|
Een comparator is zo gevoelig dat de uitgang al omklapt als de ingangsspanning een paar millivolt groter wordt dan de referentie. Als dat een probleem is, kunt u door het invoegen van een hysteresis de gevoeligheid van de comparator verlagen. |
Wat is hysteresis?
De hoge gevoeligheid is een probleem
De eenvoudige comparatorschakeling uit het artikel De op-amp als comparator is zo gevoelig, dat u af en toe maatregelen moet treffen om die gevoeligheid enigszins te temperen. Een spanningsverschil van een paar mV tussen de ingangsspanning en de referentie is voldoende om de uitgang van + naar - te laten omslaan.
Een voorbeeld uit de praktijk
Soms kan het voorkomen dat er wat rimpel of ruis op de te compareren spanning zit, kijk maar naar onderstaande figuur. Bij dit voorbeeld wordt de ingangsspanning afgeleid van een niveaudetector van een vloeistoftank. De comparator moet gebruikt worden om het bereiken van een bepaald vloeistofniveau in de tank te detecteren. Het vol stromen van de tank veroorzaakt uiteraard golfjes op het oppervlak van de vloeistof en het instrument dat het niveau omzet in een spanning reageert ook op de golfjes. Vandaar dat de spanning die uit de tank komt niet gladjes stijgt met het stijgen van het niveau, maar vrij rimpelig. Ieder golfje in de tank veroorzaakt een rimpel op de spanning. Zolang deze spanning veel lager is dan de referentiespanning is er niets aan de hand. De uitgang van de comparator is negatief. Als het vloeistofniveau in de buurt van de drempelwaarde komt, zal ook Uin de referentie Uref benaderen. Door de rimpels op de ingangsspanning zal de uitgang van de comparator een aantal malen achter elkaar omschakelen. De rimpels zorgen er nu immers voor dat de ingangsspanning de ene keer net boven en de volgende keer net onder de referentie zit.
 |
| De noodzaak van hysteresis wordt verduidelijkt aan de hand van dit voorbeeld. (© 2017 Jos Verstraten) |
Dat diverse malen omschakelen van de uitgangsspanning kan zeer ongewenst zijn en vandaar dat men een speciale schakeling heeft verzonnen die eenduidig reageert op het overschrijden van een bepaalde drempel. Dat is de comparator met hysteresis, waarvan het schema getekend is in onderstaande figuur. Het enige verschil met de schakeling zonder hysteresis is een extra weerstand, geschakeld tussen de uitgang van de op-amp en de positieve ingang.
 |
| Het schema van een comparator met hysteresis. (© 2017 Jos Verstraten) |
Experimenteer mee met deze cursus!
U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:
Hobby-lab: bouw een analoge trainer
De comparator met hysteresis op uw experimenteerprint
In onderstaande figuur is voorgesteld hoe u de schakeling op uw experimenteerprint kunt opbouwen.
 |
| De comparator met hysteresis op uw experimenteerprint. (© 2017 Jos Verstraten) |
De werking van de hysteresis wordt verduidelijkt aan de hand van de onderstaande grafieken. De te vergelijken spanning wordt nu aangeboden aan de negatieve ingang van de op-amp, de referentie aan de positieve. Stel een referentie in van +5 V, gemeten aan de positieve ingang van de op-amp. Als de ingangsspanning lager is dan is de negatieve ingang van de operationele versterker is de uitgang positief.
De ingangsspanning stijgt, na een bepaalde tijd wordt ze iets positiever dan 5 V. De negatieve ingang van de op-amp wordt positief ten opzichte van de niet-inverterende ingang. De uitgang van de schakeling klapt om, wordt dus -10 V. De weerstanden R2 en R3 vormen een spanningsdeler tussen de referentiespanning en de uitgangsspanning. De uitgang gaat opeens ongeveer 20 V in waarde dalen, er zal over weerstand R3 een grotere spanning vallen. Dat heeft tot gevolg dat de spanning op de positieve ingang daalt. De verhouding van R2 tot R3 zorgt er in dit specifieke geval voor dat de spanning daalt tot +3 V. Het gevolg is dat de ingangsspanning moet dalen tot deze nieuwe referentiewaarde, alvorens de comparator reageert.
 |
| De grafische verklaring van de werking van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het feit dat de comparator nu twee verschillende referentieniveaus heeft, een voor stijgende ingangsspanning en een lagere voor dalende ingangsspanning, noemt men het hysteresisverschijnsel. Het spanningsverschil tussen beide referenties noemt men de hysteresis. De getekende schakeling heeft dus een hysteresis van 2 V.
Voordeel van de hysteresis
Het voordeel van dit systeem is duidelijk. Zou de ingangsspanning rimpels vertonen, dan kunnen die toch niet een herhaaldelijk omschakelen van de uitgang veroorzaken. Immers, de schakeling schakelt om op het moment dat de ingangsspanning voor het eerst de bovenste referentie overschrijdt. Automatisch stelt de comparator een lagere referentie in, de volgende rimpels zitten ver boven de nieuwe referentie en de uitgang van de schakeling blijft stabiel. Hetzelfde gebeurt bij de dalende ingangsspanning.
De transferkarakteristiek
U bent in deze reeks artikelen het begrip 'transferkarakteristiek' al eerder tegengekomen. Deze grafiek geeft het verband tussen de in- en de uitgangsspanning. De transferkarakteristiek van een comparator met hysteresis is getekend in onderstaande figuur. De pijltjes geven aan hoe deze karakteristiek wordt doorlopen. Als u deze grafiek even vergelijkt met de grafieken van de vorige figuur wordt een en ander
duidelijk.
 |
| De transferkarakteristiek van een comparator met hysteresis. (© 2017 Jos Verstraten) |
Zonder het te beseffen bezit u in uw eigen woonomgeving een aantal systemen, die alleen goed kunnen werken dank zij het verschijnsel hysteresis.
Wat dacht u van de thermostaat in uw woonkamer? Zonder een bepaalde hysteresis zou deze de ketel van uw centrale verwarming voortdurend in- en uitschakelen. Als u aan de voordeur een automatisch inschakelende lamp hebt hangen, kunt u er zeker van zijn dat ook daar een comparator met hysteresis ervoor zorgt dat de lamp uw leven al knipperend niet zuur maakt.
|
|