Ontspanningsoscillator: Wat is het? (En hoe werkt het)

Veld: Basis Elektrotechniek

China

Wat is een Relaxatie Oscillator?

Een relaxatie oscillator wordt gedefinieerd als een niet-lineaire elektronische oscillatoren circuit dat een niet-sinusvormig herhaaldelijk uitgangssignaal kan genereren. Een relaxatie oscillator werd uitgevonden door Henri Abraham en Eugene Bloch met behulp van een vacuümbuis tijdens de Eerste Wereldoorlog.

Oscillators worden ingedeeld in twee verschillende categorieën; lineaire oscillators (voor sinusvormige golfformen) en relaxatie oscillators (voor niet-sinusvormige golfformen).

Het moet een herhaalbaar en periodiek signaal leveren voor niet-sinusvormige golfformen zoals driehoeksgolven, blokgolven en rechthoekige golven op de uitgang.

Het ontwerp van de relaxatie oscillator moet niet-lineaire elementen bevatten zoals de transistor, Opamp, of MOSFET en energieopslagapparaten zoals condensator en spoel.

Om een cyclus te produceren, worden de condensator en spoel continu opgeladen en ontladen. En de frequentie van de cyclus of periode van oscillatie hangt af van de tijdsconstante.

Hoe werkt een Relaxatie Oscillator?

De relaxatie oscillator bevat energieopslagapparaten zoals condensator en spoel. Deze apparaten worden opgeladen door een bron en ontladen via een belasting.

De vorm van het uitgangssignaal van de relaxatie oscillator hangt af van de tijdsconstante van het circuit.

Laten we het functioneren van de relaxatie oscillators begrijpen met een voorbeeld.

rc relaxation oscillator — RC Relaxatie Oscillator

Hier is een condensator verbonden tussen een lamp en een batterij. Dit circuit staat ook bekend als het flitscircuit of RC-relaxatieoscillator.

Een batterij laadt de condensator via de weerstand. Tijdens het opladen van de condensator blijft de lamp uitgeschakeld.

Wanneer de condensator zijn drempelwaarde bereikt, ontladen door de lamp. Dus tijdens het ontladen van de condensator gloeit de lamp.

Wanneer de condensator is ontladen, begint deze opnieuw te laden door de bron. En de lamp blijft uit.

Dus, het proces van het opladen en ontladen van de condensator is continu en periodiek.

De oplaadtijd van de condensator wordt bepaald door de tydconstante. En de tydconstante hangt af van de waarde van de weerstand en condensator voor het RC-circuit.

Daarom wordt de flitssnelheid van de lamp bepaald door de waarde van de weerstand en condensator.

De golfformen over de lamp zijn zoals weergegeven in de onderstaande figuur.

rc relaxation oscillator waveform — Golfformen van de RC-relaxatieoscillator

Om de uitgangsgolfformen te controleren, worden niet-lineaire elementen in het circuit gebruikt.

Schakeling van de Relaxatieoscillator

Het schakelschema van de relaxatieoscillator bevat een niet-lineair apparaat om verschillende soorten uitgangsgolfformen te genereren. Afhankelijk van het gebruik van niet-lineaire apparaten, wordt de relaxatieoscillator ingedeeld in drie types schakelschema's.

Op-Amp Relaxatie Oscillator

Een op-Amp relaxatie oscillator staat ook bekend als een astabiele multivibrator. Het wordt gebruikt om blokgolven te genereren. Het schema van de Op-Amp relaxatie oscillator is weergegeven in de onderstaande figuur.

Dit circuit bevat een condensator, weerstanden en een Op-Amp.

De niet-inverterende ingang van de Op-Amp is verbonden met een RC-schakeling. Dus, de spanning over de condensator VC is hetzelfde als de spanning aan de niet-inverterende ingang V- van de Op-Amp. En de inverterende ingang is verbonden met de weerstanden.

Wanneer de Op-Amp wordt gebruikt met positieve feedback, zoals getoond in het schema, wordt het circuit een Schmitt-trigger genoemd.

Wanneer V+ groter is dan V-, is de uitgangsspanning +12V. En wanneer V- groter is dan V+, is de uitgangsspanning -12V.

Voor de initiële toestand, bij tijdstip t=0, wordt aangenomen dat de condensator volledig ontladen is. Daarom is de spanning aan de niet-inverterende ingang V-=0. En de spanning aan de inverterende ingang V+ is gelijk aan βVout.

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

Om de berekening te vereenvoudigen, gaan we ervan uit dat R2 en R3 hetzelfde zijn. Dus, β=2 en βVout=6V. De condensator zal dus opladen en ontladen tot 6V.

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

Onder deze omstandigheden is V+ groter dan V-. Dus, de uitvoerspanning Vout=+12V. En de condensator begint met opladen.

Wanneer de spanning over de condensator groter is dan 6V, is V- groter dan V+. Daarom verandert de uitvoerspanning naar -12V.

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

Tijdens deze toestand verandert de spanning op de inverterende ingang zijn polariteit. Dus, V+ = -6V.

Nu ontladen de condensator tot -6V. Wanneer de condensatorspanning minder is dan -6V, is V+ weer groter dan V-.

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

Daarom verandert de uitgangsspanning weer van -12V naar +12V. En opnieuw begint de condensator met opladen.

Dus, het opladen en ontladen van de condensator genereert een periodieke en herhalende blokgolf op de uitgang, zoals getoond in de onderstaande afbeelding.

op amp relaxation oscillator waveform — Golfformulier van een opamp-relaxatieoscillator

De frequentie van de uitgangsgolfvorm is afhankelijk van de laadtijd en ontladtijd van de condensator. En de laadtijd en ontladtijd van de condensator hangt af van de tijdsconstante van het RC-schakeling.

UJT Relaxatie Oscillator

Een UJT (unijunction transistor) wordt gebruikt als schakelapparaat in de relaxatie oscillator. Het schema van de UJT relaxatie oscillator is weergegeven in de onderstaande figuur.

ujt relaxation oscillator — UJT Relaxatie Oscillator

De emitterterminal van de UJT is verbonden met een weerstand en een condensator.

We nemen aan dat de condensator in eerste instantie ontladen is. Dus, de spanning over de condensator is nul.

$V_C = 0$

Onder deze omstandigheden blijft de UJT UIT. De condensator begint te laden via de weerstand R volgens de onderstaande vergelijking.

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

De condensator blijft opladen totdat hij de maximale aangeboden spanning VBB bereikt.

Wanneer de spanning over de condensator groter is dan de aangeboden spanning, wordt de UJT ingeschakeld. Dan stopt de condensator met opladen en begint met ontladen via de weerstand R1.

De condensator blijft ontladen totdat de condensatorspanning de dalspanning (VV) van de UJT bereikt. Daarna wordt de UJT uitgeschakeld en begint de condensator opnieuw met opladen.

Dus het proces van opladen en ontladen van de condensator genereert een zaagtandvormige spanning over de condensator. En de spanning die over de weerstand R2 verschijnt tijdens het ontladen van de condensator en blijft nul tijdens het opladen van de condensator.

De spanningsovergang over de condensator en de weerstand R2 is weergegeven in de onderstaande afbeelding.

ujt relaxation oscillator waveform — Golfvorm van de UJT Relaxatie Oscillator

Frequentie van de Relaxatie Oscillator

De frequentie van de Relaxatie Oscillator hangt af van de laadtijd en ontladingstijd van de condensator. In het RC-schakeling bepaalt de tijdconstante de laadtijd en ontladingstijd.

Frequentie van Op-Amp Relaxatie Oscillator

Bij de Op-Amp relaxatie oscillator dragen R1 en C1 bij aan de oscillatiefrequentie. Daarom is voor een lagere oscillatiefrequentie een langere laadtijd en ontladingstijd nodig. En voor een lange laadtijd en ontladingstijd moeten we een grotere R1 en C1 instellen.

Op dezelfde manier veroorzaken kleinere waarden van R1 en C1 hogere oscillatiefrequenties.

Maar in de berekening van de frequentie spelen de weerstanden R2 en R3 ook een cruciale rol. Deze weerstanden bepalen het drempelspanning van de condensator, en de condensator zal opladen tot dit spanningniveau.

Als de drempelspanning lager is, is de laadtijd sneller. Op dezelfde manier, als de drempelspanning hoger is, is de laadtijd trager.

Daarom hangt de oscillatiefrequentie af van de waarde van R1, R2, R3, en C1. En de frequentieformule van de Op-Amp relaxatie oscillator is;

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

Waarbij,

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

In de meeste gevallen zijn R2 en R3 hetzelfde om het ontwerp en de berekening te vereenvoudigen.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Door de waarden van R1 en C1 in te vullen, kunnen we de trillingssnelheid van de Op-Amp ontspanningsoscillator bepalen.

Trillingssnelheid van UJT ontspanningsoscillator

Bij de UJT ontspanningsoscillator hangt de frequentie ook af van het RC-schakeling. Zoals te zien is in het schema van de UJT ontspanningsoscillator, zijn weerstanden R1 en R2 stroombeperkende weerstanden. En de trillingssnelheid hangt af van de weerstand R en de condensator C.

De formule voor de frequentie van de UJT ontspanningsoscillator is;

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

Waarbij;

n = Intrinsic stand-off ratio. De waarde van n ligt tussen 0.51 en 0.82.

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

Voor het inschakelen van de UJT is de minimale benodigde spanning:

$V = n V_{BB} + V_D$

Waarbij,

VBB = voedingsspanning

VD = interne diodespanning tussen emitter en base-2 terminal

De waarde van weerstand R ligt binnen het volgende bereik.

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

Waarbij,

VP, IP = piekspanning en -stroom

VV, IV = dalspanning en -stroom

Differentiaalvergelijking van de ontspanningsoscillator

In het schema van de ontspanningsoscillator hebben weerstanden R2 en R3 gelijke waarden. Volgens de regel van de spanningdeeler geldt dan:

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

V– wordt verkregen door ohm's wet en de differentiaalvergelijking van de condensator;

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

Er zijn twee oplossingen voor deze differentiaalvergelijking; een particuliere oplossing en een homogene oplossing.

Voor een particuliere oplossing is V– een constante. Stel V– = A. Daarom is de afgeleide van de constante nul,

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

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

$V_{out} = A$

Voor een homogene oplossing gebruik de Laplacetransformatie van de volgende vergelijking:

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

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

V– is de som van de particuliere en homogene oplossingen.

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

Om de waarde van B te vinden, moeten we de initiële conditie evalueren.

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

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

$B = -V_{dd}$

Dus, de eindoplossing voor V- is;

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

Comparator vs Versterkers

Een comparator wordt ook gebruikt in plaats van een versterker. Net als bij een versterker zijn de compensatoren ontworpen om rail-to-rail te worden aangedreven.

De comparator heeft een snellere stijgtijd en daaltijd vergeleken met een versterker. Daarom is de comparator geschikter dan de versterker voor het oscillatorcircuit.

In het geval van de versterker heeft deze push-pull uitgangen. Dus, als je een versterker gebruikt, is het niet nodig om een pull-up weerstand te gebruiken. Maar als je een comparator gebruikt, moet er wel een pull-up weerstand worden gebruikt.

Toepassingen van Relaxatie Oscillatoren

Relaxatie oscillatoren worden gebruikt om een interne kloksignaal te genereren voor elk digitaal circuit. Ze worden ook gebruikt in de onderstaande toepassingen.

Spanningsgecontroleerde oscillator
Geheugenschakelingen
Signaalgenerator (om kloksignalen te genereren)
Stroboscopen
Aansturing van thyristor-gebaseerde schakeling
Multivibrators
Televisieontvangers
Tellers

Verklaring: Respecteer het origineel, goede artikelen zijn de moeite waard om te delen, indien er sprake is van inbreuk neem dan contact op voor verwijdering.

Geef een fooi en moedig de auteur aan

Onderwerpen:

Energiesystemen

Elektrische meting

Over experts

Electrical4u

China

Expertisegebied

Basic Electrical

Professioneel artikel

607