Oskilator Releksasi: Apa Itu? (Dan Bagaimana Cara Kerjanya)

Medan: Elektrik Asas

China

Apakah Oscillator Pengenduran?

Oscillator pengenduran didefinisikan sebagai litar oscillator elektronik bukan linear yang boleh menghasilkan isyarat output berulang bukan sinusoidal. Oscillator pengenduran dicipta oleh Henri Abraham dan Eugene Bloch menggunakan tabung vakum semasa Perang Dunia I.

Oscillator diklasifikasikan kepada dua kategori yang berbeza; oscillator linear (untuk bentuk gelombang sinusoidal) dan oscillator pengenduran (untuk bentuk gelombang bukan sinusoidal).

Ia mesti menyediakan isyarat berulang dan berkala untuk bentuk gelombang bukan sinusoidal seperti gelombang segi tiga, persegi, dan segi empat tepat di outputnya.

Reka bentuk oscillator pengenduran mesti termasuk elemen bukan linear seperti transistor, Op-Amp, atau MOSFET dan peranti penyimpan tenaga seperti kapasitor dan induktor.

Untuk menghasilkan satu siklus, kapasitor dan induktor dicas dan dicairkan secara berterusan. Dan frekuensi siklus atau tempoh osilasi bergantung pada pemalar masa.

Bagaimana Oscillator Pengenduran Berfungsi?

Oscillator pengenduran mengandungi peranti penyimpan tenaga seperti kapasitor dan induktor. Peranti ini dicas oleh sumber dan dicairkan melalui beban.

Bentuk gelombang output oscillator pengenduran bergantung pada pemalar masa litar.

Mari kita fahami cara kerja oscillator pengenduran dengan contoh.

rc relaxation oscillator — Oscillator Pengenduran RC

Di sini, kapasitor dihubungkan antara lampu dan bateri. Litar ini juga dikenali sebagai litar pengecasan atau penghela RC.

Bateri mengisi kapasitor melalui resistor. Semasa kapasitor sedang diisi, lampu kekal dalam keadaan MATI.

Apabila kapasitor mencapai nilai ambangnya, ia akan mengosongkan melalui lampu. Oleh itu, semasa kapasitor sedang dikosongkan, lampu bercahaya.

Apabila kapasitor telah dikosongkan, ia mula diisi semula oleh sumber. Dan lampu kekal MATI.

Oleh itu, proses pengisian dan pengosongan kapasitor adalah berterusan dan berkala.

Masa pengisian kapasitor ditentukan oleh pemalar masa. Dan pemalar masa bergantung pada nilai resistor dan kapasitor untuk litar RC.

Oleh itu, kadar berkelip lampu ditentukan oleh nilai resistor dan kapasitor.

Gelombang merentasi lampu seperti yang ditunjukkan dalam gambar rajah di bawah.

rc relaxation oscillator waveform — Bentuk Gelombang Penghela RC

Untuk mengawal bentuk gelombang output, unsur-unsur bukan linear digunakan dalam litar.

Rajah Litar Penghela RC

Rajah litar penghela RC mengandungi peranti bukan linear untuk menghasilkan pelbagai jenis bentuk gelombang output. Berdasarkan penggunaan peranti bukan linear, penghela RC diklasifikasikan kepada tiga jenis rajah litar.

Penguat Op-Amp Rileksasi Oscillator

Penguat Op-Amp rileksasi juga dikenali sebagai multivibrator tidak stabil. Ia digunakan untuk menghasilkan gelombang segi empat sama. Rajah litar penguat Op-Amp rileksasi ditunjukkan di bawah.

Litar ini mengandungi kapasitor, resistor, dan penguat Op-Amp.

Terminal non-inverting penguat Op-Amp disambungkan dengan litar RC. Oleh itu, voltan kapasitor VC adalah sama dengan voltan pada terminal non-inverting V- penguat Op-Amp. Dan terminal inverting disambungkan dengan resistor.

Apabila penguat Op-Amp digunakan dengan feedback positif, seperti yang ditunjukkan dalam rajah litar, litar tersebut dikenali sebagai Schmitt trigger.

Apabila V+ lebih besar daripada V-, voltan keluaran adalah +12V. Dan apabila V- lebih besar daripada V+, voltan keluaran adalah -12V.

Untuk keadaan awal, pada masa t=0, andaikan bahawa kapasitor telah sepenuhnya dibebaskan. Oleh itu, voltan pada terminal non-inverting adalah V-=0. Dan voltan pada terminal inverting V+ adalah sama dengan βVout.

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

Untuk memudahkan pengiraan, kita menganggap bahawa R2 dan R3 adalah sama. Jadi, β=2 dan βVout=6V. Oleh itu, kapasitor akan dicas dan dicairkan sehingga 6V.

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

Dalam keadaan ini, V+ lebih besar daripada V-. Oleh itu, voltan keluaran Vout=+12V. Dan kapasitor mula dicas.

Apabila voltan kapasitor lebih besar daripada 6V, V- lebih besar daripada V+. Oleh itu, voltan keluaran berubah menjadi -12V.

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

Semasa keadaan ini, voltan terminal inverting menukar polaritinya. Oleh itu, V+ = -6V.

Sekarang, kapasitor melepaskan hingga -6V. Apabila voltan kapasitor kurang daripada -6V, sekali lagi V+ lebih besar daripada V-.

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

Oleh itu, sekali lagi voltan keluaran berubah dari -12V kepada +12V. Dan sekali lagi, kapasitor mula mengisi semula.

Jadi, kitaran pengisian dan pelepasan kapasitor menghasilkan gelombang segi empat yang berkala dan berulang di terminal keluaran, seperti ditunjukkan dalam gambarajah di bawah.

op amp relaxation oscillator waveform — Gelombang Pengayun Rileks Op-Amp

Frekuensi gelombang output bergantung pada masa pengisian dan pengekosongan kapasitor. Dan masa pengisian-pengekosongan kapasitor bergantung pada tetapan masa litar RC.

UJT Relaxation Oscillator

UJT (unijunction transistor) digunakan sebagai peranti pemintas dalam osilator relaksasi. Rajah litar UJT osilator relaksasi ditunjukkan dalam gambar di bawah.

Terminal emiter UJT disambungkan dengan resistor dan kapasitor.

Kita andaikan bahawa pada mulanya kapasitor telah dikeluarkan muatannya. Oleh itu, voltan kapasitor adalah sifar.

$V_C = 0$

Dalam keadaan ini, UJT kekal dalam keadaan OFF. Dan kapasitor mula mengisi melalui resistor R berdasarkan persamaan di bawah.

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

Kapasitor terus mengisi sehingga mencapai voltan maksimum yang disediakan VBB.

Apabila voltan merentasi kapasitor lebih besar daripada voltan yang disediakan, ia membolehkan UJT dihidupkan. Kemudian, kapasitor berhenti mengisi dan mula meluruh melalui resistor R1.

Kapasitor terus meluruh sehingga voltan kapasitor mencapai voltan lembah (VV) UJT. Selepas itu, UJT dimatikan dan kapasitor mula mengisi semula.

Oleh itu, proses pengisian dan peluruhan kapasitor menghasilkan bentuk gelombang gigi gergaji merentasi kapasitor. Dan voltan muncul merentasi resistor R2 semasa peluruhan kapasitor dan kekal sifar semasa pengisian kapasitor.

Bentuk gelombang voltan merentasi kapasitor dan resistor R2 ditunjukkan dalam gambar rajah di bawah.

ujt relaxation oscillator waveform — Bentuk Gelombang Oskilator Relaksasi UJT

Frekuensi Oskilator Relaksasi

Frekuensi Osilator Relaksasi bergantung pada masa pengisian dan pengebosan kapasitor. Dalam litar RC, masa pengisian dan pengebosan ditentukan oleh pemalar masa.

Frekuensi Op-Amp Relaxation Oscillator

Dalam osilator relaksasi Op-Amp, R1 dan C1 menyumbang kepada frekuensi osilasi. Oleh itu, untuk osilasi frekuensi yang lebih rendah, kita memerlukan masa yang lebih lama untuk pengisian dan pengebosan kapasitor. Dan untuk masa yang lebih lama bagi pengisian dan pengebosan, kita perlu menetapkan nilai R1 dan C1 yang lebih besar.

Secara serupa, nilai yang lebih kecil bagi R1 dan C1 menyebabkan osilasi frekuensi yang lebih tinggi.

Namun, dalam pengiraan frekuensi, rintangan R2 dan R3 juga memainkan peranan penting. Karena rintangan-rintangan ini akan menentukan voltan ambang kapasitor, dan kapasitor akan diisi hingga tahap voltan ini.

Jika voltan ambang adalah lebih rendah, masa pengisian adalah lebih cepat. Secara serupa, jika voltan ambang adalah lebih tinggi, masa pengisian adalah lebih lambat.

Oleh itu, frekuensi osilasi bergantung pada nilai R1, R2, R3, dan C1. Dan formula frekuensi osilator relaksasi Op-Amp adalah;

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

Di mana,

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

Dalam kebanyakan keadaan, R2 dan R3 adalah sama untuk memudahkan reka bentuk dan pengiraan.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Dengan memasukkan nilai R1 dan C1, kita boleh mencari frekuensi getaran pengosilator relaksasi Op-Amp.

Frekuensi Pengosilator Relaksasi UJT

Dalam pengosilator relaksasi UJT, frekuensi juga bergantung pada litar RC. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah litar pengosilator relaksasi UJT, resistor R1 dan R2 adalah resistor pembatas arus. Dan frekuensi getaran bergantung pada resistor R dan kapasitor C.

Rumus frekuensi untuk pengosilator relaksasi UJT adalah;

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

Di mana;

n = Nisbah stand-off intrinsik. Dan nilai n berada antara 0.51 hingga 0.82.

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

Untuk mengaktifkan UJT, voltan minimum yang diperlukan ialah;

$V = n V_{BB} + V_D$

Di mana,

VBB = voltan bekalan

VD = jatuh voltan diod dalaman antara pengemis dan terminal asas-2

Nilai rintangan R terhadap julat berikut.

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

Di mana,

VP, IP = voltan dan arus puncak

VV, IV = voltan dan arus lembah

Persamaan Pembezaan Pengayun Penyelesaian

Dalam rajah litar pengayun penyelesaian, rintangan R2 dan R3 mempunyai nilai yang sama. Oleh itu, mengikut peraturan pembahagi voltan;

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

V– diperoleh melalui hukum Ohm dan persamaan pembezaan kapasitor;

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

Terdapat dua penyelesaian untuk persamaan pembezaan ini; penyelesaian khusus dan penyelesaian homogen.

Untuk penyelesaian khusus, V- adalah tetap. Andaikan V– = A. Oleh itu, pembezaan terhadap konstan adalah sifar,

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

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

$V_{out} = A$

Untuk penyelesaian homogen, gunakan transformasi Laplace dari persamaan berikut;

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

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

V– adalah jumlah penyelesaian khusus dan homogen.

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

Untuk mencari nilai B, kita perlu menilai keadaan awal.

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

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

$B = -V_{dd}$

Jadi, penyelesaian akhir V- adalah;

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

Pembanding vs Op-Amp

Pembanding juga digunakan sebagai ganti Op-Amp. Seperti Op-Amp, kompensator dirancang untuk dijalankan dari rel ke rel.

Pembanding memiliki waktu naik dan turun yang lebih cepat dibandingkan dengan Op-Amp. Oleh karena itu, pembanding lebih sesuai daripada Op-Amp untuk rangkaian osilator.

Dalam kasus Op-Amp, ia memiliki output push-pull. Jadi, jika Anda menggunakan Op-Amp, tidak perlu menggunakan resistor pull-up. Tetapi jika Anda menggunakan pembanding, harus menggunakan resistor pull-up.

Aplikasi Osilator Relaksasi

Osilator relaksasi digunakan untuk menghasilkan sinyal jam internal untuk sirkuit digital apa pun. Ini juga digunakan dalam aplikasi yang tercantum di bawah ini.