Avslappningsosillator: Hva er det? (Og hvordan fungerer det)

Felt: Grunnleggende elektrisitet

China

Hva er en avslappningsoskillator?

En avslappningsoskillator er definert som et ikke-lineært elektronisk oskillatorkrets som kan generere en ikke-sinusformet repetitiv utdata. En avslappningsoskillator ble oppfunnet av Henri Abraham og Eugene Bloch ved bruk av en vakuumrør under første verdenskrig.

Oskillatorer er inndelt i to ulike kategorier; lineære oskillatorer (for sinusformede bølgeformer) og avslappningsoskillatorer (for ikke-sinusformede bølgeformer).

Den må gi en repetitiv og periodisk signal for ikke-sinusformede bølgeformer som trekant-, kvadrat- og rektangulære bølger ved sin utdata.

Designet av avslappningsoskillator må inkludere ikke-lineære elementer som transistor, Op-Amp eller MOSFET og energilagrende enheter som kondensator og spole.

For å produsere en syklus, lades kondensator og spole kontinuerlig. Og frekvensen av syklusen eller periode av oskillasjonen avhenger av tidkonstanten.

Hvordan fungerer en avslappningsoskillator?

Avslappningsoskillator inneholder energilagrende enheter som kondensator og spole. Disse enhetene lades av en kilde og løses gjennom en last.

Formen på utdata-bølgeformen av avslappningsoskillatoren avhenger av tidkonstanten til kretsen.

La oss forstå arbeidet med avslappningsoskillatorer med et eksempel.

rc relaxation oscillator — RC Avslappningsoskillator

Her er en kondensator koblet mellom en pære og en batteri. Dette kretssystemet er også kjent som blinker-kretsen eller RC-relaksasjonsoskillator.

Batteriet lader kondensatoren gjennom motstanden. Under ladingsprosessen for kondensatoren forbli pæren i AV-tilstand.

Når kondensatoren når sin terskelverdi, løser den seg gjennom pæren. Så under løsning av kondensatoren, lyser pæren.

Når kondensatoren er løst, begynner den å lades igjen av strømkilden. Og pæren forbli i AV-tilstand.

Så, prosessen med å lade og løse kondensatoren er kontinuerlig og periodisk.

Ladetiden for kondensatoren bestemmes av tidskonstanten. Og tidskonstanten avhenger av verdien av motstanden og kondensatoren for RC-kretsen.

Derfor avgjøres blinkhastigheten til pæren av verdien av motstanden og kondensatoren.

Spenningsformene over pæren er som vist på figuren nedenfor.

rc relaxation oscillator waveform — RC Relaksasjonsoskillator Spenningsform

For å kontrollere utgangsspenningsformen, brukes ikke-lineære elementer i kretsen.

Relaksasjonsoskillator Kretsdiagram

Kretsdiagrammet for relaksasjonsoskillator inneholder et ikke-lineært enhet for å generere ulike typer utgangsspenningsformer. I henhold til bruken av ikke-lineære enheter, deles relaksasjonsoskillator inn i tre typer kretsdiagrammer.

Op-Amp Relaxation Oscillator

En Op-Amp avspenningsoskillator er også kjent som en astabil multivibrator. Den brukes for å generere firkantbølger. Kretsskjemaet for Op-Amp avspenningsoskillator er vist i figuren nedenfor.

Denne kretsen inneholder en kondensator, motstander og en Op-Amp.

Den ikke-inverterende terminalen til Op-Amp er koblet til en RC-krets. Dermed er spenningen på kondensatoren VC den samme som spenningen ved ikke-inverterende terminal V- av Op-Amp. Og inverterende terminal er koblet til motstandene.

Når Op-Amp brukes med positiv tilbakemelding, som vist i kretsskjemaet, kalles kretsen for en Schmitt trigger.

Når V+ er større enn V-, er utgående spenning +12V. Og når V- er større enn V+, er utgående spenning -12V.

For initialbetingelsen, ved tiden t=0, anta at kondensatoren er fullstendig overført. Derfor er spenningen ved ikke-inverterende terminal V-=0. Og spenningen ved inverterende terminal V+ er lik βVout.

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

For å gjøre beregningen enkel, antar vi at R2 og R3 er de samme. Så, β=2 og βVout=6V. Dermed vil kondensatoren lades og avlades opp til 6V.

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

I denne situasjonen er V+ større enn V-. Så, utgangsspenningen Vout=+12V. Og kondensatoren begynner å lades.

Når spenningen på kondensatoren er større enn 6V, er V- større enn V+. Derfor endres utgangsspenningen til -12V.

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

Under this condition, the inverting terminal voltage changes its polarity. So, V+ = -6V.

Now, the capacitor discharges up to -6V. When the capacitor voltage is less than -6V, again V+ is greater than V-.

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

Derfor endrer utgangsspenningen seg fra -12V til +12V. Og igjen begynner kondensatoren å lades opp.

Så den periodiske og repetetive ladings- og avladingsykkelen til kondensatoren genererer en firkantbølge ved utgangsterminalen, som vist i figuren nedenfor.

op amp relaxation oscillator waveform — Firkantbølge fra op-amp-relaksasjonsosillasjon

Frekvensen av utgangsbølgeformen avhenger av kapasitorens opladings- og avladingsperiode. Også opladings- og avladingsperioden til kapasitoren avhenger av tidskonstanten i RC-kretsen.

UJT Relaxation Oscillator

UJT (unijunction transistor) brukes som et skruvedevice i spenningsoscillator. Kretsdiagrammet for UJT-relaksasjonsoscillator vises nedenfor.

Emittentterminalen til UJT er koblet til en motstand og en kapasitor.

Vi antar at kapasitoren opprinnelig er avladet. Så kapasitoren spenningen er null.

$V_C = 0$

I denne situasjonen forbli UJT AV. Og kapasitoren begynner å oplades gjennom motstanden R ved ligningen nedenfor.

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

Kondensatoren fortsetter å lades opp til den når maksimal spenningsforsyning VBB.

Når spenningen over kondensatoren er større enn den gitte spenningen, aktiveres UJT. Da stopper kondensatoren med å lades og begynner å lade av seg gjennom motstand R1.

Kondensatoren fortsetter å lade av seg til spenningen på kondensatoren når dalen spenning (VV) av UJT. Etter det slås UJT av, og kondensatoren begynner å lades igjen.

Dermed genererer prosessen med å lade og lade av kondensatoren en særskilt bølgeform over kondensatoren. Og spenningen som vises over motstand R2 under lading av kondensatoren, og forblir null under ladeprosessen av kondensatoren.

Spenningsbølgen over kondensatoren og motstand R2 er vist i figuren nedenfor.

ujt relaxation oscillator waveform — UJT Relaxation Oscillator Waveform

Relaksasjonsoskillatorfrekvens

Frekvensen til slakningsoskillasjonen avhenger av lade- og tommingstiden for kondensatoren. I RC-kretsen bestemmes lade- og tommingstiden av tidskonstanten.

Frekvens av Op-Amp slakningsoskillasjon

I Op-Amp slakningsoskillasjon bidrar R1 og C1 til frekvensen av oskillasjonen. Derfor, for lavere frekvens oskillasjon, trenger vi en lengre tid for lading og tomming av kondensatoren. Og for en lang lade- og tommingstid, må vi sette en større R1 og C1.

Tilsvarende, en mindre verdi av R1 og C1 fører til høyere frekvens oskillasjon.

Men, i beregningen av frekvens, spiller motstandene R2 og R3 også en viktig rolle. Fordi disse motstandene vil bestemme terskelspenningsnivået for kondensatoren, og kondensatoren vil lades opp til dette spenningsnivået.

Hvis terskel spenningen er lavere, er ladetiden raskere. Tilsvarende, hvis terskelspenningen er høyere, er ladetiden saktere.

Derfor, avhenger oskillasjonsfrekvensen av verdien av R1, R2, R3, og C1. Og formelen for Op-Amp slakningsoskillasjon frekvens er;

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

Hvor,

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

I de fleste tilfeller er R2 og R3 like for å forenkle design og beregning.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Ved å sette inn verdiene for R1 og C1, kan vi finne oscillasjonsfrekvensen til Op-Amp-relaksasjonsosillator.

Frekvensen til UJT-relaksasjonsosillator

I UJT-relaksasjonsosillator, avhenger også frekvensen av RC-kretsen. Som vist i kretsdiagrammet for UJT-relaksasjonsosillator, er motstandene R1 og R2 strømbegrensende motstander. Og oscillasjonsfrekvensen avhenger av motstanden R og kondensatoren C.

Formelen for frekvensen til UJT-relaksasjonsosillator er:

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

Der;

n = Innbyrdes stand-off-forhold. Verdien av n ligger mellom 0,51 og 0,82.

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

For å slå på UJT, kreves det minimum spenning:

$V = n V_{BB} + V_D$

Der

VBB = strømforsyningsspenning

VD = intern diodespenning mellom emittoren og base-2 terminalen

Verdien av motstand R begrenser seg til følgende område.

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

Der

VP, IP = toppspenning og strøm

VV, IV = dalvoltage og strøm

Differensialligning for slappe oscilator

I kretsskjemaet for slappe oscilator, har motstandene R2 og R3 like verdier. Så, ifølge spenningsdelerregelen;

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

V– er oppnådd ved ohms lov og kondensator differensialligning;

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

Det er to løsninger til denne differensialligningen; partikulær løsning og homogen løsning.

For en partikulær løsning er V- en konstant. Anta at V– = A. Derfor er den deriverte av en konstant null,

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

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

$V_{out} = A$

For homogenous solution, use the Laplace-transformasjonen of below equation;

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

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

V– er summen av den spesielle og homogene løsningen.

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

For å finne verdien av B, må vi evaluere den opprinnelige betingelsen.

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

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

$B = -V_{dd}$

Så, den endelige løsningen for V- er;

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

Sammenligning av komparatorer og operasjonsforsterkere

En komparator brukes også i stedet for en operasjonsforsterker. Lik operasjonsforsterkeren, er komparatorene designet til å drive fra sporet til sporet.

Komparator har en raskere stigningstid og falltid sammenlignet med operasjonsforsterkeren. Derfor er komparator mer egnet enn operasjonsforsterker for oscillasjonskretset.

I tilfelle operasjonsforsterkeren, har den push-pull-utganger. Så, hvis du bruker en operasjonsforsterker, er det ikke nødvendig å bruke en pull-up motstand. Men hvis du bruker en komparator, må du bruke en pull-up motstand.