:

Aquí D3 y D4 son diodos ideales. Si realmente desea construir esto, use algo como 1N4148 para D3 y D4, y haga que los voltajes zener sean aproximadamente 600 mV menos para compensar las caídas de diodo.

Agregado en respuesta a los comentarios de EM Fields

El OP solicitó cambiar a "exactamente" -3 y +5 V. Eso no es una especificación en absoluto. Si realmente quiso decir exactamente , entonces ningún circuito es suficiente. Dado que todo, por necesidad, violará esa especificación, no tenemos forma de saber hasta qué punto está bien. No sabes si unos pocos 100 mV son lo suficientemente buenos o no. Nuevamente, "exactamente" es una especificación sin sentido, por lo que solo puede ignorarse.

En cuanto a su segundo punto, creo que está interpretando el gráfico incorrectamente. El gráfico es bastante claro en cuanto a que Vout debe ser 0 para Vin de -3 a +5 voltios. Específicamente, aquí está la función descrita por el gráfico y que realiza el circuito anterior:

Vsal = Vin + 3 (Vin < 3)
Vsal = 0 (-3 <= Vin <= 5)
Vsal = (Vin - 5)/2 (Vin > 5)

Dices que el dibujo del OP es incorrecto, pero no veo cómo puedes saberlo, ya que es la única especificación que tenemos, y es bastante claro por sí mismo.

Observe que la gráfica dada en la pregunta es vout vs vin, no I vs V.
@thep: Sí, soy consciente de eso. Todo el problema se puede resolver con unos pocos diodos y resistencias. Aquí no es necesario abusar de los comparadores de ventanas.
@OlinLathrop: ¿Tienes un circuito que puedas publicar?
@EMFi: Por supuesto, pero publicarlo sería hacer la tarea del OP por él. Si se esfuerza un poco y lo intenta, tal vez pueda hacerle más sugerencias. Pero en este punto, es el turno del OP de mostrar algo de esfuerzo.
Bueno, ya pasó la fecha de caducidad, así que ¿qué tal si nos enseñas lo que tenías en mente?
Eso parece estar mal en un par de niveles, el primero es que el OP solicitó cambiar los puntos exactamente a -3 voltios y 5 voltios y nunca llegarás allí con las rodillas descuidadas de Zener. La segunda es que se supone que Vout sigue a Vin hasta que Vin llega a -3 voltios, luego se supone que Vout sube a 0 voltios y permanece allí hasta que Vin llega a 5 voltios, cuando se supone que Vout sube a 5 voltios, como este. Sí, el dibujo del OP está mal.
@EMFi: vea la adición a la respuesta.
No estoy seguro de que este enlace funcione, pero esta es una simulación.
Ah, excelente, el enlace funcionó.
Lo siento, Olin, pero la pendiente se define como metro = Δ Y Δ X , así que te equivocas en eso. (Google es tu amigo). En su segundo punto, si se supone que Vout sigue a Vin y luego baja a cero voltios cuando Vin se vuelve un poco más positivo que -3 voltios, me sorprende que no pueda ver un cambio abrupto en Vout de casi -3 voltios a cero voltios no es un cambio de paso. Lo mismo es cierto cuando Vin sube un poco más de 5 voltios y Vout luego salta de cero voltios a +5 voltios.
@EMFi: Ni siquiera puedo adivinar de dónde sacas eso, pero tu descripción es simplemente incorrecta. No hay cambios de paso en la especificación de OP de Vout como una función de Vin.
Considero que "Exactamente", como lo usa el OP, significa "lo más cerca que se puede esperar razonablemente", y usar comparadores es ciertamente mucho más razonable, en ese contexto, que los diodos Zener. Además, su circuito simplemente no funciona si se supone que debe cumplir con los requisitos escritos del OP para Vout VS Vin.
Me parece obvio que si Vout va de, digamos, -10 voltios a -3 voltios linealmente y luego salta repentinamente a cero voltios, que es lo que pedía el OP, eso es muy diferente de lo que hace su circuito. YMMV.
@EMFi: No, eso NO es lo que pide el OP. No hay cambios de paso en el gráfico del OP. Es continua en -3 y +5.
Sí, pero el gráfico está mal. Si no me cree, haga un gráfico cartesiano de cuatro cuadrantes, lineal tanto en X como en Y, y grafique Vin y Vout en él usted mismo. Notarás que es notablemente similar a la que publiqué anteriormente en un enlace , pero que menospreciaste, al igual que tu inclinación, a menos que tengas algo metido en la garganta. E incluso entonces no reconoces el error, simplemente te callas.
@EMFi: el OP no ha dejado absolutamente ninguna evidencia que sugiera que la especificación es diferente a lo que dice el gráfico. Solo estás inventando cosas.
Eche otro vistazo al gráfico del OP. Si Y es cero voltios cuando X está entre -3 y 5 voltios, ¿cuál es Y cuando X es un poco más positivo que 5 voltios?
@EMFi: solo un poco más positivo que 0, específicamente (X- 5)/2.

Este tipo de pregunta normalmente surge en una clase de teoría de circuitos, donde podemos pretender que existen cosas como amplificadores operacionales ideales y diodos ideales. Como no ha dicho lo contrario, asumiré que ese es el contexto de su pregunta.

Si bien no le hará daño saber qué es un comparador de ventanas (mencionado por varias personas en los comentarios), probablemente esa no sea la solución que busca su instructor.

Algo más como esto puede ser un componente básico en una respuesta que probablemente satisfaga a su instructor:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

D2 y D3 son diodos zener. Dependiendo de dónde se encuentre en su curso, es posible que deba colocar fuentes de voltaje ideales en estas ubicaciones en lugar de diodos zener.

D1 y D4 son diodos ideales (0 voltaje directo). Están allí para evitar que los zeners conduzcan de ánodo a cátodo (o para evitar que la corriente pase por el "camino equivocado" si ha sustituido las fuentes de voltaje por los zeners).

OA1 es un amplificador operacional ideal. En particular, este amplificador operacional no tiene límites en el voltaje de entrada o salida debido a su voltaje de suministro finito.

Puede ver que en esta solución, no hace nada especial para suprimir la salida cuando el voltaje de entrada está cerca de cero. Simplemente haga arreglos para que no se produzca ninguna salida hasta que el voltaje de entrada exceda algún umbral en la dirección negativa o positiva.

Has estado aquí lo suficiente como para saber que no debes limitarte a dar respuestas a los problemas de tarea. Dígales cómo proceder, pero no les diga la respuesta. En cualquier caso, esta respuesta es incorrecta.
@OlinLathrop, no habría dado tantos detalles si no fuera por los comentarios que alejaron a OP de la respuesta "correcta" (en contexto).
En cuanto a ser incorrecto, tiene razón en que esto no da el resultado exacto. Eso se soluciona fácilmente con un circuito adicional que, con suerte, OP puede resolver por sí mismos. Editaré para aclarar.
Mi objeción a su circuito es lo que está haciendo el amplificador operacional, no lo que están haciendo los diodos y las resistencias. Tenga en cuenta que la ganancia no se requiere en ninguna parte, y especialmente no la ganancia negativa.
Ahora que estamos dando respuestas completas, puedo ser más directo al explicar cuál es el problema con su respuesta. Tienes la idea general correcta, pero tu Vin to Vout está invertido. Tenga en cuenta que el gráfico de OP muestra cero de salida positiva para entrada positiva, y viceversa.
@OlinLathrop, que se arregla fácilmente con un circuito adicional (otro amplificador inversor). Es cierto que mi solución cuesta más que la suya, pero nuevamente estoy asumiendo el contexto de una clase de teoría de circuitos donde no se considera el costo y preferiría tener una solución general al problema de las funciones de transferencia lineales por partes, y podría adaptarse a casos donde se necesita ganancia > 1, por ejemplo.

Si su instructor espera que use amplificadores operacionales, utilícelos como comparadores.

El siguiente es un circuito que usa comparadores para hacer lo que quiere, pero puede sustituir fácilmente los amplificadores operacionales. Así es como funciona:

V1 es el suministro de 10 voltios y V2 es la señal de entrada y, al no tener información de lo contrario, asumí, por el bien del argumento, que V2 puede variar de - 10 voltios a + 10 voltios.

U1A y U1B son los dos comparadores que comprenden un LT1018, y no se permite que sus entradas vayan a más de 300 milivoltios bajo tierra, por lo que si se usa un suministro de 10 voltios para V1, entonces con R4 y R5 ambos iguales a 10k, cuando V2 está a -10 voltios, el voltaje en la unión R4-R5 será de cero voltios.

Entonces, dado que V2 solo puede ser más positivo que -10 voltios, se evita el problema de conducir las entradas de los comparadores bajo tierra cuando V2 es negativo.

A continuación, se deben determinar los puntos de conmutación, que serán los voltajes en la unión R4-R5 (V4) cuando V2 es igual a menos 3 voltios y cuando es igual a 5 voltios.

Para encontrarlos podemos escribir:

V 4 = ( V 1 − V 2 ) × R 5 R 4 + R 5 + V 2

Entonces, Con V2 igual a menos 3 voltios tendremos:

V 4 = ( V 1 − V 2 ) × R 5 R 4 + R 5 + V 2 = 13 V × 10 k Ω 20 k Ω − 3 V = 3.5  voltios

De manera similar, cuando V2 es igual a 5 voltios, V4 será igual a 7,5 voltios.

Para generar estos voltajes, usamos la cadena de resistencias R1, R2, R3 como divisor de voltaje, forzamos arbitrariamente 1 miliamperio a través de ella y seleccionamos las resistencias para producir los voltajes de punto de disparo que necesitamos para U1A y U1B.

Dado que V1 es de 10 voltios y necesitamos 7,5 voltios para nuestro punto de disparo alto, R1 necesita disminuir la diferencia, 2,5 voltios, con 1 miliamperio a través de R1. Usando la ley de Ohm podemos escribir:

R 1 = V 1 − 7.5 V 1 metro A = 2500  ohmios

Seleccionando el valor E96 más cercano, elegiremos 2490 ohmios para R1

Con la parte inferior de R1 a 7,5 voltios y nuestro próximo punto de conmutación a 3,5 voltios, necesitaremos bajar 4 voltios a través de R2, y con 1 miliamperio a través de él, el valor E96 más cercano a 4000 ohmios será 4020 ohmios.

Finalmente, con los 3,5 voltios restantes que quedan por caer a través de R3, el valor E96 más cercano a 3500 ohmios será 3480 ohmios.

Ahora, cuando V2 cambia de -10 a +10 voltios, cuando arranca, U1B+ será más positivo que U1b-, forzando la salida de U1B a un nivel alto. Eso encenderá S2, conectando V2 a R10. Además, dado que U1A+ será menos positivo que U1A-, la salida de U1A se forzará a un valor bajo, desactivando S1.

Este estado de cosas continuará hasta que V2 sea más positivo que -3 voltios, momento en el que U1B- será más positivo que U1B+, lo que obligará a que la salida de U1B sea baja y apagará S2. En este punto, tanto S1 como S2 se apagarán y Vout bajará a tierra a través de R10.

A medida que V2 continúa siendo cada vez más positivo, eventualmente llegará a 5 voltios, momento en el que U1A+ será más positivo que U1A- y la salida de U1A será alta, lo que encenderá S1 y conectará la unión de R8 y R9. a U2+.

Como V2 y V3 ahora estarán a 5 voltios, U2+ también estará a +5 voltios, y como U2 es un seguidor de voltaje de ganancia unitaria, su salida será a 5 voltios, que se conectará a R10 a través del conector ahora cerrado. S2.

R8 y R9 comprenden un divisor de voltaje 2:1 porque R8 y R9 tienen resistencias iguales, y con su derivación conectada a U2+, cuando V2 sube por encima de 5 voltios, el voltaje en U2+ aumentará a la mitad de esa tasa, satisfaciendo el requisito de la pendiente. en Vout por encima de 5 voltios.

Entonces, el resultado de todo esto es que V2 estará conectado a R8 desde el momento en que V2 esté entre -10 voltios y -3 voltios. Después de eso, cuando V2 sea más positivo que -3 voltios, R8 se desconectará de V2 y Vout se ajustará a cero voltios hasta que V2 llegue a 5 voltios, cuando R8 se conectará a la salida de U2 y se ajustará a +5 voltios. . A partir de entonces, V2 permanecerá conectado a la salida de U2 mientras V2 permanezca más positivo que 5 voltios.

El esquema sigue, y si quiere jugar con el circuito, aquí está el archivo .asc de LTspice para que pueda simularlo.

ingrese la descripción de la imagen aquí

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