Oscilator opuštanja: Što je to? (I kako radi)

Polje: Osnovna elektrotehnika

China

Što je generator relaksacije?

Generator relaksacije definira se kao nelinearni elektronički generator koji može generirati ponavljajući izlazni signal koji nije sinusni. Generator relaksacije izumili su Henri Abraham i Eugene Bloch koristeći vakuumsku cijev tijekom Prvog svjetskog rata.

Generatori klasificiraju se u dvije različite kategorije; linearni generatori (za sinusne talase) i generatori relaksacije (za nesinusne talase).

Mora pružiti ponavljajući i periodični signal za nesinusne talase poput trokutastih, kvadratnih i pravokutnih talasa na svojem izlazu.

Dizajn generatora relaksacije mora uključivati nelinearne elemente poput transistora, Op-Ampa ili MOSFET-a te uređaja za pohranu energije poput kondenzatora i indukcije.

Da bi se proizvela ciklusa, kondenzator i indukcija neprekidno nabijaju i ispraznjavaju. A frekvencija cikluse ili period oscilacije ovisi o vremenskoj konstanti.

Kako radi generator relaksacije?

Generator relaksacije sadrži uređaje za pohranu energije poput kondenzatora i indukcije. Ovi uređaji se nabijaju izvorom i ispraznjavaju kroz opterećenje.

Oblik izlaznog talasa generatora relaksacije ovisi o vremenskoj konstanti kruga.

Razumijemo rad generatora relaksacije s primjerom.

rc generator relaksacije — RC Generator relaksacije

Ovdje je kondenzator spojen između svjetiljke i baterije. Ova shema se također zove flasher shema ili RC relaksacijski oscilator.

Baterija napaja kondenzator kroz otpornik. Tijekom punjenja kondenzatora, svjetiljka ostaje u isključenom stanju.

Kada kondenzator doseže svoju pragovnu vrijednost, on se raznapije kroz svjetiljku. Tako, tijekom raznapijanja kondenzatora, svjetiljka svjeti.

Kada je kondenzator raznapijen, ponovno počinje punjenje od strane izvora. I svjetiljka ostaje isključena.

Dakle, proces punjenja i raznapijanja kondenzatora je kontinuiran i periodičan.

Vrijeme punjenja kondenzatora određuje vremenska konstanta. A vremenska konstanta ovisi o vrijednosti otpornika i kondenzatora za RC shemu.

Stoga, stopa treptanja svjetiljke odlučuje se vrijednošću otpornika i kondenzatora.

Valni oblici na svjetiljci prikazani su na sljedećoj slici.

rc relaxation oscillator waveform — Valni oblik RC relaksacijskog oscilatora

Za kontrolu izlaznog valnog oblika, u shemi se koriste nelinearni elementi.

Shema relaksacijskog oscilatora

Shema relaksacijskog oscilatora sadrži nelinearni uređaj za generiranje različitih vrsta izlaznih valnih oblika. Prema upotrebi nelinearnih uređaja, relaksacijski oscilator se klasificira u tri vrste shematskih dijagrama.

Op-Amp Relaxation Oscillator

Ojačavajući pojačavač s opuštanjem, također poznat kao nestabilni multivibrator, koristi se za generiranje kvadratnih valova. Shema ojačavajućeg pojačavača s opuštanjem prikazana je na sljedećoj slici.

Ova shema sadrži kondenzator, otpornike i ojačavajući pojačavač.

Nevinvertirajući ulaz ojačavajućeg pojačavača povezan je s RC shemom. Stoga je napon kondenzatora VC jednak naponu na neinvertirajućem ulazu V- ojačavajućeg pojačavača. A invertirajući ulaz povezan je s otpornicima.

Kada se ojačavajući pojačavač koristi s pozitivnom povratnom sprijecanjem, kako je prikazano u shemi, taj krug poznat je kao Schmittov okidač.

Kada je V+ veće od V-, izlazni napon je +12V. A kada je V- veće od V+, izlazni napon je -12V.

Za početno stanje, u trenutku t=0, pretpostavimo da je kondenzator potpuno ispušten. Stoga je napon na neinvertirajućem ulazu V-=0. A napon na invertirajućem ulazu V+ jednak je βVout.

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

Da bi se olakšalo izračunavanje, smatramo da su R2 i R3 isti. Stoga je β=2 i βVout=6V. Dakle, kondenzator će se napajati i ispraznjivati do 6V.

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

U ovim uvjetima, V+ je veće od V-. Stoga je izlazna napetost Vout=+12V. I kondenzator počinje se napajati.

Kada je napetost kondenzatora veća od 6V, V- je veće od V+. Stoga se izlazna napetost mijenja u -12V.

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

U tokom ovog stanja, napetost na inverznom ulazu mijenja svoju polaritet. Stoga, V+ = -6V.

Sada kondenzator ispunjava do -6V. Kada je napetost na kondenzatoru manja od -6V, opet V+ je veće od V-.

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

Stoga, ponovno izlazna napetost mijenja vrijednost s -12V na +12V. I opet, kondenzator počinje nabijati.

Dakle, ciklus nabijanja i ispunjavanja kondenzatora generira periodični i ponavljajući kvadratni val na izlaznom ulazu, kao što je prikazano na slici ispod.

op amp relaxation oscillator waveform — Valna oblika op-amplifikatora za relaksacijski oscilator

Frekvencija izlazne valne forme ovisi o vremenu punjenja i ispunjenja kondenzatora. A vrijeme punjenja i ispunjenja kondenzatora ovisi o vremenskoj konstanti RC kruga.

UJT Relaxation Oscillator

UJT (unijunction tranzistor) koristi se kao uređaj za prekid u rastužujućem oscilatoru. Shema UJT rastužujućeg oscilatora prikazana je na slici ispod.

Emiterski terminal UJT-a spojen je s otpornikom i kondenzatorom.

Pretpostavljamo da je na početku kondenzator ispunjen. Stoga je napon kondenzatora nula.

$V_C = 0$

U ovom stanju, UJT ostaje ISKLJUČEN. I kondenzator počinje punjenje kroz otpornik R prema jednadžbi ispod.

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

Kondenzator nastavlja se napajati dok ne doseže maksimalnu naponsku razinu VBB.

Kada je napon na kondenzatoru veći od naponske razine na izvoru, omogućuje se da UJT bude uključen. Tada kondenzator prestaje s napajanjem i počinje ispraznjava kroz otpornik R1.

Kondenzator nastavlja se ispraznjavati dok napon na kondenzatoru ne doseže dolinsku naponsku razinu (VV) UJT-a. Nakon toga, UJT isključuje se i počinje ponovno napajanje kondenzatora.

Stoga, proces napajanja i ispraznjava kondenzatora generira zubastu valnu formu na kondenzatoru. I napon se pojavljuje na otporniku R2 tijekom ispraznjava kondenzatora i ostaje nula tijekom napajanja kondenzatora.

Valna forma napona na kondenzatoru i otporniku R2 prikazana je na sljedećoj slici.

ujt relaxation oscillator waveform — Valna forma UJT relaksacijskog oscilatora

Frekvencija relaksacijskog oscilatora

Frekvencija oscilatora opuštanja ovisi o vremenu punjenja i ispunjenja kondenzatora. U RC krugu, vrijeme punjenja i ispunjenja odlučuje vremenska konstanta.

Frekvencija oscilatora opuštanja s operacijskim pojačačem

U oscilatoru opuštanja s operacijskim pojačačem, R1 i C1 doprinose frekvenciji oscilacije. Stoga, za niže frekvencije oscilacije, potrebno je duže vrijeme punjenja i ispunjenja kondenzatora. Za duže vrijeme punjenja i ispunjenja, potrebno je postaviti veće R1 i C1.

Slično tome, manje vrijednosti R1 i C1 uzrokuju više frekvencije oscilacije.

Međutim, u izračunu frekvencije, otpornici R2 i R3 također igraju važnu ulogu. Jer ovi otpornici odlučuju pragovnu napetost kondenzatora, a kondenzator će se napuniti do tog nivoa napetosti.

Pretpostavimo da je pragovna napetost niža, vrijeme punjenja je brže. Slično tome, ako je pragovna napetost viša, vrijeme punjenja je sporije.

Stoga, frekvencija oscilacije ovisi o vrijednostima R1, R2, R3 i C1. Formula za frekvenciju oscilatora opuštanja s operacijskim pojačačem je;

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

gdje,

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

U većini slučajeva, R2 i R3 su isti kako bi se pojednostavili dizajn i izračun.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Umetanjem vrijednosti R1 i C1, možemo odrediti frekvenciju oscilacije op-amp relaksacijskog oscilatora.

Frekvencija UJT relaksacijskog oscilatora

U UJT relaksacijskom oscilatoru, frekvencija također ovisi o RC krugu. Kao što je prikazano na shemi UJT relaksacijskog oscilatora, otpornici R1 i R2 su ograničujući strujni otpornici. Frekvencija oscilacije ovisi o otporniku R i kondenzatoru C.

Formula za frekvenciju UJT relaksacijskog oscilatora je:

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

Gdje je:

n = Intrinsic stand-off ratio. Vrijednost n se nalazi između 0.51 i 0.82.

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

Minimalna potrebna naponska razina za uključivanje UJT-a je;

$V = n V_{BB} + V_D$

gdje,

VBB = naponski izvor

VD = pad napona unutarnjeg dioda između emitera i baze-2 prijelaznog čvora

Vrijednost otpornika R ograničena je sljedećim opsegom.

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

gdje,

VP, IP = vrhovni napon i struja

VV, IV = danički napon i struja

Diferencijalna jednadžba relaksacijskog oscilatora

U shemi relaksacijskog oscilatora, otpornici R2 i R3 imaju jednakih vrijednosti. Stoga, prema pravilu podjeljene napona;

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

V– dobiva se primjenom Ohmova zakona i diferencijalne jednadžbe kondenzatora;

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

Postoje dvije rješenja ove diferencijalne jednadžbe; posebno rješenje i homogena rješenja.

Za posebno rješenje, V- je konstanta. Pretpostavimo da je V– = A. Stoga, derivacija konstante je nula,

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

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

$V_{out} = A$

Za homogeno rješenje, koristite Laplaceovu transformaciju sljedeće jednadžbe;

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

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

V– je zbroj posebnog i homogenog rješenja.

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

Za određivanje vrijednosti B, potrebno je procijeniti početni uvjet.

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

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

$B = -V_{dd}$

Dakle, konačno rješenje za V- je;

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

Usporedba usporednika i operacijskih pojačala

Usporednik se također koristi umjesto operacijskog pojačala. Slično operacijskom pojačalu, kompenzatori su dizajnirani da se pokreću od zračne do zračne trake.

Usporednik ima brži vremenski interval uzlaznog i silaznog toka u usporedbi s operacijskim pojačalima. Stoga je usporednik prikladniji od operacijskog pojačala za oscilatorske krugove.

U slučaju operacijskog pojačala, ono ima izlaze s push-pull strukturom. Stoga, ako koristite operacijsko pojačalo, nije potrebno koristiti otpornik za povlačenje. Ako koristite usporednik, morate koristiti otpornik za povlačenje.

Primjene relaksacijskih oscilatora

Relaksacijski oscilatori se koriste za generiranje internog signala tijeka vremena za bilo koji digitalni krug. Također se koriste u sljedećim primjenama.