Relaxációs oszcillátor: Mi az? (És hogyan működik?)

Mező: Alapvető Elektrotechnika

China

Mi az ingadozó oszcillátor?

Az ingadozó oszcillátort olyan nem lineáris elektronikus oszcillátor áramként definiáljuk, amely nem szinuszoidális ismétlődő kimeneti jelet generál. Az ingadozó oszcillátort Henri Abraham és Eugene Bloch találta fel első világháború idején vakuumröhren használva.

Az oszcillátorok két különböző kategóriába sorolhatók: lineáris oszcillátorok (szinuszoidális hullámformákhoz) és ingadozó oszcillátorok (nem szinuszoidális hullámformákhoz).

Meg kell adnia egy ismétlődő és időben periodikus jelet, mint például a háromszög, négyzet és téglalap alakú hullámok a kimeneten.

Az ingadozó oszcillátor tervezésének tartalmaznia kell nem lineáris elemeket, mint például a tranzisztor, az Op-Amp vagy a MOSFET, valamint energiatároló eszközöket, mint például a kondenzátor és a teleszkóp.

A ciklus előállításához a kondenzátor és a teleszkóp folyamatosan töltse fel és ürítsen. A ciklus gyakorisága vagy az ingadozás periódusa a időállandostól függ.

Hogyan működik az ingadozó oszcillátor?

Az ingadozó oszcillátor energiatároló eszközöket tartalmaz, mint például a kondenzátor és a teleszkóp. Ezek az eszközök forrásból töltődnek fel, és egy terhelésen keresztül ürítenek.

Az ingadozó oszcillátor kimeneti hullámformájának alakja a kör időállandóságától függ.

Nézzük meg az ingadozó oszcillátorok működését egy példával.

rc relaxation oscillator — RC ingadozó oszcillátor

Itt egy kondenzátor van csatlakoztatva egy lámpa és egy akkumulátor között. Ez a kör általában flasher körnek vagy RC relaxációs oszcillátornak ismert.

Az akkumulátor tölti fel a kondenzátort a ellenálláson keresztül. A kondenzátor feltöltése közben a lámpa kikapcsolt állapotban marad.

Amikor a kondenzátor elérte a küszöbértékét, a lámpán keresztül tölthet le. Tehát a kondenzátor leterhelése közben a lámpa világít.

Amikor a kondenzátor letöltötte, újra a forrásból kezd feltenni. A lámpa ekkor is kikapcsolódik.

Tehát a kondenzátor feltöltése és leterhelése folyamatos és időszakos.

A kondenzátor feltöltési ideje a időállandóval határozható meg. Az időállandó értéke pedig az ellenállás és a kondenzátor értékétől függ az RC körben.

Ezért a lámpa villogási gyakorisága az ellenállás és a kondenzátor értékétől függ.

A lámpán átmenő hullámformák a következő ábrán láthatók.

rc relaxation oscillator waveform — RC Relaxációs Oszcillátor Hullámforma

A kimeneti hullámformák vezérléséhez a körben nemlineáris elemeket használnak.

Relaxációs Oszcillátor Kör Diagramja

A relaxációs oszcillátor kör diagramja tartalmaz egy nemlineáris eszközt, amely különböző típusú kimeneti hullámformákat generál. A nemlineáris eszközök használatának megfelelően a relaxációs oszcillátort három típusú kör diagram szerint osztják be.

Operációs erősítő nyugtató oszcillátor

Az operációs erősítő nyugtató oszcillátort gyakran astabil multivibrátornak is nevezik. Ezt használják négyzet alakú hullámok előállítására. Az operációs erősítő nyugtató oszcillátor áramkörének diagramja látható az alábbi ábrán.

op amp relaxation oscillator — Operációs erősítő nyugtató oszcillátor

Ez az áramkör tartalmaz egy kondenzátort, ellenállásokat és egy operációs erősítőt.

Az operációs erősítő nem-fordító beavatkozási csatlakozása egy RC-áramkörrel van összekötve. Így a kondenzátor feszültsége (VC) megegyezik a nem-fordító beavatkozási csatlakozás feszültségével (V-). A fordító beavatkozási csatlakozás az ellenállásokkal van összekötve.

Amikor az operációs erősítő pozitív visszacsatolással van ellátva, ahogy az az áramkörben látható, az áramkört Schmitt-trigger-nek nevezik.

Ha V+ nagyobb, mint V-, a kimeneti feszültség +12V. Ha V- nagyobb, mint V+, a kimeneti feszültség -12V.

Kezdeti feltételek szerint, t=0 időpillanatban, tegyük fel, hogy a kondenzátor teljesen lemerült. Így a nem-fordító beavatkozási csatlakozás feszültsége V-=0. A fordító beavatkozási csatlakozás feszültsége (V+) pedig βVout-val egyenlő.

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

A számítás megkönnyítése érdekében feltételezzük, hogy R2 és R3 megegyeznek. Tehát, β=2 és βVout=6V. Így a kondenzátor feltöltődik és lemerül 6V-ig.

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

Ebben az állapotban V+ nagyobb, mint V-. Tehát a kimeneti feszültség Vout=+12V. A kondenzátor elkezd feltölteni.

Amikor a kondenzátor feszültsége nagyobb, mint 6V, V- nagyobb, mint V+. Így a kimeneti feszültség -12V-ra változik.

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

Ebben az állapotban a negatív bejelző feszültsége megváltozik. Így, V+=-6V.

Most, a kondenzátor kibocsátja a -6V-ig. Amikor a kondenzátor feszültsége kisebb, mint -6V, újra V+ nagyobb, mint V-.

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

Tehát, ismét a kimeneti feszültség változik -12V-ről +12V-ra. És újra a kondenzátor elkezd töltődni.

Így, a kondenzátor töltési és kibocsátási ciklusai egy időben és ismétlődő négyzet alakú hullámot generálnak a kimeneti csapnál, ahogy az alábbi ábra mutatja.

op amp relaxation oscillator waveform — Operációs erősítő relaxációs oszcillátor hullámvonala

A kimeneti hullámforma frekvenciája függ a kondenzátor töltése és üresítésének időtartamától. A kondenzátor töltése és üresítésének időtartama pedig függ az RC áramkör ideiglenességétől.

UJT Relaxation Oscillator

Az UJT (unijunction tranzisztor) használatos kapcsolóeszközként a relaxációs oszcillátorban. Az UJT relaxációs oszcillátor ábrázolása a következő ábrán látható.

Az UJT emittora csatlakoztatva van egy ellenállással és egy kondenzátorral.

Feltételezzük, hogy kezdetben a kondenzátor üres. Tehát a kondenzátor feszültsége nulla.

$V_C = 0$

Ebben a helyzetben az UJT ki van kapcsolva. A kondenzátor elkezd töltődni az R ellenálláson keresztül az alábbi egyenlet szerint.

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

A kondenzátor folytatja töltését, amíg elérje a maximális ellátó feszültséget VBB.

Amikor a kondenzáton átmenő feszültség nagyobb, mint az ellátó feszültség, ekkor a UJT bekapcsolódik. Ekkor a kondenzátor leáll a töltésben, és kezd kibocsátani a R1 ellenálláson keresztül.

A kondenzátor folytatja a kibocsátást, amíg a kondenzátor feszültsége eléri a UJT völgyfeszültségét (VV). Ezt követően a UJT kikapcsolódik, és a kondenzátor töltése újraindul.

Ezért a kondenzátor töltési és kibocsátási folyamata egy csigahullámot generál a kondenzáton. A feszültség a R2 ellenálláson jelenik meg a kondenzátor kibocsátása során, és nulla marad a töltés közben.

A kondenzáton és a R2 ellenálláson lévő feszültség hullámképe az alábbi ábrán látható.

ujt relaxation oscillator waveform — UJT Relaxation Oscillator Waveform

A nyugalomban lévő oszcillátor frekvenciája

A nyugtázó oszcillátor frekvenciája függ a kondenzátor töltési és üresítési időtartamától. Az RC körben a töltési és üresítési időt a időállandó határozza meg.

Operációs erősítő nyugtázó oszcillátorának frekvenciája

Az operációs erősítő nyugtázó oszcillátorban az R1 és C1 hozzájárul az oszcilláció frekvenciához. Ezért, alacsonyabb frekvenciához szükség van hosszabb töltési és üresítési időre a kondenzátor esetében. És hosszabb töltési és üresítési idő érdekében nagyobb R1 és C1 értékre van szükség.

Hasonlóképpen, kisebb R1 és C1 érték magasabb frekvenciához vezet.

Azonban a frekvencia kiszámításában az R2 és R3 ellenállók is nagyon fontos szerepet játszanak. Mivel ezek az ellenállók döntik el a kondenzátor küszöbnyomását, és a kondenzátor ezen nyomási szintig tölt fel.

Ha a küszöbnyomás alacsonyabb, a töltés gyorsabb. Hasonlóképpen, ha a küszöbnyomás magasabb, a töltés lassabb.

Tehát az oszcilláció frekvenciája függ az R1, R2, R3 és C1 értékeitől. Az operációs erősítő nyugtázó oszcillátor frekvenciájának képlete:

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

Ahol,

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

A legtöbb esetben R2 és R3 megegyezik, hogy egyszerűsítse a tervezést és a számítást.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Ha behelyettesítjük az R1 és C1 értékeit, meghatározhatjuk az Op-Amp relaxációs oszcillátor rezgési frekvenciáját.

A UJT relaxációs oszcillátor frekvenciája

A UJT relaxációs oszcillátorban a frekvencia is függ az RC kör paramétereitől. Ahogy a UJT relaxációs oszcillátor áramkör-diagramján látható, az R1 és R2 ellenállások áramkorlátozó ellenállások. Az oszcilláció frekvenciája pedig az R ellenállás és a C kondenzátor értékétől függ.

A UJT relaxációs oszcillátor frekvenciájának képlete:

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

Ahol:

n = Intrinsic stand-off arány. Az n értéke 0.51 és 0.82 között helyezkedik el.

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

A UJT bekapcsolásához szükséges minimális feszültség:

$V = n V_{BB} + V_D$

Ahol,

VBB = tápegység feszültsége

VD = belső diódalecsengés az emítter és a bázis-2 terminál között

Az ellenállás R értéke a következő tartományon belül van határolva.

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

Ahol,

VP, IP = csúcsfeszültség és -áram

VV, IV = alagút feszültség és -áram

Rugalmas oszcillátor differenciális egyenlete

A rugalmas oszcillátor ábrázolásában az R2 és R3 ellenállók értékei egyenlőek. Így, a feszültségosztó szabály szerint:

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

A V– az Ohm-törvény és a kondenzátor differenciálegyenlete alapján kapható meg;

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

Ennek a differenciálegyenletnek két megoldása van; a partikuláris megoldás és a homogén megoldás.

A partikuláris megoldás esetében a V- állandó. Tegyük fel, hogy V– = A. Így, az állandó deriváltja nulla,

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

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

$V_{out} = A$

A homogén megoldáshoz használja az alábbi egyenlet Laplace-transzformáltját;

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

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

A V– az egyéni és homogén megoldások összege.

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

A B értékének meghatározásához meg kell határoznunk a kezdeti feltételt.

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

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

$B = -V_{dd}$

Tehát a V- végleges megoldása:

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

Összehasonlító és Op-Amp-ok

Az összehasonlító is használható az Op-Amp helyett. Az Op-Amp-hoz hasonlóan, az összehasonlítók is olyan módon tervezhetők, hogy a teljes működési tartományon belül legyenek meghajtva.

Az összehasonlító gyorsabb emelkedési és csökkenési idejű, mint az Op-Amp. Ezért az összehasonlító alkalmasabb, mint az Op-Amp, az oszcillátor áramkörökhez.

Az Op-Amp esetében a kimenete push-pull típusú. Tehát, ha Op-Amp-et használ, nem szükséges húzós ellenállást alkalmazni. Ha azonban összehasonlítót használ, akkor húzós ellenállás szükséges.

Megoldóoszcillátorok alkalmazásai

A megoldóoszcillátorok használhatók bármilyen digitális áramkör belső órajelének generálására. Ezen felül a következő alkalmazásokban is használhatók.

- Feszültség-ellenőrző oszcillátor
- Memóriák áramkörök
- Jelgenerátor (órajel generálásához)
- Stroboszkópok
- Thyristor-alapú áramkör indítása
- Multivibrátorok
- Televíziós fogadók
- Számolók
Kijelentés: Tisztelet az eredetihez, jó cikkek megosztásra méltóak, ha sérül a jog, kérjük, lépjen kapcsolatba a törlésért.