Κανάλι Αναψυχής: Τι είναι; (Και πώς λειτουργεί)

Πεδίο: Βασική ηλεκτροτεχνία

China

Τι είναι ένας χαλαρωτικός ταλαντωτής?

Ο χαλαρωτικός ταλαντωτής ορίζεται ως μη γραμμικός ηλεκτρονικός κύκλος ταλαντωτής που μπορεί να δημιουργήσει μια μη συνημιτονοειδή επαναλαμβανόμενη εξόδο. Ο χαλαρωτικός ταλαντωτής εφηύρθη από τους Henri Abraham και Eugene Bloch χρησιμοποιώντας μια βάκουμ φωτοδιόδου κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου.

Οι ταλαντωτές ταξινομούνται σε δύο διαφορετικές κατηγορίες: γραμμικοί ταλαντωτές (για συνημιτονοειδείς κύματα) και χαλαρωτικοί ταλαντωτές (για μη συνημιτονοειδή κύματα).

Πρέπει να παρέχει επαναλαμβανόμενο και περιοδικό σήμα για μη συνημιτονοειδή κύματα όπως τριγωνικά, τετραγωνικά και ορθογώνια κύματα στην έξοδό του.

Η σχεδίαση του χαλαρωτικού ταλαντωτή πρέπει να περιλαμβάνει μη γραμμικά στοιχεία όπως ο τρανζίστορ, Op-Amp, ή MOSFET και συσκευές αποθήκευσης ενέργειας όπως καταναλωτής και συμπλέκτης.

Για την παραγωγή ενός κύκλου, ο καταναλωτής και ο συμπλέκτης φορτίζονται και αφορτώνται συνεχώς. Η συχνότητα του κύκλου ή η περίοδος ταλάντωσης εξαρτάται από την σταθερά χρόνου.

Πώς λειτουργεί ένας χαλαρωτικός ταλαντωτής;

Ο χαλαρωτικός ταλαντωτής περιέχει συσκευές αποθήκευσης ενέργειας όπως καταναλωτής και συμπλέκτης. Αυτές οι συσκευές φορτίζονται από μια πηγή και αφορτώνται μέσω μιας φορτίας.

Η μορφή του εξοδικού κύματος του χαλαρωτικού ταλαντωτή εξαρτάται από τη σταθερά χρόνου του κυκλώματος.

Ας κατανοήσουμε τη λειτουργία των χαλαρωτικών ταλαντωτών με ένα παράδειγμα.

rc relaxation oscillator — RC Relaxation Oscillator

Εδώ, ένα συμπυκνωτής είναι συνδεδεμένος μεταξύ μιας λάμπας και μιας μπαταρίας. Αυτό το πλήρες κύκλωμα είναι επίσης γνωστό ως κύκλωμα flasher ή RC relaxation oscillator.

Η μπαταρία φορτώνει τον συμπυκνωτή μέσω του αντιστοιχού. Κατά τη διάρκεια της φόρτωσης του συμπυκνωτή, η λάμπα παραμένει σε κατάσταση OFF.

Όταν ο συμπυκνωτής φθάνει στην κατώφλια τιμή του, αφορίζεται μέσω της λάμπας. Έτσι, κατά τη διάρκεια της αφορίας του συμπυκνωτή, η λάμπα λάμπει.

Όταν ο συμπυκνωτής αφορίζεται, ξεκινά να φορτώνεται ξανά από την πηγή. Και η λάμπα παραμένει OFF.

Έτσι, ο προσανατολισμός φόρτωσης και αφορίας του συμπυκνωτή είναι συνεχής και περιοδικός.

Η χρονική διάρκεια φόρτωσης του συμπυκνωτή καθορίζεται από την σταθερά χρόνου. Και η σταθερά χρόνου εξαρτάται από την τιμή του αντιστοιχού και του συμπυκνωτή για το κύκλωμα RC.

Συνεπώς, η συχνότητα λάμψης της λάμπας καθορίζεται από την τιμή του αντιστοιχού και του συμπυκνωτή.

Οι κύματα που περνούν από τη λάμπα είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

rc relaxation oscillator waveform — Κύμα RC Relaxation Oscillator

Για τον έλεγχο του εξόδου κύματος, χρησιμοποιούνται μη γραμμικά στοιχεία στο κύκλωμα.

Διάγραμμα Κυκλώματος Relaxation Oscillator

Το διάγραμμα κυκλώματος relaxation oscillator περιέχει ένα μη γραμμικό στοιχείο για την παραγωγή διαφορετικών τύπων εξόδου κύματος. Σύμφωνα με τη χρήση των μη γραμμικών στοιχείων, το relaxation oscillator κατατάσσεται σε τρία τύπου διαγράμματα κυκλώματος.

Οξυτόκος Ανάπαυσης Op-Amp

Ο οξυτόκος ανάπαυσης Op-Amp είναι επίσης γνωστός ως μη σταθερός πολυβιβής. Χρησιμοποιείται για την παραγωγή τετραγωνικών κυμάτων. Το σχήμα του οξυτόκου ανάπαυσης Op-Amp είναι δεικτικό στο παρακάτω σχήμα.

op amp relaxation oscillator — Οξυτόκος Ανάπαυσης Op-Amp

Αυτό το πλήρωμα περιέχει μια καταναλωτή, αντιστοιχίες και ένα Op-Amp.

Η μη αντιστροφόμενη θέση του Op-Amp είναι συνδεδεμένη με ένα RC πλήρωμα. Άρα, η τάση της καταναλωτής VC είναι η ίδια με την τάση στη μη αντιστροφόμενη θέση V- του Op-Amp. Και η αντιστροφόμενη θέση είναι συνδεδεμένη με τις αντιστοιχίες.

Όταν το Op-Amp χρησιμοποιείται με θετική ανατροφοδότηση, όπως φαίνεται στο σχήμα, το πλήρωμα είναι γνωστό ως Schmitt trigger.

Όταν το V+ είναι μεγαλύτερο από το V-, η εξοδική τάση είναι +12V. Και όταν το V- είναι μεγαλύτερο από το V+, η εξοδική τάση είναι -12V.

Για την αρχική συνθήκη, στην χρονική στιγμή t=0, υποθέτουμε ότι η καταναλωτής είναι πλήρως αποφορτισμένη. Άρα, η τάση στη μη αντιστροφόμενη θέση είναι V-=0. Και η τάση στην αντιστροφόμενη θέση V+ είναι ίση με βVout.

$\beta = \frac{R_2}{R_2+R_3}$

Για να εξοπλιστεί η υπολογιστική διαδικασία, θεωρούμε ότι οι R2 και R3 είναι ίδιοι. Άρα, β=2 και βVout=6V. Άρα, ο πυκνωτής θα φορτίζεται και αφορτίζεται μέχρι 6V.

$t=0; \quad V- = 0V; \quad V+=+6V; \quad V_{OUT}=+12V$

Σε αυτή τη συνθήκη, το V+ είναι μεγαλύτερο από το V-. Άρα, η εξόδου τάση Vout=+12V. Και ο πυκνωτής ξεκινά να φορτίζεται.

Όταν η τάση του πυκνωτή είναι μεγαλύτερη από 6V, το V- είναι μεγαλύτερο από το V+. Άρα, η εξόδου τάση αλλάζει σε -12V.

$V- > 6V, \quad V+=6V, \quad V_{OUT}=-12V$

Κατά τη διάρκεια αυτής της συνθήκης, η τάση στον αντιστροφό πίνακα αλλάζει την πολικότητά της. Άρα, V+=-6V.

Τώρα, ο καταναλωτής αποφορτίζεται μέχρι -6V. Όταν η τάση του καταναλωτή είναι λιγότερη από -6V, ξανά V+ είναι μεγαλύτερο από V-.

$V+ = -6V; \quad V-<-6V, \quad V+>V-$

Άρα, ξανά η τάση εξόδου αλλάζει από -12V σε +12V. Και ξανά, ο καταναλωτής ξεκινά να φορτίζεται.

Έτσι, ο κύκλος φόρτισης και απόφορτισης του καταναλωτή παράγει μια περιοδική και επαναλαμβανόμενη τετραγωνική κύμα στον εξαγωγικό πίνακα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

op amp relaxation oscillator waveform — Κύμα του Ηλεκτρονικού Παραγωγού Αναψυχής

Η συχνότητα του εξερχόμενου κύματος εξαρτάται από το χρόνο φόρτισης και αφορτήσης του καπακίτορα. Και ο χρόνος φόρτισης-αφορτήσης του καπακίτορα εξαρτάται από τον χρόνο ταλάντωσης του RC περιβάλλοντος.

Οσκιλλωτής Αναπόσπασης UJT

Το UJT (unijunction transistor) χρησιμοποιείται ως συστήματα εναλλαγής στον οσκιλλωτή αναπόσπασης. Το σχήμα του οσκιλλωτή αναπόσπασης UJT εμφανίζεται στο παρακάτω σχήμα.

ujt relaxation oscillator — Οσκιλλωτής Αναπόσπασης UJT

Το εκτοξευτήριο του UJT συνδέεται με ένα αντίστατο και ένα καπακίτορα.

Υποθέτουμε ότι αρχικά το καπακίτορα είναι αφορτωμένο. Άρα, η τάση του καπακίτορα είναι μηδέν.

$V_C = 0$

Σε αυτή τη συνθήκη, το UJT παραμένει ΑΝΩ. Και το καπακίτορα ξεκινά να φορτώνεται μέσω του αντιστάτη R με την παρακάτω εξίσωση.

$V = V_0 (1-e^\frac{-t}{RC})$

Ο πυκνωτής συνεχίζει να φορτίζεται μέχρι να φθάσει στη μέγιστη εφοδιασμένη τάση VBB.

Όταν η τάση στον πυκνωτή είναι μεγαλύτερη από την εφοδιασμένη τάση, ενεργοποιεί το UJT. Στη συνέχεια, ο πυκνωτής σταματά να φορτίζεται και ξεκινά να αφορτώνει μέσω του αντιστοιχού R1.

Ο πυκνωτής συνεχίζει να αφορτώνει μέχρι η τάση του πυκνωτή να φθάσει στην τάση της λεκάνης (VV) του UJT. Μετά από αυτό, το UJT απενεργοποιείται και ξεκινά ο πυκνωτής να φορτίζεται.

Άρα, ο διαδικασία φόρτισης και αφόρτισης του πυκνωτή δημιουργεί μια σχήμα οροφής στον πυκνωτή. Και η τάση εμφανίζεται στον αντιστάτη R2 κατά την αφόρτιση του πυκνωτή και μένει μηδέν κατά την φόρτιση του πυκνωτή.

Το σχήμα τάσης στον πυκνωτή και τον αντιστάτη R2 είναι δεικτικό στο παρακάτω σχήμα.

ujt relaxation oscillator waveform — Σχήμα Τάσης Καταπαύσεως UJT

Συχνότητα Καταπαύσεως Κύματος

Η συχνότητα του κύκλου χαλάρωσης εξαρτάται από τον χρόνο φόρτισης και ξεφόρτισης του υπολογιστή. Στο πεδίο RC, ο χρόνος φόρτισης και ξεφόρτισης αποφασίζεται από τον σταθερό χρόνο.

Συχνότητα του κύκλου χαλάρωσης Op-Amp

Στον κύκλο χαλάρωσης Op-Amp, το R1 και το C1 συμβάλλουν στη συχνότητα της ταλάντωσης. Επομένως, για μικρότερη συχνότητα ταλάντωσης, χρειαζόμαστε μεγαλύτερο χρόνο για τη φόρτιση και ξεφόρτιση του υπολογιστή. Για μεγαλύτερο χρόνο φόρτισης και ξεφόρτισης, πρέπει να ορίσουμε μεγαλύτερη τιμή για το R1 και το C1.

Παρομοίως, μικρότερη τιμή του R1 και του C1 προκαλεί υψηλότερη συχνότητα ταλάντωσης.

Ωστόσο, στον υπολογισμό της συχνότητας, οι αντιστοίχειες R2 και R3 παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο. Αυτές οι αντιστοίχειες θα αποφασίσουν την ένδειξη τάσης του υπολογιστή, και ο υπολογιστής θα φορτώσει μέχρι αυτό το επίπεδο τάσης.

Εάν η ένδειξη τάσης είναι χαμηλότερη, ο χρόνος φόρτισης είναι γρηγορότερος. Παρόμοια, αν η ένδειξη τάσης είναι υψηλότερη, ο χρόνος φόρτισης είναι βραδύτερος.

Επομένως, η συχνότητα ταλάντωσης εξαρτάται από την τιμή του R1, R2, R3, και C1. Και η τύπος συχνότητας του κύκλου χαλάρωσης Op-Amp είναι;

$f = \frac{1}{2 \times R_1 \times C_1 \times ln (\frac{1+k}{1-k})}$

Όπου,

$k = \frac{R_2}{R_2+R_3}$

Σε περισσότερες περιπτώσεις, οι R2 και R3 είναι ίδιοι για να διευκολύνουν το σχεδιασμό και τον υπολογισμό.

$R_2 = R_3 = R$

$k = \frac{R}{2R} = \frac{1}{2}$

$f = \frac{1}{2 \times R_1 \times C_1 \times ln (\frac{1+\frac{1}{2} }{1-\frac{1}{2} })}$

$f = \frac{1}{2 \times R_1 \times C_1 \times ln (3)}$

$f = \frac{1}{2.2 \times R_1 \times C_1}$

Βάζοντας τις τιμές του R1 και C1, μπορούμε να βρούμε τη συχνότητα ταλάντωσης του ημιδιαφορικού παραγωγού χαλάρωσης.

Συχνότητα του UJT Relaxation Oscillator

Στον UJT relaxation oscillator, η συχνότητα εξαρτάται επίσης από το RC κύκλωμα. Όπως φαίνεται στο σχήμα του κυκλώματος του UJT relaxation oscillator, οι αντιστοί R1 και R2 είναι αντιστοί περιορισμού ρεύματος. Η συχνότητα ταλάντωσης εξαρτάται από τον αντίστο R και το καταναλωτή C.

Η τύπος για τη συχνότητα του UJT relaxation oscillator είναι:

$f = \frac{1}{RC ln(\frac{1}{1-n})}$

Όπου:

n = Φυσικός λόγος στάθμης. Η τιμή του n βρίσκεται μεταξύ 0.51 και 0.82.

$n = \frac{R_1}{R_1 + R_2}$

Για να ενεργοποιηθεί το UJT, απαιτείται ελάχιστη τάση;

$V = n V_{BB} + V_D$

Όπου,

VBB = προμήθεια τάσης

VD = εσωτερική πτώση διόδου μεταξύ του εκτροχευτή και του βάση-2

Η τιμή του αντιστοιχού R περιορίζεται στο παρακάτω εύρος.

$max = \frac{V_{BB}-V_P}{I_P} \quad min=\frac{V_{BB}-V_V}{I_V}$

Όπου,

VP, IP = κορυφαία τάση και ρεύμα

VV, IV = τάση και ρεύμα στο λάκκο

Διαφορική Εξίσωση Αναπόσπαστου Ταλαντωτή

Στο διάγραμμα του αναπόσπαστου ταλαντωτή, οι αντιστοί R2 και R3 έχουν ίδιες τιμές. Έτσι, σύμφωνα με τον κανόνα της διαίρεσης τάσης;

$V_+ = \frac{V_{out}}{2}$

Η τιμή V– προκύπτει από τον νόμο του Ωμ και τη διαφορική εξίσωση του καταθρηστή

$\frac{V_{out}-V_-}{R} = C \frac{dV_-}{dt}$

Υπάρχουν δύο λύσεις σε αυτή τη διαφορική εξίσωση: η μεμονωμένη λύση και η ομογενής λύση.

Για τη μεμονωμένη λύση, η V– είναι σταθερά. Υποθέτουμε ότι V– = A. Συνεπώς, η παραγώγιση της σταθεράς είναι μηδέν,

$\frac{dV_-}{dt} = \frac{dA}{dt} = 0$

$\frac{A}{RC} = \frac{V_{out}}{RC}$

$V_{out} = A$

Για την ομογενή λύση, χρησιμοποιήστε την μετατροπή Laplace της παρακάτω εξίσωσης;

$\frac{dV_-}{dt} +\frac{V_-}{RC} = 0$

$V_- = Be^{\frac{-1}{RC}t}$

Το V– είναι το σύνολο της μεμονωμένης και της ομογενούς λύσης.

$V_- = A + Be^{\frac{-1}{RC}t}$

Για να βρούμε την τιμή του B, χρειάζεται να αξιολογήσουμε την αρχική συνθήκη.

$t=0; \quad V_{out} = V_{dd}; \quad V_-=0$

$0 = V_{dd} + Be^0$

$B = -V_{dd}$

Άρα, η τελική λύση για το V- είναι;

$V_- = V_{out} - V_{dd} e^{\frac{-1}{RC}t}$

Σύγκριση Comparator και Op-Amps

Ο comparator χρησιμοποιείται επίσης αντί του Op-Amp. Όπως και ο Op-Amp, οι συγκριτές σχεδιάζονται να είναι χειριζόμενοι από πλευρά σε πλευρά.

Ο comparator έχει γρηγορότερο χρόνο ανόδου και κατόδου σε σύγκριση με τον Op-Amp. Συνεπώς, ο comparator είναι πιο κατάλληλος από τον Op-Amp για το κύκλωμα του διαταραγμένου.

Στην περίπτωση του Op-Amp, έχει εξόδους push-pull. Έτσι, αν χρησιμοποιείτε Op-Amp, δεν είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε αντιστάτη pull-up. Αλλά αν χρησιμοποιείτε comparator, πρέπει να χρησιμοποιήσετε αντιστάτη pull-up.

Εφαρμογές των Relaxation Oscillators

Οι relaxation oscillators χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενός εσωτερικού σήματος ρολογιού για οποιοδήποτε ψηφιακό κύκλωμα. Χρησιμοποιούνται επίσης στις εφαρμογές που ακολουθούν.

- Κυκλώματα ελέγχου τάσης
- Μνήμη κυκλώματα
- Γεννήτρια σήματος (για την παραγωγή σημάτων ρολογιού)
- Στροβόσκοποι
- Κυκλώματα με βάση θυίριστορ
- Πολυδιάκτυοι
- Λαμπτήρες τηλεόρασης
- Μετρητές
Δήλωση: Σεβαστείτε το αρχικό, καλά άρθρα αξίζουν κοινοποίηση, αν υπάρχει παραβίαση δικαιωμάτων παρακαλώ επικοινωνήστε για διαγραφή.