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आराम संचारक: यह क्या है? (और यह कैसे काम करता है)

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फील्ड: बुनियादी विद्युत
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China

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर क्या है?

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर एक गैर-रैखिक इलेक्ट्रोनिक ऑसिलेटर सर्किट है जो गैर-साइनुसोइडल पुनरावृत्त आउटपुट सिग्नल उत्पन्न कर सकता है। रिलैक्सेशन ऑसिलेटर की खोज पहले विश्व युद्ध के दौरान हेन्री अब्राहम और यूजीन ब्लोच ने वैक्यूम ट्यूब का उपयोग करके की थी।

ऑसिलेटर दो अलग-अलग श्रेणियों में वर्गीकृत होते हैं; रैखिक ऑसिलेटर (साइनुसोइडल तरंग प्रकार के लिए) और रिलैक्सेशन ऑसिलेटर (गैर-साइनुसोइडल तरंग प्रकार के लिए)।

इसे त्रिभुजाकार, वर्गाकार और आयताकार तरंगों जैसी गैर-साइनुसोइडल तरंग प्रकार के लिए अपने आउटपुट पर पुनरावृत्त और आवर्ती सिग्नल प्रदान करना चाहिए।

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर के डिजाइन में ट्रांजिस्टर, ओप-एम्प, या MOSFET जैसे गैर-रैखिक तत्व और कैपेसिटर और इंडक्टर जैसे ऊर्जा संचयी उपकरण शामिल होने चाहिए।

एक चक्र उत्पन्न करने के लिए, कैपेसिटर और इंडक्टर निरंतर चार्ज और डिचार्ज होते हैं। और चक्र की आवृत्ति या दोलन की अवधि समय स्थिरांक पर निर्भर करती है।

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर कैसे काम करता है?

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर में कैपेसिटर और इंडक्टर जैसे ऊर्जा संचयी उपकरण शामिल होते हैं। ये उपकरण एक स्रोत द्वारा चार्ज होते हैं और एक लोड के माध्यम से डिचार्ज होते हैं।

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर के आउटपुट तरंग फॉर्म का आकार सर्किट के समय स्थिरांक पर निर्भर करता है।

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर के कामकाज को एक उदाहरण के साथ समझते हैं।

rc relaxation oscillator
आरसी रिलैक्सेशन ऑसिलेटर

यहाँ, एक कैपेसिटर बल्ब और एक बैटरी के बीच जोड़ा गया है। इस सर्किट को फ्लैशर सर्किट या आरसी रिलैक्सेशन ऑसिलेटर भी कहा जाता है।

बैटरी रिसिस्टर के माध्यम से कैपेसिटर को चार्ज करती है। कैपेसिटर के चार्जिंग के दौरान, बल्ब ऑफ कंडीशन में रहता है।

जब कैपेसिटर अपने थ्रेसहोल्ड मूल्य तक पहुंच जाता है, तो वह बल्ब के माध्यम से डिस्चार्ज होता है। इस प्रकार, कैपेसिटर के डिस्चार्जिंग के दौरान, बल्ब चमकता है।

जब कैपेसिटर डिस्चार्ज हो जाता है, तो वह फिर से स्रोत द्वारा चार्जिंग शुरू कर देता है। और बल्ब ऑफ रहता है।

इस प्रकार, कैपेसिटर के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग की प्रक्रिया निरंतर और आवर्ती होती है।

कैपेसिटर का चार्जिंग समय समय स्थिरांक द्वारा निर्धारित होता है। और समय स्थिरांक आरसी सर्किट के लिए रिसिस्टर और कैपेसिटर के मूल्य पर निर्भर करता है।

इसलिए, बल्ब की फ्लैशिंग दर रिसिस्टर और कैपेसिटर के मूल्य द्वारा निर्धारित होती है।

बल्ब पर लगने वाले वेवफॉर्म नीचे दिखाए गए चित्र में दिखाए गए हैं।

rc relaxation oscillator waveform
आरसी रिलैक्सेशन ऑसिलेटर वेवफॉर्म

आउटपुट वेवफॉर्म को नियंत्रित करने के लिए, सर्किट में गैर-रैखिक तत्वों का उपयोग किया जाता है।

आरसी रिलैक्सेशन ऑसिलेटर सर्किट आरेख

आरसी रिलैक्सेशन ऑसिलेटर सर्किट आरेख में विभिन्न प्रकार के आउटपुट वेवफॉर्म उत्पन्न करने के लिए गैर-रैखिक डिवाइस का समावेश होता है। गैर-रैखिक डिवाइस के उपयोग के अनुसार, आरसी रिलैक्सेशन ऑसिलेटर को तीन प्रकार के सर्किट आरेखों में वर्गीकृत किया जाता है।

ऑप-एम्प रिलैक्सेशन आवर्तक

ऑप-एम्प रिलैक्सेशन आवर्तक को अस्थायी मल्टीवाइब्रेटर भी कहा जाता है। यह वर्ग तरंगों के उत्पादन के लिए प्रयोग किया जाता है। ऑप-एम्प रिलैक्सेशन आवर्तक का सर्किट आरेख नीचे दिखाया गया है।

op amp relaxation oscillator
ऑप-एम्प रिलैक्सेशन आवर्तक

यह सर्किट कैपासिटर, रेझिस्टर्स और ऑप-एम्प युक्त होता है। 

ऑप-एम्प का नॉन-इनवर्टिंग टर्मिनल एक आरसी सर्किट से जुड़ा होता है। इसलिए, कैपासिटर वोल्टेज VC ऑप-एम्प के नॉन-इनवर्टिंग टर्मिनल V- के वोल्टेज के समान होता है। और इनवर्टिंग टर्मिनल रेझिस्टर्स से जुड़ा होता है।

जब ऑप-एम्प को सकारात्मक प्रतिक्रिया के साथ उपयोग किया जाता है, जैसा कि सर्किट आरेख में दिखाया गया है, तो यह सर्किट श्मिट ट्रिगर के रूप में जाना जाता है।

जब V+ V- से अधिक होता है, तो आउटपुट वोल्टेज +12V होता है। और जब V- V+ से अधिक होता है, तो आउटपुट वोल्टेज -12V होता है।

आरंभिक स्थिति के लिए, समय t=0 पर, मान लें कि कैपासिटर पूरी तरह से डिस्चार्ज है। इसलिए नॉन-इनवर्टिंग टर्मिनल पर वोल्टेज V-=0 है। और इनवर्टिंग टर्मिनल पर वोल्टेज V+ βVout के बराबर होता है।


  \[ \beta = \frac{R_2}{R_2+R_3} \]


गणना को आसान बनाने के लिए, हम R2 और R3 समान मानते हैं। इसलिए, β=2 और βVout=6V। इस प्रकार, कैपेसिटर 6V तक चार्ज और डिसचार्ज होगा।


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


इस स्थिति में, V+ V- से अधिक है। इसलिए, आउटपुट वोल्टेज Vout=+12V। और कैपेसिटर चार्जिंग शुरू होता है।

जब कैपेसिटर वोल्टेज 6V से अधिक होता है, तो V- V+ से अधिक होता है। इसलिए, आउटपुट वोल्टेज -12V हो जाता है।

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


इस स्थिति में, इनवर्टिंग टर्मिनल वोल्टेज अपना पोलारिटी बदलता है। इसलिए, V+=-6V हो जाता है।

अब, कैपासिटर -6V तक डिस्चार्ज होता है। जब कैपासिटर वोल्टेज -6V से कम हो, फिर V+ V- से अधिक होता है।


  \[ V+ = -6V; \quad V-<-6V, \quad V+>V- \]


इसलिए, फिर से आउटपुट वोल्टेज -12V से +12V तक बदल जाता है। और फिर, कैपासिटर चार्जिंग शुरू कर देता है।

इस प्रकार, कैपासिटर का चार्जिंग और डिस्चार्जिंग चक्र आउटपुट टर्मिनल पर एक आवर्ती और दोहराव वाला स्क्वायर वेव उत्पन्न करता है, जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

op amp relaxation oscillator waveform
ओप-एम्प रिलैक्सेशन ऑसिलेटर वेवफॉर्म

आउटपुट तरंग आकार की आवृत्ति कैपसिटर के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग समय पर निर्भर करती है। और कैपसिटर का चार्जिंग-डिस्चार्जिंग समय आरसी सर्किट के समय स्थिरांक पर निर्भर करता है।

यूजेट रिलैक्सेशन ऑसिलेटर

यूजेट (यूनिजंक्शन ट्रांजिस्टर) को रिलैक्सेशन ऑसिलेटर में एक स्विचिंग डिवाइस के रूप में उपयोग किया जाता है। यूजेट रिलैक्सेशन ऑसिलेटर का सर्किट आरेख नीचे दिखाया गया है।

ujt relaxation oscillator
यूजेट रिलैक्सेशन ऑसिलेटर

यूजेट के ईमिटर टर्मिनल को एक रेजिस्टर और एक कैपसिटर से जोड़ा गया है।

हम मानते हैं कि प्रारंभ में कैपसिटर डिस्चार्ज है। इसलिए, कैपसिटर वोल्टेज शून्य है।


  \[ V_C = 0 \]


इस स्थिति में, यूजेट बंद रहता है। और कैपसिटर नीचे दिए गए समीकरण द्वारा रेजिस्टर आर द्वारा चार्जिंग शुरू करता है।


  \[ V = V_0 (1-e^\frac{-t}{RC}) \]


कैपेसिटर जब तक चार्ज नहीं होता जब तक इसे अधिकतम आपूर्तित वोल्टेज VBB तक पहुंचना नहीं होता।

जब कैपेसिटर पर वोल्टेज आपूर्तित वोल्टेज से अधिक होता है, तो UJT ON हो जाता है। फिर कैपेसिटर चार्जिंग बंद कर देता है और रेजिस्टर R1 के माध्यम से डिचार्जिंग शुरू कर देता है।

कैपेसिटर डिचार्जिंग जारी रखता है जब तक कि कैपेसिटर वोल्टेज UJT के वैली वोल्टेज (VV) तक पहुंच नहीं जाता। उसके बाद, UJT OFF हो जाता है और कैपेसिटर का चार्जिंग शुरू हो जाता है।

इसलिए, कैपेसिटर का चार्जिंग और डिचार्जिंग प्रक्रिया कैपेसिटर पर एक सवारी तरंग उत्पन्न करती है। और वोल्टेज रेजिस्टर R2 पर डिचार्जिंग के दौरान दिखाई देता है और चार्जिंग के दौरान शून्य रहता है।

कैपेसिटर और रेजिस्टर R2 पर वोल्टेज तरंग नीचे दिए गए चित्र में दिखाई गई है।

ujt relaxation oscillator waveform
UJT Relaxation Oscillator Waveform

आराम ऑसिलेटर आवृत्ति

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर की आवृत्ति कापासिटर के चार्जिंग और डिसचार्जिंग समय पर निर्भर करती है। आरसी सर्किट में, चार्जिंग और डिसचार्जिंग समय समय नियतांक द्वारा निर्धारित होता है।

ओप-एम्प रिलैक्सेशन ऑसिलेटर की आवृत्ति

ओप-एम्प रिलैक्सेशन ऑसिलेटर में, R1 और C1 ऑसिलेशन की आवृत्ति में योगदान देते हैं। इसलिए, निम्न आवृत्ति की ऑसिलेशन के लिए, हमें कापासिटर के चार्जिंग और डिसचार्जिंग के लिए लंबा समय चाहिए। और लंबे समय के चार्जिंग और डिसचार्जिंग के लिए, हमें अधिक महत्वपूर्ण R1 और C1 सेट करने की आवश्यकता होती है।

इसी तरह, R1 और C1 का छोटा मान उच्च आवृत्ति की ऑसिलेशन का कारण बनता है।

लेकिन, आवृत्ति की गणना में, रेझिस्टर R2 और R3 भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। क्योंकि ये रेझिस्टर कापासिटर के थ्रेशहोल्ड वोल्टेज को निर्धारित करते हैं, और कापासिटर इस वोल्टेज स्तर तक चार्ज होता है।

यदि थ्रेशहोल्ड वोल्टेज कम है, तो चार्जिंग समय तेज होता है। इसी तरह, थ्रेशहोल्ड वोल्टेज अधिक है; चार्जिंग समय धीमा होता है।

इसलिए, ऑसिलेशन आवृत्ति R1, R2, R3, और C1 के मान पर निर्भर करती है। और ओप-एम्प रिलैक्सेशन ऑसिलेटर आवृत्ति का सूत्र है;


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


जहाँ,


  \[ k = \frac{R_2}{R_2+R_3} \]


अधिकांश परिस्थितियों में, R2 और R3 समान होते हैं ताकि डिजाइन और गणना आसान हो।


  \[ R_2 = R_3 = R \]



  \[ k = \frac{R}{2R} = \frac{1}{2} \]



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


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



  \[ f = \frac{1}{2.2 \times R_1 \times C_1} \]


R1 और C1 के मान रखकर, हम ओप-एंप रिलैक्सेशन ऑसिलेटर की आवृत्ति ज्ञात कर सकते हैं।

यूजेट रिलैक्सेशन ऑसिलेटर की आवृत्ति

यूजेट रिलैक्सेशन ऑसिलेटर में, आवृत्ति RC सर्किट पर निर्भर करती है। यूजेट रिलैक्सेशन ऑसिलेटर के सर्किट आरेख में दिखाए गए रोटी R1 और R2 धारा सीमित करने वाले प्रतिरोध हैं। और आवृत्ति रोटी R और कैपासिटर C पर निर्भर करती है।

यूजेट रिलैक्सेशन ऑसिलेटर के लिए आवृत्ति का सूत्र है;


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


जहाँ;

n = अंतर्निहित स्टैंड-ऑफ़ अनुपात। और n का मान 0.51 से 0.82 के बीच होता है।


  \[ n =  \frac{R_1}{R_1 + R_2} \]


यूजीटी को चालू करने के लिए आवश्यक न्यूनतम वोल्टेज है;


  \[ V = n V_{BB} + V_D \]


जहाँ,

VBB = आपूर्ति वोल्टेज

VD = इमिटर और बेस-2 टर्मिनल के बीच आंतरिक डायोड ड्रॉप

रेजिस्टर R का मान निम्नलिखित परिसर में सीमित है।


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


जहाँ,

VP, IP = चरम वोल्टेज और धारा

VV, IV = घाटी वोल्टेज और धारा

आराम संक्रियाकारी अवकल समीकरण

आराम संक्रियाकारी के परिपथ आरेख में, प्रतिरोधक R2 और R3 के मूल्य समान हैं। इसलिए, वोल्टेज विभाजक नियम के अनुसार;


  \[ V_+ = \frac{V_{out}}{2} \]


V ओम के नियम और कैपासिटर अवकल समीकरण से प्राप्त होता है;


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


इस अवकल समीकरण के दो हल हैं; विशेष हल और समघातीय हल।

विशेष हल के लिए, V- एक स्थिरांक है। मान लीजिए V = A। इसलिए, स्थिरांक का अवकलन शून्य है,


  \[ \frac{dV_-}{dt} = \frac{dA}{dt} = 0 \]



  \[ \frac{A}{RC} = \frac{V_{out}}{RC} \]



  \[V_{out} = A \]


समान घटकों के लिए, नीचे दिए गए समीकरण का लाप्लास रूपांतरण (Laplace transform) प्रयोग करें;


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



  \[ V_- = Be^{\frac{-1}{RC}t} \]


V विशिष्ट और समान घटकों का कुल है।


  \[ V_- = A + Be^{\frac{-1}{RC}t} \]


B के मान को ज्ञात करने के लिए, हमें प्रारंभिक स्थिति का मूल्यांकन करना आवश्यक है।


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



  \[ 0 = V_{dd} + Be^0 \]



  \[ B = -V_{dd} \]


इसलिए, V- का अंतिम समाधान है;


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


कंपेयरेटर विरुद्ध ऑप-एम्प्स

कंपेयरेटर को ऑप-एम्प्स के स्थान पर भी उपयोग किया जाता है। ऑप-एम्प्स की तरह, कंपेन्सेटर को रेल-टू-रेल चलाने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

कंपेयरेटर में ऑप-एम्प्स की तुलना में तेज़ राइज़ टाइम और फॉल टाइम होता है। इसलिए, ओसिलेटर सर्किट के लिए कंपेयरेटर ऑप-एम्प्स से अधिक उपयुक्त है।

ऑप-एम्प्स के मामले में, इसके पुश-पुल आउटपुट होते हैं। इसलिए, अगर आप ऑप-एम्प्स का उपयोग कर रहे हैं, तो पुल-अप रेजिस्टर का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं होती। लेकिन अगर आप कंपेयरेटर का उपयोग कर रहे हैं, तो आपको पुल-अप रेजिस्टर का उपयोग करना चाहिए।

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर्स के अनुप्रयोग

रिलैक्सेशन ऑसिलेटर्स का उपयोग किसी डिजिटल सर्किट के लिए एक आंतरिक क्लॉक सिग्नल उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। इसका उपयोग नीचे सूचीबद्ध अनुप्रयोगों में भी किया जाता है।

  • वोल्टेज नियंत्रित दोलक

  • स्मृति परिपथ

  • सिग्नल जनरेटर (घड़ी सिग्नल उत्पन्न करने के लिए)

  • स्ट्रोबोस्कोप

  • थायरिस्टर-आधारित परिपथ को चालू करना

  • मल्टी-वाइब्रेटर

  • टेलीविजन रिसीवर

  • गिनतारा

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