Релаксационен осцилатор: Што е тоа? (И како функционира)

Поле: Основни електрични

China

Што е релаксационен осцилатор?

Релаксациониот осцилатор е дефиниран како нелинеарна електронска осцилаторска шема која може да генерира повторувачки излезен сигнал кој не е синусоиден. Релаксациониот осцилатор беше измислен од Henri Abraham и Eugene Bloch со користење на вакуумна цевка во Првата светска војна.

Осцилаторите се класификуваат во две различни категории; линеарни осцилатори (за синусоидни таласни форми) и релаксациони осцилатори (за несинусоидни таласни форми).

Треба да пружи повторувачки и периодичен сигнал за несинусоидни таласни форми како триаголни, квадратни и правоаголни таласи на својот излез.

Дизајнот на релаксациониот осцилатор мора да вклучува нелинеарни елементи како транзистор, Op-Amp или MOSFET и уреди за складирање на енергија како капацитор и индуктор.

За да се произведе циклус, капациторот и индукторот се натоваруваат и разтоваруваат непрекинато. И фреkvencijata на циклусот или периодот на осцилација зависи од временската константа.

Како функционира релаксациониот осцилатор?

Релаксациониот осцилатор содржи уреди за складирање на енергија како капацитор и индуктор. Овие уреди се натоваруваат од извор и се разтоваруваат преку оптер.

Формата на излезниот таласен облик на релаксациониот осцилатор зависи од временската константа на шемата.

Да го разбереме функционирањето на релаксационите осцилатори со пример.

rc relaxation oscillator — RC релаксациониот осцилатор

Овде, кондензатор е поврзан помеѓу лампа и батерија. Овој циркуит е познат и како флашер циркуит или RC релаксационен осцилатор.

Батеријата го напаѓа кондензаторот преку резисторот. Додека се напаѓа кондензаторот, лампата останува изклучена.

Кога кондензаторот достигне својата прагова вредност, се разаржува преку лампата. Така, додека се разаржува кондензаторот, лампата свети.

Кога кондензаторот е разаржен, повторно започнува да се напаѓа од изворот. И лампата останува изклучена.

Значи, процесот на напаѓање и разаржување на кондензаторот е непрекинат и периодичен.

Времето на напаѓање на кондензаторот се определува со временската константа. А временската константа зависи од вредноста на резисторот и кондензаторот за RC циркуитот.

Со тоа, флашингот на лампата се одлукува според вредноста на резисторот и кондензаторот.

Таласните форми преку лампата се прикажани во следната слика.

rc relaxation oscillator waveform — Таласна форма на RC релаксационен осцилатор

За контрола на излезната таласна форма, во циркуитот се користат нелинеарни елементи.

Дијаграм на релаксационен осцилатор

Дијаграмот на релаксационен осцилатор содржи нелинеарен уред за генерирање на различни видови излезната таласна форма. Според користењето на нелинеарните уреди, релаксациониот осцилатор се класифицира во три типа дијаграми на циркуити.

Оп-амп релаксационен осцилатор

Оп-амп релаксационен осцилатор е познат и како астабилен мултивибратор. Исползува се за генерирање на квадратни таласи. Схемата на оп-амп релаксационен осцилатор е прикажана на следната слика.

Оваа шема содржи кондензатор, отпорници и оп-амп.

Неинвертирачката терминал на оп-ампот е поврзан со RC цеп. Значи, напонот на кондензаторот VC е ист со напонот на неинвертирачката терминал V- на оп-ампот. А инвертирачката терминал е поврзана со отпорниците.

Кога оп-ампот се користи со позитивна обратна врска, како што е прикажано на схемата, цепта се нарекува Шмит тригер.

Кога V+ е поголем од V-, излезниот напон е +12V. А кога V- е поголем од V+, излезниот напон е -12V.

За почетната состојба, во момент t=0, претпоставуваме дека кондензаторот е целосно разареден. Значи, напонот на неинвертирачката терминал е V-=0. А напонот на инвертирачката терминал V+ е еднаков на βVout.

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

За да ја обезбедиме лесната пресметка, го сметаме дека R2 и R3 се исти. Значи, β=2 и βVout=6V. Така, кондензаторот ќе се напиња и разпиња до 6V.

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

Во оваа состојба, V+ е поголемо од V-. Значи, излезната напон Vout=+12V. И кондензаторот започнува со напињање.

Кога напонот на кондензаторот е поголем од 6V, V- е поголемо од V+. Значи, излезниот напон се менува на -12V.

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

При оваа состојба, напонот на инвертниот терминал се менува својата поларност. Значи, V+ = -6V.

Сега, кондензаторот се разнаражува до -6V. Кога напонот на кондензаторот е помал од -6V, повторно V+ е поголемо од V-.

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

Значи, повторно напонот на излезот се менува од -12V до +12V. И повторно, кондензаторот почнува со наражување.

Така, циклусот на наражување и разнаражување на кондензаторот генерира периодична и повторлива квадратна волна на излезниот терминал, како што е прикажано на следната слика.

op amp relaxation oscillator waveform — Волна на оп-амп релаксационен осцилатор

Честотата на излезната волна зависи од времето за пунтеж и разпунтеж на кондензаторот. А временото за пунтеж и разпунтеж на кондензаторот зависи од временската константа на RC кола.

UJT Relaxation Oscillator

UJT (унисекционен транзистор) се користи како превключувач во релаксационниот осцилатор. Схемата на UJT релаксационниот осцилатор е прикажана на следната слика.

Емитерскиот терминал на UJT е поврзан со резистор и кондензатор.

Претпоставуваме дека почетно кондензаторот е разпунтен. Значи, напругата на кондензаторот е нула.

$V_C = 0$

Во оваа состојба, UJT останува ИСКЛЮЧЕН. Кондензаторот почнува да се пунти преку резисторот R според равенката подолу.

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

Кондензаторот продолжува да се напаѓа до кога ќе достигне максималната напоена волтажа VBB.

Кога волтажата над кондензаторот е поголема од напоената волтажа, тоа овозможува UJT-то да се вклучи. Тогаш кондензаторот прекинува со напаѓање и започнува со разнаршување низ резисторот R1.

Кондензаторот продолжува со разнаршување до кога волтажата на кондензаторот ќе достигне долинската волтажа (VV) на UJT. Потоа, UJT-то се исклучува и започнува со напаѓање на кондензаторот.

Со тоа, процесот на напаѓање и разнаршување на кондензаторот генерира ултразвуков облик на волни над кондензаторот. И волтажата се појавува над резисторот R2 за време на разнаршување на кондензаторот и останува нула за време на напаѓање на кондензаторот.

Обликот на волни на волтажата над кондензаторот и резисторот R2 е прикажан на следната слика.

ujt relaxation oscillator waveform — Облик на волни на UJT релаксација осцилатор

Честота на релаксација осцилатор

Фреквенцијата на релаксација осцилатор зависи од временото на пунење и празнење на кондензаторот. Во RC колата, временото на пунење и празнење се одлучува со временската константа.

Фреквенција на Op-Amp релаксација осцилатор

Во Op-Amp релаксација осцилатор, R1 и C1 даваат придонес за фреквенцијата на осцилацијата. Значи, за ниж фреквенција на осцилацијата, потребно е подолго време за пунење и празнење на кондензаторот. И за подолго време на пунење и празнење, треба да ги поставиме значителни R1 и C1.

Слично, помала вредност на R1 и C1 причинува повисока фреквенција на осцилацијата.

Но, во пресметката на фреквенцијата, отпорниците R2 и R3 исто така играат важна улога. Бидејќи овие отпорници ќе одлучат границата на напонот на кондензаторот, а кондензаторот ќе се наполнува до овој ниво на напон.

Допредеме границата напон е помал, временото на пунење е брзо. Слично, границата напон е повисок; временото на пунење е споредно.

Значи, фреквенцијата на осцилацијата зависи од вредноста на R1, R2, R3, и C1. И формулата за фреквенцијата на Op-Amp релаксација осцилатор е;

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

Каде,

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

Во најголем број на услови, R2 и R3 се истоветни за да се олеснат дизајнот и пресметката.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Внесувајќи вредностите на R1 и C1, можеме да најдеме фреквенцијата на осцилаторот со оп-амп релаксација.

Фреквенција на UJT релаксационен осцилатор

В UJT релаксационен осцилатор, фреквенцијата исто така зависи од RC цеп. Како што е прикажано во дијаграмот на цепот на UJT релаксационен осцилатор, отпорите R1 и R2 се ограничители на стројот. И фреквенцијата на осцилацијата зависи од отпорот R и кондензаторот C.

Формулата за фреквенција на UJT релаксационен осцилатор е;

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

Каде;

n = Интрасен коефициент на стабилност. И вредноста на n се наоѓа помеѓу 0.51 до 0.82.

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

За да се вклучи UJT, потребна е минимална напонска разлика;

$V = n V_{BB} + V_D$

Каде,

VBB = напон на захранување

VD = интерни диоден пад меѓу изведувачот и базата-2

Вредноста на резисторот R се ограничува во следниов опсег.

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

Каде,

VP, IP = врвина и струја на врвот

VV, IV = врвина и струја на долината

Диференцијална једначина на релаксација осцилаторот

Во шемата на релаксација осцилаторот, отпорите R2 и R3 имаат еднакви вредности. Сепак, според правилото за делечки потенцијал;

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

V– се добива со Омов закон и диференцијална равенка на кондензаторот;

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

Постојат две решенија на оваа диференцијална равенка; посебно решение и хомогено решение.

За посебно решение, V- е константа. Претпоставете дека V– = A. Значи, диференцирањето на константа е нула,

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

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

$V_{out} = A$

За хомогено решение, користете Лапласова трансформација на следната равенка;

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

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

V– е вкупната сума на посебното и хомогеното решение.

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

За да го најдеме вредноста на B, потребно е да ја оценуваме почетната состојба.

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

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

$B = -V_{dd}$

Значи, крајното решение за V- е;

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

Компаратор спроти оп-амп

Компаратор се користи и наместо оп-амп. Слично на оп-амп, компензаторите се дизајнираат да се приведуваат од рел до рел.

Компараторот има побрз временски период на повеќење и намалување во споредба со оп-амп. Затоа, компараторот е повисоко прифатлив од оп-ампот за осцилаторската шема.

Во случај на оп-ампот, тој има излези со пуш-пул систем. Значи, ако користите оп-амп, не е потребно да користите резистор за повлакување нагоре. Но, ако користите компаратор, мора да се користи резистор за повлакување нагоре.

Примени на релаксационните осцилатори

Релаксационните осцилатори се користат за генерирање на внатрешен сигнал за часовник за било кој дигитален систем. Тие се користат и во следните примените.

- Контролер на напон со осцилатор
- Мемориски кола
- Генератор на сигнали (за генерирање на часовни сигнали)
- Стробоскопи
- Кола базирани на тиристор за активирање
- Мултивибратори
- Телевизиски пријемници
- Бројачи
Изјава: Поштето првото, добри статии се заслужни за споделување, ако постои нарушување на авторските права ве молим да се контактирате за избришување.