Relaksācijas oscilators: Kas tas ir? (Un kā tas darbojas)

Lauks: Pamata elektrotehnika

China

Kas ir relaksācijas oscilators?

Relaksācijas oscilators ir definēts kā nelineārs elektronisks oscilatora shēma, kas var ģenerēt nesinusoidālu atkārtotu izvades signālu. Relaksācijas oscilators tika izgudrots Henri Abraham un Eugene Bloch arīstās vakuumrūpnes laikā Pirmajā pasaules karā.

Oscilatori tiek klasificēti divos dažādos kategorijās; lineāri oscilatori (sinusoidāliem formiem) un relaksācijas oscilatori (nesinusoidāliem formiem).

Tām jānodrošina atkārtots un periodisks signāls nesinusoidāliem formiem, piemēram, trīsstūra, kvadrāta un taisnstūra formiem tās izvadē.

Relaksācijas oscilatora dizainam jāiekļauj nelineārie elementi, piemēram, tranzistori, Op-Amps vai MOSFET, un enerģijas krātošie ierīces, piemēram, kapacitori un induktora.

Lai radītu ciklu, kapacitors un induktors nepārtraukti uzlādējas un atlādējas. Un frekvence cikla vai oscilācijas periods atkarīgs no laika konstantes.

Kā darbojas relaksācijas oscilators?

Relaksācijas oscilators satur enerģijas krātošās ierīces, piemēram, kapacitoru un induktoru. Šīs ierīces tiek uzlādētas avota rīcībā un atlādējas caur slodzes.

Relaksācijas oscilatora izvades formu forma atkarīga no šķira laika konstantes.

Izpratnē par relaksācijas oscilatoru darbību, aplūkosim piemēru.

rc relaxation oscillator — RC Relaksācijas oscilators

Šeit kondensators ir savienots starp spuldzi un akumulatoru. Šī shēma ir arī pazīstama kā blikšķošanas shēma vai RC atpūtas oscilators.

Akumulators uzlādē kondensatoru caur rezistoru. Uzlādes laikā spuldze paliek izslēgta.

Kad kondensators sasniedz savu slodzi, tas atlādējas caur spuldzi. Tātad, atlādēšanās laikā spuldze gaišo.

Kad kondensators ir pilnībā atlādējies, tas atkal sāk uzlādēties no avota. Un spuldze paliek izslēgta.

Tātad, kondensatora uzlādēšanās un atlādēšanās process ir nepārtraukts un periodisks.

Kondensatora uzlādēšanās laiks nosaka laika konstanti. Laika konstante atkarīga no rezistora un kondensatora vērtībām RC shēmā.

Tātad, spuldzes blikšķošanas frekvence noteikta rezistora un kondensatora vērtībām.

Spuldzes garā novērojamie signāli ir parādīti zemāk esošajā attēlā.

rc relaxation oscillator waveform — RC Atpūtas Oscilatora Signāla Formas

Lai kontrolētu izvades signālu, šķīrņā tiek izmantoti nelīnijas elementi.

Atpūtas Oscilatora Shēma

Atpūtas oscilatora shēmā ir iekļauts nelīnijas elements, lai ģenerētu dažādas izvades signālu formas. Atkarībā no nelīnijas elementu izmantošanas, atpūtas oscilators tiek sadalīts trīs veidos.

Operācijas amplifikatora atpūtas oscilators

Operācijas amplifikatora atpūtas oscilators ir arī zināms kā nestabilais multivibrators. Tā izmantošana ir saistīta ar kvadrātveida signālu ģenerēšanu. Operācijas amplifikatora atpūtas oscilatora shēma ir parādīta zemāk esošajā attēlā.

op amp relaxation oscillator — Operācijas amplifikatora atpūtas oscilators

Šai shēmai ir iekļauts kondensators, reostri un operācijas amplifikators.

Operācijas amplifikatora neinvertojošajam ieceļam ir savienots RC kontūras. Tāpēc kondensatora spriegums VC ir tāds pats kā spriegums neinvertojošajam ieceļam V- operācijas amplifikatorā. Invertojošajam ieceļam ir savienoti reostri.

Ja operācijas amplifikators tiek izmantots ar pozitīvo atgriezeni, kā tas redzams shēmā, šī shēma ir pazīstama kā Šmita trigeris.

Ja V+ ir lielāks par V-, izvades spriegums ir +12V. Un ja V- ir lielāks par V+, izvades spriegums ir -12V.

Sākotnējā stāvoklī, laikā t=0, pieņemsim, ka kondensators ir pilnībā izlaists. Tāpēc neinvertojošā ieceļa spriegums V-=0. Invertojošā ieceļa spriegums V+ ir vienāds ar βVout.

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

Lai vienkāršot aprēķinus, pieņemam, ka R2 un R3 ir vienādi. Tātad, β=2 un βVout=6V. Tādējādi, kondensators uzlādēsies un atlādēsies līdz 6V.

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

Šajā situācijā V+ ir lielāks nekā V-. Tātad, izvades spriegums Vout=+12V. Un kondensators sāk uzlādēties.

Kad kondensatora spriegums pārsniedz 6V, V- kļūst lielāks nekā V+. Tātad, izvades spriegums mainās uz -12V.

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

Šajā stāvoklī inversijas termināla spriegums maiņo savu polaritāti. Tātad, V+=-6V.

Tagad kondensators izrādās līdz -6V. Kad kondensatora spriegums ir mazāks par -6V, atkal V+ ir lielāks par V-.

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

Tātad, atkal izvades spriegums mainās no -12V uz +12V. Un atkal kondensators sāk uzlādēties.

Tātad, kondensatora uzlādes un atlādes cikls ģenerē periodisku un atkārtotu kvadrātvirzieni izvades terminālā, kā redzams zemāk esošajā diagrammā.

op amp relaxation oscillator waveform — Operācijas pastiprinātāja relaksācijas oscilatora virziena diagramma

Izvades signāla frekvence atkarīga no kondensatora uzlādes un atlādes laika. Kondensatora uzlādes un atlādes laiks atkarīgs no RC shēmas laika konstantes.

UJT Atbrīvošanās Oskilators

UJT (unijunkcijas tranzistors) tiek izmantots kā pārslēguma ierīce atbrīvošanās oskilatorā. UJT atbrīvošanās oskilatora shēma ir attēlotā zīmējumā zemāk.

ujt relaxation oscillator — UJT Atbrīvošanās Oskilators

UJT emiteris savienots ar rezistoru un kondensatoru.

Pieņemsim, ka sākotnēji kondensators ir atlādēts. Tātad, kondensatora spriegums ir nulle.

$V_C = 0$

Šajā stāvoklī UJT paliek izslēgts. Un kondensators sāk uzlādēties caur rezistoru R, atbilstoši zemāk minētajai vienādojumam.

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

Kondensators turpina uzlādēties, līdz sasniedz maksimālo piegādāto spriegumu VBB.

Ja kondensatora virsotne ir lielāka nekā piegādātais spriegums, tas ļauj UJT ieslēgties. Tad kondensators pārtrauc uzlādēšanos un sāk atlādēties caur rezistoru R1.

Kondensators turpina atlādēties, līdz kondensatora spriegums sasniedz UJT leju spriegumu (VV). Pēc tam UJT izslēdzas un sāk kondensatora uzlādēšanu.

Tādējādi, kondensatora uzlādēšanas un atlādēšanas process veido zobiņveida signālu pāri kondensatoram. Un spriegums, kas parādās pāri rezistoram R2 laikā, kad kondensators atlādējas, un paliek nullei laikā, kad kondensators uzlādējas.

Sprieguma signāls pāri kondensatoram un rezistoram R2 ir parādīts zemāk esošajā attēlā.

ujt relaxation oscillator waveform — UJT Relaxation Oscillator Waveform

Atslabojuma oscilatora frekvence

Atvēršanas oscilatora frekvence atkarīga no kondensatora uzlādes un atlādes laika. RC shēmā uzlādes un atlādes laiks nosaka pa laikā konstanti.

Operācijas pastiprinātāja atvēršanas oscilatora frekvence

Operācijas pastiprinātāja atvēršanas oscilatorā R1 un C1 ieguldījums frekvencē. Tādēļ, zemākai frekvencei mums ir nepieciešams ilgāks laiks kondensatora uzlādei un atlādei. Un ilgākam uzlādes un atlādes laikam mums jāiestata lielāks R1 un C1.

Līdzīgi, mazāka R1 un C1 vērtība rada augstāku frekvenci.

Tomēr, frekvences aprēķinā, rezistori R2 un R3 arī spēlē svarīgu lomu. Šie rezistori noteiks kondensatora slodzes spriegumu, un kondensators uzlādēsies līdz šim sprieguma līmenim.

Ja slodzes spriegums ir zemāks, uzlādes laiks ir ātrāks. Līdzīgi, ja slodzes spriegums ir augstāks, uzlādes laiks ir lēnāks.

Tātad, oscilācijas frekvence atkarīga no R1, R2, R3 un C1 vērtībām. Un operācijas pastiprinātāja atvēršanas oscilatora frekvences formula ir;

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

Kur,

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

Lielākajā daļā gadījumiem R2 un R3 ir vienādi, lai veicinātu vieglāku dizainu un aprēķinus.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Ievādot R1 un C1 vērtības, mēs varam atrast Op-Amp atpūtas oscilatora svārņu frekvenci.

UJT atpūtas oscilatora frekvence

UJT atpūtas oscilatorā frekvence arī ir atkarīga no RC šķērpes. Kā redzams UJT atpūtas oscilatora shēmā, rezistori R1 un R2 ir strāvas ierobežojošie rezistori. Un svārņu frekvence atkarīga no rezistora R un kondensatora C.

UJT atpūtas oscilatora frekvences formula ir;

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

Kur;

n = Intriņskais stāvokļa attiecība. Un n vērtība atrodas starp 0.51 un 0.82.

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

Lai ieslēgt UJT, nepieciešamā minimālā sprieguma vērtība ir;

$V = n V_{BB} + V_D$

Kur,

VBB = piegādes spriegums

VD = iekšējā dioda kritums starp emitētāju un bāzes-2 terminālu

Rezistora R vērtība robežojas ar šādu diapazonu.

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

Kur,

VP, IP = augstākais spriegums un strāva

VV, IV = zemākais spriegums un strāva

Atpūšanās oscilatora diferenciālvienādojums

Atpūšanās oscilatora shēmā rezistori R2 un R3 ir vienādi. Tātad, saskaņā ar sprieguma dalīšanas likumu;

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

V– tiek iegūts pēc Ohma likuma un kondensatora diferenciālvienādojuma;

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

Šim diferenciālvienādojumam ir divas risinājumu kopas — partikulārais risinājums un homogēnais risinājums.

Partikulārajam risinājumam V– ir konstante. Pieņemsim, ka V– = A. Tātad, konstantes atvasinājums ir nulle,

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

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

$V_{out} = A$

Lai iegūtu vienmērīgu risinājumu, izmantojiet Laplasa transformāciju zemāk redzamajā vienādojumā;

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

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

V– ir atsevišķu un vienmērīgo risinājumu summa.

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

Lai atrast B vērtību, mums jānovērtē sākotnējā stāvokļa nosacījumi.

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

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

$B = -V_{dd}$

Tātad, V- galīgais risinājums ir;

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

Salīdzinātājs vs Op-Amps

Salīdzinātājs tiek izmantots arī aizvietojot Op-Amp. Līdzīgi kā Op-Amp, kompensatorus ir izstrādāti tā, lai tos varētu pārvedēt no rieles uz rieles.

Salīdzinātājam salīdzinājumā ar Op-Amp ir ātrāks pieauguma un krituma laiks. Tāpēc salīdzinātājs ir piemērotāks nekā Op-Amp osilatorskema.

Gadījumā ar Op-Amp, tam ir push-pull izvades. Tāpēc, ja jūs izmantojat Op-Amp, nav nepieciešams izmantot izvelkumu rezistoru. Bet ja jūs izmantojat salīdzinātāju, tam ir jāizmanto izvelkumu rezisors.