מחזור רפיה: מה זה? (ואיך הוא פועל)

שדה: אלקטרוניקה בסיסית

China

מהו אוסילטור רלקסציה?

אוסילטור רלקסציה מוגדר כמעגל אוסילטור אלקטרוני לא ליניארי שיכול לייצר אות פלט חוזר שאינו סינוסואידלי. אוסילטור רלקסציה הומצא על ידי הנרי אברהם ואאוגן בלוך באמצעות צינור וקואום במהלך מלחמת העולם הראשונה.

אוסילטורים ממיינים לשני קטגוריות שונות; אוסילטורים ליניאריים (עבור גלים סינוסואידליים) ואוסילטורי רלקסציה (עבור גלים שאינם סינוסואידליים).

הוא חייב לספק אות חוזר ומחזורי עבור גלים שאינם סינוסואידליים כמו משולש, מרובע וגלים מלבניים בפלט שלו.

העיצוב של אוסילטור הרלקסציה חייב לכלול אלמנטים לא ליניאריים כמו טרנזיסטור, אופ-אמפ או מוספט ומכשירי אחסון אנרגיה כמו קבל ומשתנה זרם.

כדי לייצר מחזור, הקבל והמשתנה זרם נטענים ומפרקים את עצמם באופן מתמשך. והתדירות של המחזור או זמן האוסילציה תלוי בקבוע הזמן.

איך עובד אוסילטור רלקסציה?

אוסילטור הרלקסציה מכיל מכשירי אחסון אנרגיה כמו קבל ומשתנה זרם. המכשירים הללו נטענים על ידי מקור ומפרקים דרך עומס.

צורת הגל המוצא של אוסילטור הרלקסציה תלויה בקבוע הזמן של המעגל.

נבין כיצד עובד אוסילטור הרלקסציה דוגמה.

rc relaxation oscillator — אוסילטור RC רלקסציה

כאן, קונדנסטור מחובר בין נורה ל סוללה. מעגל זה מכונה גם מעגל פלאש או אוסילטור רלקסציה RC.

סוללה מטעינה את הקונדנסטור דרך המנגד. במהלך טעינת הקונדנסטור, הנורה נשארת במצב כבוי.

כאשר הקונדנסטור מגיעה לערכה הסף, היא מתפנקת דרך הנורה. לכן, במהלך התפנקות הקונדנסטור, הנורה מאירה.

כאשר הקונדנסטור מתפנקת, היא מתחילת להיטען שוב מהמקור. והנורה נשארת כבוייה.

לכן, תהליך הטעינה והתפנקות של הקונדנסטור הוא רציף ומחזורי.

זמן הטעינה של הקונדנסטור נקבע על ידי קבוע הזמן. וקבוע הזמן תלוי בערך של הנגד והקונדנסטור עבור מעגל RC.

לכן, קצב הפלאש של הנורה נקבע על ידי ערך הנגד והקונדנסטור.

הגלים לאורך הנורה הם כמו שמוצגים בתמונה שלהלן.

rc relaxation oscillator waveform — גלים של אוסילטור רלקסציה RC

כדי לשלוט במوجות הפלט, משתמשים ברכיבים לא-ליניאריים במעגל.

תרשים מעגל אוסילטור רלקסציה

תרשים מעגל האוסילטור הרלקסציה מכיל רכיב לא-ליניארי כדי לייצר סוגים שונים של גלי פלט. בהתאם לשימוש ברכיבים לא-ליניאריים, האוסילטור הרלקסציה מופרד לשלושה סוגי תרשימי מעגל.

מגנוט רפוי של מגבר פעולה

מגנוט הרפוי של מגבר פעולה ידוע גם כ-רב-ויברטור אסטבילי. הוא משמש לייצור גלי ריבוע. סכמת החשמל של מגנוט הרפוי של מגבר הפעולה מוצגת בתמונה שלהלן.

op amp relaxation oscillator — מגנוט רפוי של מגבר פעולה

המעגל מכיל קבל, נגדים ומגבר פעולה.

הטרמינל לא הפוך של המגבר מחובר למעגל RC. לכן, מתח הקבל VC זהה למתח בטרמינל לא הפוך V- של המגבר. והטרמינל הפוך מחובר לנגדים.

כאשר המגבר משמש עם משוב חיובי, כפי שמוצג בסכמת החשמל, המעגל נקרא משיכת שמידט.

כאשר V+ גדול מ-V-, מתח הפלט הוא +12V. וכשV- גדול מ-V+, מתח הפלט הוא -12V.

לגבי התנאי ההתחלתי, בזמן t=0, נניח שהקבל טעון לחלוטין. לכן, המתח בטרמינל לא הפוך הוא V-=0. והמתח בטרמינל הפוך V+ שווה ל-βVout.

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

כדי להקל על החישוב, אנו מתחשבים ש-R2 ו-R3 הם אותו הדבר. לכן, β=2 ו-βVout=6V. לכן, הקונדנסטור יטען ויתפרק עד 6V.

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

במצב זה, V+ גדול מ-V-. לכן,ряж напряжение выхода Vout=+12V. והקונדנסטור מתחיל לטעון.

כאשר מתח הקונדנסטור גדול מ-6V, V- גדול מ-V+. לכן, מתח היציאה משתנה ל-12V שלילי.

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

במצב זה, מתח הנעילה ההפוכה משנה את הקוטביות שלו. לכן, V+=-6V.

כעת, הקונדנסטור מתפרק עד ל-6V-. כאשר מתח הקונדנסטור הוא פחות מ-6V-, שוב V+ גדול מ-V-.

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

לכן, שוב מתח היציאה משתנה מ-12V- ל-12V+. ושוב, הקונדנסטור מתחיל להטעין.

כך שהמחזור של טעינה והפרדה של הקונדנסטור יוצר גל מרובע מחזורי ומשתנה בקצה היציאה, כפי שמוצג בתמונה שלהלן.

op amp relaxation oscillator waveform — גל המנפץ של אופ אמפליפייר

תדירות הגל המופק תלויה בזמן ההטענה והפריקה של הקונדנסטור. וזמן ההטענה והפריקה של הקונדנסטור תלוי בקבוע הזמן של מעגל RC.

מַנְעוּל רִפּוּי UJT

משתמשים בטרנזיסטור חד-חיבור (UJT) כמכשיר מפסק במַנְעוּל רִפּוּי. סכמת המעגל של מַנְעוּל רִפּוּי UJT מוצגת בתמונה למטה.

ujt relaxation oscillator — מַנְעוּל רִפּוּי UJT

המפלס של ה-UJT מחובר עם נגד וקונדנסטור.

נניח שהקונדנסטור בהתחלה מתפרק. לכן, מתח הקונדנסטור הוא אפס.

$V_C = 0$

במצב זה, ה-UJT נשאר מכובה. והקונדנסטור מתחיל להטעין דרך הנגד R על פי המשוואה הבאה.

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

ה kondenzator ממשיך להטעין עד שהוא מגיע לתחום המרבי של מתח האספקה VBB.

כאשר המתח על הקונדנזטור גדול מהמתח המסופק, זה מאפשר לקו UJT להישאב. אז הקונדנזטור מפסיק להטעין ומתחיל להתפרק דרך הנגד R1.

ה קונדנזטור ממשיך להתפרק עד שהמתח שלו מגיע למתח הגיאוגרפי (VV) של UJT. לאחר מכן, UJT נסגר והקונדנזטור מתחיל להטעין מחדש.

לכן, תהליך ההטענה והפריקה של הקונדנזטור יוצר גל שיניים לאורך הקונדנזטור. והמתח מופיע לאורך הנגד R2 במהלך הפריקה של הקונדנזטור ונותר אפס במהלך ההטענה של הקונדנזטור.

הגל של המתח לאורך הקונדנזטור והנגד R2 מוצג בתמונה שלהלן.

ujt relaxation oscillator waveform — גל התנודה של UJT Relaxation Oscillator

תדר של Relaxation Oscillator

תדירות האוסילטור הרפוי תלויה בזמן הטעינה והפריקה של הקונדנסטור. במעגל RC, זמן הטעינה והפריקה נקבע על ידי קבוע הזמן.

תדירות אוסילטור הרפוי של מגבר פעולה

באוסילטור הרפוי של מגבר פעולה, R1 ו-C1 מתרבמים בתדירות האוסילציה. לכן, עבור תדירות אוסילציה נמוכה יותר, יש צורך בזמן ארוך יותר לטעינת הפריקת הקונדנסטור.而对于电容器的充放电需要更长的时间，我们需要设置更大的R₁和C₁。类似地，R₁和C₁的较小值会导致更高的振荡频率。但是，在计算频率时，电阻器R₂和R₃也起着至关重要的作用。因为这些电阻器将决定电容器的阈值电压，而电容器将充电到这个电压水平。假设阈值电压较低，则充电时间更快。同样，如果阈值电压较高，则充电时间较慢。因此，振荡频率取决于R₁、R₂、R₃和C₁的值。运算放大器松弛振荡器的频率公式为；请注意，以上部分似乎在翻译过程中出现了错误，导致部分内容未被正确翻译成希伯来语。以下是正确的完整翻译：

באוסילטור הרפוי של מגבר פעולה, R1 ו-C1 מתרבמים בתדירות האוסילציה. לכן, עבור תדירות אוסילציה נמוכה יותר, יש צורך בזמן ארוך יותר לטעינת והפריקת הקונדנסטור. ועבור זמן ארוך של טעינה והפריקה, יש צורך להגדיר ערכים גדולים יותר של R1 ו-C1.

בדומה לזה, ערכים קטנים יותר של R1 ו-C1 גורמים לתדירות אוסילציה גבוהה יותר.

אבל, בחישוב התדירות, העמידות R2 ו-R3 משחקות תפקיד חשוב. כי העמידות הללו יקבעו את המתח הסף של הקונדנסטור, והקונדנסטור יטען עד לרמה הזו של המתח.

אם המתח הסף נמוך, זמן הטעינה מהיר יותר. באופן דומה, אם המתח הסף גבוה, זמן הטעינה איטי יותר.

לכן, תדירות האוסילציה תלויה בערכים של R1, R2, R3 ו-C1. והנוסחה לתדירות אוסילטור הרפוי של מגבר פעולה היא:

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

כאשר,

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

במרבית התנאים, R2 ו-R3 הם זהים כדי לפשט את העיצוב והחישוב.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

באמצעות הצבת הערכים של R1 ו-C1, ניתן למצוא את תדירות האוסילציה של אוסילטור הרפיה של אופ-אמפ.

תדירות אוסילטור הרפיה של UJT

באוסילטור הרפיה של UJT, גם התדירות תלויה במעגל RC. כפי שמוצג בדיאגרמת המעגל של אוסילטור הרפיה של UJT, המנגדים R1 ו-R2 הם מגדלים מגבילים זרם. והתדירות של האוסילציה תלויה במגדל R והקונדנסטור C.

הנוסחה לתדירות באוסילטור הרפיה של UJT היא:

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

כאשר:

n = יחס עמידה פנימית. והערך של n נמצאים בין 0.51 ל-0.82.

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

כדי להפעיל את ה-UJT, המתח המינימלי הנדרש הוא;

$V = n V_{BB} + V_D$

כאשר,

VBB = מתח הזינה

VD = נפילה פנימית של דיודה בין קת לטרמינל בסיס-2

ערך המתנגד R מוגבל לקוורן הבא.

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

כאשר,

VP, IP = מתח וזרם פסגתים

VV, IV = מתח וזרם בקע

משוואת ההשתנות של אוסילטור הרפיה

בתרשים החשמלי של אוסילטור הרפיה, העומסים R2 ו-R3 הם בעלי ערכים שווים. לכן, לפי כלל המחלק המתחי;

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

V– מתקבל על ידי חוק אוהם ומשוואת הדיפרנציאל של הקונדנסטור;

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

ישנן שתי פתרונות למשוואת הדיפרנציאל הזו; פתרון פרטי ופתרון הומוגני.

עבור פתרון פרטי, V- הוא קבוע. נניח ש-V– = A. לכן, הנגזרת של קבוע היא אפס,

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

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

$V_{out} = A$

עבור פתרון הומוגני, השתמש ב טרנספורם לפלס של המשוואה הבאה:

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

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

V– הוא סכום הפתרונות הפרטי וההומוגני.

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

כדי למצוא את ערך B, עלינו להעריך את התנאי ההתחלתי.

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

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

$B = -V_{dd}$

לכן, הפתרון הסופי של V- הוא:

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

ממשקי השוואה מול מגבילים מבוזרים

ממשקי השוואה משמשים גם במקום מגבילים מבוזרים. דומה למגבלים מבוזרים, הממשקים מוכנים לעבוד בתדרים מלאים.

לממשקי השוואה זמן עלייה וירידה מהיר יותר מאשר למגבלות מבוזרות. לכן, ממשקי השוואה מתאימים יותר עבור מעגלים אוסילטורים מאשר מגבלות מבוזרות.

במקרה של מגבלות מבוזרות, יש להן יציאות פוש-פול. לכן, אם אתה משתמש במגבלות מבוזרות, אין צורך להשתמש במתנגד גיבוי. אבל אם אתה משתמש בממשק השוואה, עליך להשתמש במתנגד גיבוי.