Establezca un voltaje de referencia: usar un diodo zener versus usar un búfer

Dado el siguiente circuito comparador de histéresis:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

R1, R2 y OA1 se utilizan para establecer un voltaje de referencia para el comparador con histéresis OA2. El circuito funciona bien, pero me preguntaba si podría haber una forma mejor (o más inteligente) de configurar Voffset sin usar un amplificador operacional "caro" (o precioso, si lo desea). ¿Usar un diodo Zener de 6 V en paralelo con R2 sería una mejor opción, por ejemplo? ¿Qué problemas podría causar? Si tiene otras opciones, señale las ventajas y desventajas en comparación con el circuito propuesto.

Lo siento, me acabo de dar cuenta de que algunas especificaciones más podrían ayudar:

  1. Voffest debe estar alrededor de 6V con una tolerancia de +-0.5V.

  2. La fuente de alimentación es una batería, en lo que respecta a mis pruebas, un +-1V en el riel de suministro debería cubrir la mayoría de los escenarios.

  3. Hice algunas pruebas con algunos LM741CN de repuesto que tenía por ahí. La velocidad no es un requisito. El terminal V+ está conectado a 12 V y el V- está conectado directamente a tierra.

  4. La ventana de histéresis debe ser de aproximadamente 5V +-1V, que es aproximadamente lo que obtuve con mis breves pruebas.

No se puede optimizar un diseño sin especificaciones. No nos dejes adivinar. ¿Cuáles son los umbrales de conmutación necesarios y las tolerancias? ¿Sus amplificadores operacionales son de riel a riel o no? éstas también son fuentes de error de umbral.
@TonyStewart.EEsince'75 Agregué algunas especificaciones. No creo que se necesiten amplificadores operacionales de riel a riel ya que en Vout necesito una señal lógica de 12V o 0V.
Dado que sus especificaciones son lo suficientemente laxas ( ± 1 V ) en la histéresis, y dado que está considerando la idea de ahorrar un amplificador operacional "caro", ¿por qué no usar un par de BJT discretos y cinco o seis resistencias y terminar con eso? Piezas mucho más baratas, ampliamente disponibles, etc.
@jonk, ¿podría proporcionar la solución con una respuesta y los esquemas? No pude hacer una ventana de histéresis similar usando BJT. Sin embargo, mi punto principal de la pregunta fue: "¿Hay una forma más inteligente de configurar Voffset?"
@mickkk Ya tiene algunas sugerencias (con las que estoy de acuerdo) sobre cómo configurar su voltaje de compensación sin un opamp si está buscando deshacerse de un opamp. Si está enfocado en mantener solo un opamp, entonces las resistencias adicionales apropiadas son el camino a seguir. Todavía no tiene un esquema para eso aquí, pero no es difícil de configurar y EE.SE ya tiene muchos ejemplos en preguntas antiguas. Sin embargo, puede hacer una ventana de histéresis ENORME con BJT. Es más descuidado porque los BJT varían un poco. Pero tus especificaciones lo hacen factible, creo. ¿En qué dirección vas?
@jonk Creo que voy a intentar agregar algunas resistencias como sugirió WhatRoughBeast. Mañana voy a hacer otra prueba. Eché un vistazo a algunos circuitos con BJT con histéresis, pero por alguna razón no pude cumplir con mis especificaciones, lo miraré más de cerca de todos modos, ¡gracias!
@mickkk Podría proporcionar ese circuito, si está interesado.
@jonk por favor hazlo, ¡eso ayudaría!
@mickkk Está bien. Me pondré a ello en breve.
@mickkk Esta especificación no es adecuada. Defina umbrales explícitos de 12 V cuando el nivel de SALIDA cambie entre "0" y "1" con una tolerancia e indique la elección de Vref. Esto se puede hacer fácilmente con 1 OA. Tenga en cuenta que xx741 tiene un desplazamiento de saturación de 1 a 3 V de ambos rieles con una carga de >10K.
@TonyStewart.EEsince'75 Sí. La especificación es bastante floja en los detalles. :) Pero puedo trabajar con eso y dejar que el OP se preocupe por los detalles, más tarde.
Prefiero hacerlo bien la primera vez con buenas especificaciones para que la tolerancia, la simetría, las salidas y los umbrales de entrada estén bien definidos. De lo contrario, es muy inexacto y 1 cambio puede afectar todos los valores de R. La precisión es barata si se hace bien. de lo contrario, use un cambio de nivel con diodos y use una puerta lógica de inversor Schmitt de 3.3V con histéresis de 1V

Respuestas (3)

Yo mismo he usado este circuito para todo, desde detectar humedad alrededor de los inodoros (allí, usando resistencias en el área de alrededor 2.2 − 4.5 METRO Ω ) a casi todo lo que necesito.

Hay tres parámetros que varían significativamente con un BJT: β , I S A T (que afecta V B mi ) y la temperatura (que afecta a ambos). He probado el circuito con piezas aleatorias listas para usar con buen éxito, siempre que los requisitos no sean demasiado precisos. Los tuyos no lo son. Así que no debería haber mucho problema aquí.

He arreglado cosas para proporcionar sobre 5 V de ancho de banda de histéresis y lo he centrado en el medio de su riel de suministro. (Estoy asumiendo sobre 12 V para el riel de suministro, pero nuevamente no tiene que ser un valor de precisión).

Aquí está el circuito:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Simule esa cosa antes de construirla y vea lo que obtiene. A ver si adiviné lo que querías conseguir. Jugar con R 6 , hacia arriba o hacia abajo hasta el siguiente valor cercano, para ver cómo se mueve la banda.

Funcionará bien en un rango de voltaje de suministro suficientemente amplio. Dados los valores que usé antes para R 3 y R 4 , la salida no llegaría completamente al riel de suministro. Entonces, para cerrarlo, reduje sus valores para ti.

Aquí hay una ejecución de Spice usando múltiples voltajes de fuente ( 12 V , 13 V , y 14 V ), y haciendo un rango de factor de tres rango en β y un factor de tres en la corriente de saturación (que afecta V B mi .) Tampoco se considera que los dos BJT sean iguales. Se varían de forma independiente. Puede ver cómo se ve afectada la histéresis y cómo se ve el voltaje de salida también:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Agregar variaciones de temperatura hizo que LTspice se quejara de demasiadas dimensiones de variación, así que no agregué eso. Pero hice algunas ejecuciones para asegurarme de que el comportamiento que se muestra en la imagen de arriba sigue siendo similar y lo hace.

Es barato, funciona razonablemente bien y califica para su ± 1 V especificaciones, incluso considerando variaciones sustanciales. Pero no le dará el comportamiento predecible de un opamp.

También cambie los valores de 12V con la batería que suministra los 12V

Si está dispuesto a trabajar un poco más, y el "voltaje de compensación" es conocido y fijo, no hay necesidad del búfer. En su lugar, calcule el equivalente de Thevenin para obtener tanto el voltaje como la impedancia, luego reste la impedancia de Thevenin de R4.

Todo esto, por supuesto, asume que la estabilidad del suministro de 12 voltios es adecuada para el umbral de precisión que necesita.

Sí, Voffset debe ser de 6 V, mejor si es fijo. Por eso pensé en un diodo Zener que también podría evitar la fluctuación del voltaje de suministro (la fuente de alimentación es una batería de 12V). Oh, no pensé en eso, déjame intentarlo también.

Considerar

Vbat = 12 V puede cambiar de 11,5 V cuando está muerto a 14,2 V cuando se está cargando

Digamos que la salida sube "1" cuando Vbat > 12 V y baja "0" a 11,5 V con una tolerancia del 2 % y tiene una referencia de banda prohibida de 2,5 V. o 9V LDO

Si los niveles de salida cambian con el suministro de Vbat, entonces no es muy preciso no porque sea solo un nivel lógico, sino porque es una posición analógica. retroalimentación que controla los umbrales. Por lo tanto, lo haría mejor con un LDO para suministrar el "comparador analógico" para obtener comentarios y referencias estables.

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