რელაქსაციური ოსცილატორი: რას წარმოადგენს? (და როგორ მუშაობს)

ველი: ბაზიური ელექტროტექნიკა

China

რა არის რელაქსაციური ოსცილატორი?

რელაქსაციური ოსცილატორი არის ნონ-ლინეარული ელექტრონული ოსცილატორის წრეუბითი სქემა, რომელიც შეძლებს არასინუსოიდური რეპეტიტიული გამოსავალი სიგნალის წარმოებას. რელაქსაციური ოსცილატორი იყო გამოგონილი ჰენრი აბრაჟამის და ეუჟენ ბლოშის მიერ პირველი მსოფლიო ომის დროს ვაკუუმური ტრუბის გამოყენებით.

ოსცილატორები კლასიფიცირდება არასამართლებად; ლინეარული ოსცილატორები (სინუსოიდური ტალღებისთვის) და რელაქსაციური ოსცილატორები (არასინუსოიდური ტალღებისთვის).

ის უნდა წარმოადგენდეს რეპეტიტიული და პერიოდული სიგნალს არასინუსოიდური ტალღებისთვის, როგორიცაა ტრიგონომეტრიული, კვადრატული და მართკუთხა ტალღები მის გამოსავალზე.

რელაქსაციური ოსცილატორის დიზაინი უნდა შეიცავდეს ნონ-ლინეარულ ელემენტებს, როგორიცაა ტრანზისტორი, ამპერამპერი ან MOSFET და ენერგიის შესანახად ადგილები, როგორიცაა კონდენსატორი და ინდუქტორი.

ციკლის წარმოებისთვის კონდენსატორი და ინდუქტორი უნდა ჩართული და გათიშული იყვნენ უსასრულოდ. და ციკლის ან ოსცილაციის პერიოდი დამოკიდებულია დროის მუდმივზე.

როგორ მუშაობს რელაქსაციური ოსცილატორი?

რელაქსაციური ოსცილატორი შეიცავს ენერგიის შესანახად ადგილებს, როგორიცაა კონდენსატორი და ინდუქტორი. ეს ადგილები ჩართული არიან წყაროს მიერ და გათიშული იქნებიან ტვირთის მიერ.

რელაქსაციური ოსცილატორის გამოსავალი ტალღის ფორმა დამოკიდებულია წრეუბის დროის მუდმივზე.

დავითვალოთ რელაქსაციური ოსცილატორების მუშაობა მაგალითით.

rc relaxation oscillator — RC რელაქსაციური ოსცილატორი

აქ კონდენსატორი შეერთებულია ფანრის და ბატარეის შორის. ეს სხეულიც ცნობილია როგორც ბრწყინვალე სხეული ან რს (RC) მშვიდობის ოსცილატორი.

ბატარეა კონდენსატორს ჩართული რეზისტორის მეშვეობით ჩართებს. კონდენსატორის ჩართვის დროს ფანრი გათიშულია.

როდესაც კონდენსატორი მიღებული არის თავის ზღვის მნიშვნელობამდე, ის ფანრის მეშვეობით გათიშება. ამიტომ, კონდენსატორის გათიშვის დროს ფანრი განთიადებულია.

როდესაც კონდენსატორი გათიშულია, ის ხელახლა წყაროს მეშვეობით ჩართება და ფანრი გათიშულია.

ამიტომ, კონდენსატორის ჩართვა და გათიშვა უწყვეტი და პერიოდული პროცესია.

კონდენსატორის ჩართვის დრო განისაზღვრება დროის მუდმივით. დროის მუდმივი კი დამოკიდებულია რეზისტორის და კონდენსატორის მნიშვნელობაზე რს სხეულში.

ამიტომ, ფანრის ბრწყინვალის სიხშირე განისაზღვრება რეზისტორის და კონდენსატორის მნიშვნელობებით.

ფანრის მიერ განსაზღვრული განახავი ტალღები ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ რისუნაზე.

rc relaxation oscillator waveform — რს მშვიდობის ოსცილატორის ტალღის განახავი

გამოსატანი ტალღის კონტროლისთვის სხეულში გამოიყენება არალინეარული ელემენტები.

რს მშვიდობის ოსცილატორის სხეულის დიაგრამა

რს მშვიდობის ოსცილატორის სხეულის დიაგრამაში შედის არალინეარული მოწყობილობა განსხვავებული ტიპის გამოსატანი ტალღის შესაქმნელად. არალინეარული მოწყობილობების გამოყენების მიხედვით, რს მშვიდობის ოსცილატორი კლასიფიცირდება სამი ტიპის სხეულის დიაგრამად.

ოპ-ამპის რელაქსაციური ოსცილატორი

ოპ-ამპის რელაქსაციური ოსცილატორი ასევე ცნობილია როგორც ასტეიბლური მულტივიბრატორი. ის გამოიყენება კვადრატული ტალღების შესაქმნელად. ოპ-ამპის რელაქსაციური ოსცილატორის სქემა ჩანაწერში ნაჩვენებია.

op amp relaxation oscillator — ოპ-ამპის რელაქსაციური ოსცილატორი

ეს სქემა შეიცავს კონდენსატორს, რეზისტორებს და ოპ-ამპს.

ოპ-ამპის არაინვერტირების ტერმინალი დაკავშირებულია RC სქემასთან. ასე რომ, კონდენსატორის ძაბვა VC იგივეა, რაც არაინვერტირების ტერმინალის ძაბვა V- ოპ-ამპზე. ხოლო ინვერტირების ტერმინალი დაკავშირებულია რეზისტორებთან.

როდესაც ოპ-ამპი გამოიყენება დადებითი უკუმიმართვით, როგორც ჩანაწერში ნაჩვენებია, ეს სქემა ცნობილია როგორც შმიტის გამომწვევი.

როდესაც V+ მეტია V-ზე, გამომავალი ძაბვა არის +12V. ხოლო როდესაც V- მეტია V+-ზე, გამომავალი ძაბვა არის -12V.

საწყისი პირობით, დრო t=0-ზე, ჩათვალეთ, რომ კონდენსატორი სრულად დახურულია. ამიტომ არაინვერტირების ტერმინალის ძაბვა V-=0. ხოლო ინვერტირების ტერმინალის ძაბვა V+ ტოლია βVout.

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

გამარტივებისთვის, ჩვენ ვფიქრობთ, რომ R2 და R3 არის იგივე. ასე რომ, β=2 და βVout=6V. შესაბამისად, კონდენსატორი იტვირთება და გახურდება 6V-მდე.

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

ამ პირობებში, V+ არის მეტი V-ზე. შესაბამისად, გამომავალი ძაბვა Vout=+12V. და კონდენსატორი იწყებს ტვირთვას.

როდესაც კონდენსატორის ძაბვა აღემატება 6V-ს, V- არის მეტი V+-ზე. შესაბამისად, გამომავალი ძაბვა იცვლება -12V-ზე.

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

ამ პერიოდში, ინვერსიული ტერმინალის ძაბვა ცვლის პოლარობას. ასე რომ, V+=-6V.

ახლა, კონდენსატორი გადატვირთება -6V-მდე. როდესაც კონდენსატორის ძაბვა ნაკლებია -6V-ზე, კიდევ ერთხელ V+ აღემატება V-.

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

ასე რომ, კიდევ ერთხელ გამომავალი ძაბვა ცვლის -12V-ს +12V-ზე. და კიდევ ერთხელ კონდენსატორი იწყებს ჩატვირთვას.

ასე რომ, კონდენსატორის ჩატვირთვა და გადატვირთვა ქმნის პერიოდულ და რეპეტიტიულ კვადრატულ ტალღას გამომავალ ტერმინალზე, როგორც ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში.

op amp relaxation oscillator waveform — OP-ამპის რელაქსაციური ოსცილატორის ტალღის ფორმა

გამოსვლის ტალღის სიხშირე დამოკიდებულია კონდენსаторის ჩართვისა და გათრევის დროზე. კონდენსаторის ჩართვის-გათრევის დრო კი დამოკიდებულია RC სქემის დროსის მუდმივეზე.

UJT რელაქსაციული ოსცილატორი

UJT (უნიჯანქციონი ტრანზისტორი) გამოიყენება რელაქსაციულ ოსცილატორში როგორც სიგნალის რეგულატორი. UJT რელაქსაციული ოსცილატორის სქემა ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში.

ujt relaxation oscillator — UJT რელაქსაციული ოსცილატორი

UJT-ის ემიტერი კავშირის პროცესში კავშირდება რეზისტორთან და კონდენსატორთან.

ვერთვით, რომ საწყის პერიოდში კონდენსატორი გათრეულია. ამიტომ კონდენსატორის ვოლტაჟი ნულია.

$V_C = 0$

ამ პირობებში, UJT გარეშე რჩება. კონდენსატორი კი იწყებს ჩართვას რეზისტორი R-ის მეშვეობით ქვემოთ მოცემული განტოლებით.

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

კონდენსატორი იტვირთება მაქსიმალურამდე მიწოდებული ძაბვის მნიშვნელობამდე VBB.

როდესაც კონდენსატორზე აღემატება მიწოდებულ ძაბვას, ჩართულია UJT. შემდეგ კონდენსატორი შეწყვეტს იტვირთებას და იწყებს მუხტის განთვითრებას რეზისტორის მეშვეობით R1.

კონდენსატორი განაგრძობს განმუშავებას მანამ, სანამ კონდენსატორის ძაბვა არ მიაღწევს UJT-ის ველის ძაბვას (VV). ამის შემდეგ, UJT გამოირთვება და იწყებს კონდენსატორის იტვირთვას.

ამგვარად, კონდენსატორის იტვირთვისა და განმუშავების პროცესი იწვევს კბილანას ფორმის ტალღურ ფორმას კონდენსატორზე. და ძაბვა გამოიხატება რეზისტორზე R2 კონდენსატორის განმუშავების დროს და ნულის ტოლია კონდენსატორის იტვირთვის დროს.

კონდენსატორზე და რეზისტორზე R2 მოქმედი ძაბვის ტალღური ფორმა ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ნახაზზე.

ujt relaxation oscillator waveform — UJT Relaxation Oscillator Waveform

Relaxation Oscillator Frequency

რელაქსაციის ოსცილატორის სიხშირე დამოკიდებულია კონდენსატორის ჩართვისა და გათრევის დროზე. RC სქემაში ჩართვისა და გათრევის დრო განისაზღვრება დროის მუდმივით.

ოპ-ამპის რელაქსაციის ოსცილატორის სიხშირე

ოპ-ამპის რელაქსაციის ოსცილატორში R₁ და C₁ ვრცელი სიხშირის ფორმირებაში მოიხსენიება. ამიტომ, დაბალი სიხშირის გასამართლებლად გვჭირდება უფრო დიდი დრო კონდენსატორის ჩართვისა და გათრევისთვის. და დიდი დროისთვის ჩართვისა და გათრევისთვის უნდა დავაყენოთ უფრო დიდი R₁ და C₁.

ანალოგიურად, ნაკლები R₁ და C₁ მნიშვნელობა იწვევს უფრო მაღალ სიხშირეს.

თუმცა, სიხშირის გამოთვლაში რეზისტორები R₂ და R₃ ასევე თავსებადი როლის ითამაშებენ. რადგან ეს რეზისტორები განსაზღვრავენ კონდენსატორის რეზისტორის რეჟიმს, და კონდენსატორი ჩაირთება ამ ვოლტაჟის დონემდე.

თუ რეზისტორის რეჟიმი დაბალია, ჩართვის დრო უფრო სწრაფია. ანალოგიურად, რეზისტორის რეჟიმი მაღალია, ჩართვის დრო უფრო დიდია.

ამიტომ, რელაქსაციის ოსცილატორის სიხშირე დამოკიდებულია R₁, R₂, R₃ და C₁ მნიშვნელობებზე. და ოპ-ამპის რელაქსაციის ოსცილატორის სიხშირის ფორმულა არის;

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

სადაც,

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

უმეტეს შემთხვევებში, R2 და R3 არის იდენტური, რათა გაამარტივოს დიზაინი და გამოთვლები.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

R1-ისა და C1-ის მნიშვნელობების ჩასმით შეგვიძლია გამოვთვალოთ ოპ-ამპის რელაქსაციული ოსცილატორის რხევის სიხშირე.

UJT რელაქსაციული ოსცილატორის სიხშირე

UJT რელაქსაციული ოსცილატორში სიხშირე ასევე დამოკიდებულია RC წრედზე. UJT რელაქსაციული ოსცილატორის სქემაში ჩანს, რომ რეზისტორები R1 და R2 არიან სიმბრის შეზღუდვის რეზისტორები. რხევის სიხშირე დამოკიდებულია რეზისტორი R-ზე და კონდენსატორი C-ზე.

UJT რელაქსაციული ოსცილატორის სიხშირის ფორმულა არის:

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

სადაც;

n = ინტრინსიკური დაშორების კოეფიციენტი. n-ის მნიშვნელობა ერთეულში არის 0.51-დან 0.82-მდე.

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

UJT-ის ჩართვისთვის დასაჭირო უმცირესი შემოწმება არის

$V = n V_{BB} + V_D$

სადაც

VBB = გამოყენების ძაბვა

VD = შიდა დიოდის დახრილობა ემიტერსა და ბაზის 2-ელ ტერმინალს შორის

რეზისტორი R-ის მნიშვნელობა შეზღუდულია შემდეგი დიაპაზონით.

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

სადაც,

VP, IP = პიკური წელტობა და მძიმა

VV, IV = ხვრელის წელტობა და მძიმა

რელაქსაციის ოსცილატორის დიფერენციალური განტოლება

რელაქსაციის ოსცილატორის სქემაში რეზისტორები R2 და R3 აiliki ტოლი მნიშვნელობები. ამიტომ, ვოლტის დივიზორის წესით;

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

V– იღება ომის კანონით და კონდენსატორის დიფერენციალური განტოლებით;

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

ამ დიფერენციალურ განტოლებას აქვს ორი გადაწყვეტილება: კონკრეტული გადაწყვეტილება და ჰომოგენური გადაწყვეტილება.

კონკრეტული გადაწყვეტილებისთვის V- არის მუდმივა. დავუშვათ, რომ V– = A. ამიტომ, მუდმივის დიფერენცირება ნულია,

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

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

$V_{out} = A$

ჰომოგენური ამოხსნისთვის გამოიყენეთ შემდეგი განტოლების ლაპლასის ტრანსფორმაცია:

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

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

V– არის კონკრეტული და ჰომოგენური ამოხსნების ჯამი.

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

B-ის მნიშვნელობის პოვნა საჭიროა დაწყებითი პირობის გაფორმებით.

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

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

$B = -V_{dd}$

ასე რომ, V- ს საბოლოო ამონახსნი;

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

კომპარატორი წინა შემდგომის ოპერაციული ძაღლები

კომპარატორი ასევე გამოიყენება Op-Amp-ის ნაცვლად. Op-Amp-ის მსგავსად, კომპენსატორები შექმნილია რაილ-სარკმლის მისაზიდად.

კომპარატორს აქვს უფრო სწრაფი ზრდის და დაცემის დრო, შედარებით Op-Amp-თან. ამიტომ, კომპარატორი უფრო შესაფერისია Op-Amp-ზე ოსცილატორული წრედისთვის.

Op-Amp-ის შემთხვევაში, მას აქვს push-pull გამოტანები. ასე რომ, თუ თქვენ იყენებთ Op-Amp-ს, არ არის აუცილებელი pull-up რეზისტორის გამოყენება. მაგრამ თუ თქვენ იყენებთ კომპარატორს, უნდა გამოიყენოთ pull-up რეზისტორი.

რელაქსაციური ოსცილატორების გამოყენება

რელაქსაციური ოსცილატორები გამოიყენება ნებისმიერი ციფრული წრედისთვის შიდა საათის სიგნალის გენერირებისთვის. ისინი ასევე გამოიყენება ქვემოთ ჩამოთვლილ გამოყენებებში.

- დარტყმის კონტროლის ოსცილატორი
- მეხსიერების ქვედარგები
- სიგნალის გენერატორი (სათავური სიგნალების შესაქმნელად)
- სტრობოსკოპები
- თაირისტორზე დაფუძნებული ქვედარგის აქტივირება
- მრავალ-ვიბრატორები
- ტელევიზორების რეცეივერები
- სათვალეები
დეკლარაცია: პიროვნების პრინციპის დაცვა, კარგი სტატიები ღირს გაზიარების, თუ არსებულია დარღვევა დაკავშირდით წაშლისთვის.