Relaksivirturi: Mikä se on? (Ja miten se toimii)

Kenttä: Perus sähkötiede

China

Mikä on rentoutumiskiertolähde?

Rentoutumiskiertolähde on määritelty epälineaariseksi sähköiseksi kiertolähteeksi, joka voi tuottaa toistuvan, ei-sinisaalisen signaalin. Rentoutumiskiertolähde kehitettiin Henri Abrahamin ja Eugene Blochin toimesta ensimmäisen maailmansodan aikana käyttäen tyhjiöputkea.

Kiertolähteet luokitellaan kahteen eri kategoriaan: lineaariset kiertolähteet (sinisaalisille aaltojen muodoille) ja rentoutumiskiertolähteet (ei-sinisaalisille aaltojen muodoille).

Sen täytyy tuottaa toistuva ja periodinen signaali ei-sinisaalisille aaltojen muodoille, kuten kolmio-, neliö- ja suorakulmainen aalto sen ulostulossa.

Rentoutumiskiertolähden suunnitteluun on sisällyttävä epälineaarisia elementtejä, kuten transistori, Op-Amp tai MOSFET ja energian varastointilaitteita, kuten kondensaattori ja induktori.

Syklin tuottamiseksi kondensaattori ja induktori latautuvat ja purkautuvat jatkuvasti. Syklin taajuus tai oskillaation jakso riippuu aikaeristä.

Miten rentoutumiskiertolähde toimii?

Rentoutumiskiertolähde sisältää energian varastointilaitteita, kuten kondensaattoria ja induktoria. Nämä laitteet latautuvat lähteestä ja purkautuvat kuormalle.

Rentoutumiskiertolähteen ulostulon aallonmuodon muoto riippuu kiertojärjestelmän aikaeristä.

Ymmärtäkäämme rentoutumiskiertolähteiden toimintaa esimerkin avulla.

rc relaxation oscillator — RC Rentoutumiskiertolähde

Tässä kytkentässä kondensaattori on yhdistetty valon ja akun välille. Tätä kytkentää kutsutaan myös vilkku-kytkentäksi tai RC-relaxaatiooskillaattoriksi.

Akku lataa kondensaattoria vastuksen kautta. Kondensaattorin latauksen aikana valo pysyy pois-päällä-tilassa.

Kun kondensaattori saavuttaa kynnysarvonsa, se purkaa varauksensa valon kautta. Näin ollen kondensaattorin purkautumisen aikana valo syttyy.

Kun kondensaattori on purkautunut, se alkaa taas ladata lähdeltään. Valo pysyy pois-päällä-tilassa.

Joten kondensaattorin lataus- ja purkautumisprosessi on jatkuva ja jaksollinen.

Kondensaattorin latausaika määräytyy ajanvakiomuuttujan perusteella. Ajanvakio riippuu vastuksen ja kondensaattorin arvoista RC-kytkentässä.

Siksi valon vilkkuamisnopeus määräytyy vastuksen ja kondensaattorin arvojen perusteella.

Valon yli kulkevat aaltomuodot näkyvät alla olevassa kuviossa.

rc relaxation oscillator waveform — RC-relaxaatiooskillaattorin aaltomuoto

Välitysalustan avulla voidaan ohjata kytkentän ulostuloa.

Relaxaatiooskillaattorin kytkentäkaavio

Relaxaatiooskillaattorin kytkentäkaaviossa on epälineaarinen laite erilaisten ulostulon aaltomuotojen luomiseksi. Epälineaaristen laitteiden käytön mukaan relaxaatiooskillaattori luokitellaan kolmeen eri kytkentäkaavioon.

Op-Amp Relaxation Oscillator

Op-Amp-relaksatorioskillaattori tunnetaan myös nimellä astable multivibrator. Sitä käytetään neliömuodon aaltojen luomiseen. Op-Amp-relaksatorioskillaattorin piirikaavio on näkyvissä alla olevassa kuvassa.

Tämä piiri sisältää kondensaattorin, vastukset ja Op-Amp:n.

Op-Ampin ei-inversioputki on yhdistetty RC-piiriin. Tällöin kondensaattorin jännite VC on sama kuin jännite ei-inversioputkeen V- Op-Ampissa. Ja inversioputki on yhdistetty vastustimiin.

Kun Op-Ampia käytetään positiivisella palautuskytkennällä, kuten piirikaaviossa näkyy, piiriä kutsutaan Schmitt-triggeriksi.

Kun V+ on suurempi kuin V-, ulostulojännite on +12V. Ja kun V- on suurempi kuin V+, ulostulojännite on -12V.

Alkuolosuhteessa, ajan hetkellä t=0, oletetaan, että kondensaattori on täysin purkautunut. Näin ollen jännite ei-inversioputkeen on V-=0. Ja inversioputken jännite V+ on sama kuin βVout.

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

Laskujen helpottamiseksi oletetaan, että R2 ja R3 ovat samat. Joten, β=2 ja βVout=6V. Täten kondensaattori latautuu ja purkautuu 6V asti.

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

Tässä tilanteessa V+ on suurempi kuin V-. Siksi, ulostulojännite Vout=+12V. Ja kondensaattori alkaa latautua.

Kun kondensaattorin jännite on suurempi kuin 6V, V- on suurempi kuin V+. Siksi, ulostulojännite muuttuu -12V:ksi.

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

Tässä tilassa käänteistä kytkentäpistettä koskeva jännite muuttaa suuntaansa. Joten, V+=-6V.

Nyt kondensaattori purkaa jännitettään -6V asti. Kun kondensaattorin jännite on alle -6V, V+ on taas suurempi kuin V-.

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

Joten, ulostulovoltti muuttuu uudelleen -12V:sta +12V:ksi. Ja taas kondensaattori alkaa ladata.

Näin ollen kondensaattorin ladattu ja purkautunut sykli tuottaa säännöllisen ja toistuvan neliömuodon ulostuloksi, kuten alla oleva kuva osoittaa.

op amp relaxation oscillator waveform — Operaatiovoimansiirtimen rentoutusvaihtelijan aaltomuoto

Signaalivuodon taajuus riippuu kondensaattorin latauksen ja purkauksen ajasta. Ja kondensaattorin lataus-purkausaika riippuu RC-kytkentän aikavakiona.

UJT-relaksaaoskillaattori

UJT (unijunction transistor) käytetään kytkentälaitteena relaksaaoskillaattorissa. UJT-relaksaaoskillaattorin piirikaavio on näkyvissä alla olevassa kuvassa.

ujt relaxation oscillator — UJT-relaksaaoskillaattori

UJT:n emittoriterminali on yhdistetty vastukseen ja kondensaattoriin.

Oletetaan, että alussa kondensaattori on purkautunut. Joten kondensaattorin jännite on nolla.

$V_C = 0$

Tässä tilanteessa UJT pysyy pois päältä. Ja kondensaattori alkaa ladata vastusteen R kautta alla olevan yhtälön mukaan.

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

Kondensaattori jatkaa latautumistaan, kunnes se saavuttaa maksimivalmistajan antaman jännitteen VBB.

Kun kondensaattorin yli oleva jännite on suurempi kuin annettu jännite, UJT kytketään päälle. Tällöin kondensaattori lopettaa latautumisen ja alkaa purkautua vastuksen R1 kautta.

Kondensaattori jatkaa purkautumistaan, kunnes sen jännite saavuttaa UJT:n laakson jännitteen (VV). Tämän jälkeen UJT kytketään pois päältä ja kondensaattori alkaa taas latautua.

Näin ollen kondensaattorin latautumis- ja purkautumisprosessi tuottaa sähkövaihtajännan muodossa kapasitorin yli. Jännite ilmenee vastuksen R2 yli kondensaattorin purkautuessa ja pysyy nollana kondensaattorin latautuessa.

Jännitteen muoto kondensaattorin ja vastuksen R2 välillä on näkyvissä alla olevassa kuviossa.

ujt relaxation oscillator waveform — UJT Relaxation Oscillator Waveform

Relaxation Oscillator Frequency

Relaksivinvaihtelun taajuus riippuu kondensaattorin varautumis- ja purkautumisaikojen mukaan. RC-piirissä varautumis- ja purkautumisaika määräytyvät aikavakiona.

Op-Amp-relaksivinvaihtelun taajuus

Op-Amp-relaksivinvaihtelussa R1 ja C1 vaikuttavat vaihtelun taajuuteen. Siksi alhaisempaa taajuutta varten tarvitsemme pidemmän ajan kondensaattorin varautumiseen ja purkautumiseen. Ja pitkälle aikalle varautumiseen ja purkautumiseen tarvitsemme suuremman R1 ja C1.

Vastaavasti pienempi R1 ja C1 arvo aiheuttaa korkeamman taajuuden vaihtelun.

Mutta taajuuden laskennassa vastukset R2 ja R3 ovat myös tärkeitä. Koska nämä vastukset määrittävät kondensaattorin kynnysjännit, ja kondensaattori varautuu tähän jännitteeseen asti.

Jos kynnysjännite on alhainen, varautumisaika on nopeampi. Vastaavasti jos kynnysjännite on korkea, varautumisaika on hitaampi.

Siksi vaihtelun taajuus riippuu R1, R2, R3 ja C1 arvoista. Op-Amp-relaksivinvaihtelun taajuuden kaava on;

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

Missä,

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

Suurimmassa osassa tapauksissa, R2 ja R3 ovat samoja suunnittelun ja laskutoimitusten helpottamiseksi.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Asettaamalla R1 ja C1:n arvot, voimme määrittää Op-Amp-relaksaatiovaihtelun taajuuden.

UJT-relaksaation vaihtelun taajuus

UJT-relaksaation vaihtelussa taajuus myös riippuu RC-piiristä. Kuten UJT-relaksaation vaihtelun piirikaaviossa näkyy, vastukset R1 ja R2 ovat sähkövirtarajoittavia vastuksia. Vaihtelun taajuus riippuu vastuksesta R ja kondensaattorista C.

UJT-relaksaation vaihtelun taajuuden kaava on:

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

Missä:

n = Inherentin suhde. N:n arvo on välillä 0.51–0.82.

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

UJT:n käynnistämiseksi vaadittu vähimmäispotentiaali on

$V = n V_{BB} + V_D$

Missa

VBB = tuotantovirta

VD = sisäinen diodipudotus välillä emittori ja pohja-2 terminaali

Vastuksen R arvo on rajattu seuraavan alueen sisään.

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

Miten,

VP, IP = huippujännite ja -virta

VV, IV = laaksojännite ja -virta

Rauhoittumisvaihtelusyötteiden differentiaaliyhtälö

Rauhoittumisvaihtelusyöttimen piirikaaviossa vastukset R2 ja R3 ovat yhtä suuret. Joten, jännitelohkolaskennan mukaan;

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

V– saadaan Ohmin laista ja kondensaattorin differentiaaliyhtälöstä;

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

Tälle differentiaaliyhtälölle on kaksi ratkaisua; erityisratkaisu ja homogeeninen ratkaisu.

Erityisratkaisun tapauksessa V- on vakio. Oletetaan, että V– = A. Siksi vakion derivaatta on nolla,

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

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

$V_{out} = A$

Yhdenmukaisen ratkaisun löytämiseksi käytä seuraavan yhtälön Laplace-muunnosta

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

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

V– on erityisen ja yhdenmukaisen ratkaisun summa.

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

Arvoon B pääsemiseksi meidän on arvioitava alkutila.

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

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

$B = -V_{dd}$

Joten, V-:n lopullinen ratkaisu on;

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

Vertailuohjain vs Op-Amp

Vertailuohjainta käytetään myös Op-Ampin sijaan. Kuten Op-Ampi, vertailuohjaimet on suunniteltu toimimaan raitasta raitaan.

Vertailuohjain on nopeampi nousun ja laskun suhteen kuin Op-Ampi. Siksi vertailuohjain on sovellyttävämpi kuin Op-Ampi värähtelypiirissä.

Op-Ampiin liittyy push-pull-ulostulot. Joten, jos käytät Op-Ampia, ei ole tarpeen käyttää pull-up-resistoria. Mutta jos käytät vertailuohjainta, sen on käytettävä pull-up-resistoria.

Rauhoittumisvärähtelijöiden sovellukset

Rauhoittumisvärähtelijöitä käytetään sisäisen kellosignaalin luomiseen mille tahansa digitaaliselle piirille. Niitä käytetään myös seuraavissa sovelluksissa.