Uspokovalni oscilator: Kaj je to? (In kako deluje)

Polje: Osnovna elektrotehnika

China

Kaj je relaksacijski oscilator?

Relaksacijski oscilator je definiran kot nelinearni elektronski oscilator, ki lahko generira ponavljajoči se izhodni signal, ki ni sinusoidalni. Relaksacijski oscilator je izumila Henri Abraham in Eugene Bloch z uporabo vakuumne cevi med prvo svetovno vojno.

Oscilatorji so razdeljeni na dve kategoriji; linearni oscilatorji (za sinusoidalne valovne oblike) in relaksacijski oscilatorji (za nesinusoidalne valovne oblike).

Njegov izhod mora biti ponavljajoči in periodičen signal za nesinusoidalne valovne oblike, kot so trikotniški, kvadratni in pravokotni valovi.

Dizajn relaksacijskega oscilatorja mora vključevati nelinearne elemente, kot so tranzistor, operacijski posiljevalec ali MOSFET ter naprave za shranjevanje energije, kot sta kondenzator in induktor.

Za ustvarjanje cikla se kondenzator in induktor neprestano nabijajo in razbijejo. Frekvenca cikla ali perioda oscilacije je odvisna od časovne konstante.

Kako deluje relaksacijski oscilator?

Relaksacijski oscilator vključuje naprave za shranjevanje energije, kot sta kondenzator in induktor. Te naprave se nabijajo s virom in razbijejo skozi optiko.

Oblika izhodnega valovnega oblika relaksacijskega oscilatorja je odvisna od časovne konstante kruga.

Razumimo delovanje relaksacijskih oscilatorjev z primerom.

rc relaksacijski oscilator — RC relaksacijski oscilator

Tukaj je kondenzator povezan med sijalko in baterijo. Ta vezja se tudi imenuje blikačsko vezje ali RC uporaba oscilator.

Baterija napolni kondenzator skozi upornik. Med nalaganjem kondenzatorja sijalka ostane v stanju izklopljena.

Ko kondenzator doseže svojo pragovno vrednost, se razpolni skozi sijalko. Tako, med razpolnjevanjem kondenzatorja, sijalka sveti.

Ko je kondenzator razpolnjen, se znova začne napolnjevati z virom. In sijalka ostane izklopljena.

Torej, postopek nalaganja in razpolnjevanja kondenzatorja je zvezan in periodičen.

Čas nalaganja kondenzatorja določa časovna konstanta. In časovna konstanta je odvisna od vrednosti upornika in kondenzatorja za RC vezje.

Zato frekvenca blikanja sijalke določi vrednost upornika in kondenzatorja.

Napetostni obliki na sijalki so prikazane na spodnji sliki.

rc relaxation oscillator waveform — Oblika valovanja RC uporabe oscilatorja

Za nadzor izhodnega valovanja se v vezju uporabljajo nelinearni elementi.

Shema vezja RC uporabe oscilatorja

Shema vezja RC uporabe oscilatorja vključuje nelinearni element za generiranje različnih vrst izhodnega valovanja. Glede na uporabo nelinearnih elementov se RC uporaba oscilatorja razdeli na tri vrste shem vezja.

Op-Amp Relaxation Oscillator

Oscilator op-Amp s posploščenim nazivom astabilni multivibrator. Uporablja se za generiranje kvadratnih valov. Shema vezja op-Amp osilatorja z odmikom je prikazana na spodnji sliki.

To vezje vključuje kondenzator, upornike in op-Amp.

Nepreobrnljivi terminal op-Ampa je povezan s RC vezjem. Torej je napetost kondenzatorja VC enaka kot napetost na nepreobrnljivem terminalu V- op-Ampa. In obrnljivi terminal je povezan z uporniki.

Ko je op-Amp uporabljen z pozitivno povratno zvezo, kot je prikazano na shemi vezja, se vezje imenuje Schmitt trigger.

Ko je V+ večji od V-, je izhodna napetost +12V. In ko je V- večji od V+, je izhodna napetost -12V.

Za začetne pogoje, ob času t=0, predpostavimo, da je kondenzator popolnoma razražen. Torej je napetost na nepreobrnljivem terminalu V-=0. In napetost na obrnljivem terminalu V+ je enaka βVout.

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

Za lažje računanje predpostavljamo, da sta R2 in R3 enaka. Torej, β=2 in βVout=6V. Tako bo kondenzator nabiran in razniran do 6V.

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

V tej situaciji je V+ večji od V-. Torej, izhodna napetost Vout=+12V. Kondenzator se začne nabirati.

Ko je napetost kondenzatorja večja od 6V, je V- večji od V+. Zato se izhodna napetost spremeni v -12V.

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

Pri tej stanji se polarnost napetosti na inverznem vhodu spremeni. Torej, V+ = -6V.

Nun, kondenzator se razračuna do -6V. Ko je napetost kondenzatorja manjša od -6V, je V+ večja od V-.

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

Zato se ponovno izhodna napetost spremeni iz -12V v +12V. In ponovno se kondenzator začne nabirati.

Tako cikel nabiranja in razračunavanja kondenzatorja generira periodični in ponavljajoči se kvadratni val na izhodnem vhodu, kot je prikazano na spodnjem prikazu.

op amp relaxation oscillator waveform — Valovna oblika op-amplifikatorja s posplošenim oscilatorjem

Frekvenca izhodne valovne oblike je odvisna od časa nabiranja in raznabiranja kondenzatorja. Čas nabiranja in raznabiranja kondenzatorja pa je odvisen od časovne konstante RC vezije.

UJT Relaksacijski Oscilator

UJT (unijunkcijski tranzistor) se uporablja kot preklopno napravo v relaksacijskem oscilatorju. Shema vezije UJT relaksacijskega oscilatorja je prikazana na spodnji sliki.

ujt relaxation oscillator — UJT Relaksacijski Oscilator

Izhodni terminal UJT je povezan z upornikom in kondenzatorjem.

Predpostavljamo, da je na začetku kondenzator raznabit. Torej je napetost kondenzatorja enaka nič.

$V_C = 0$

V tej situaciji ostane UJT izklopljen. Kondenzator začne nabirati skozi upornik R glede na spodnjo enačbo.

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

Kondenzator se nadaljuje z nabiranjem, dokler ne doseže maksimalno podano napetost VBB.

Ko je napetost na kondenzatorju večja od podane napetosti, omogoči UJT, da se vklopi. Tada kondenzator prestane s nabiranjem in začne raznabirati skozi upor R1.

Kondenzator se nadaljuje z raznabiranjem, dokler napetost na kondenzatorju ne doseže dolinsko napetost (VV) UJT. Nato se UJT izklopi in začne s ponovnim nabiranjem kondenzatorja.

Tako proces nabiranja in raznabiranja kondenzatorja ustvari pilastropni val na kondenzatorju. In napetost, ki se pojavi na uporu R2 med raznabiranjem kondenzatorja, ostane nič med nabiranjem kondenzatorja.

Napetostni val na kondenzatorju in uporu R2 je prikazan na spodnji sliki.

ujt relaxation oscillator waveform — Valna oblika UJT relaksacijskega oscilatorja

Frekvenca relaksacijskega oscilatorja

Frekvenca relaksacijskega oscilatorja je odvisna od časa nabiranja in raznabiranja kondenzatorja. V RC vezju je čas nabiranja in raznabiranja določen s časovno konstanto.

Frekvenca relaksacijskega oscilatorja z operacijskim posiljevalnikom

V relaksacijskem oscilatorju z operacijskim posiljevalnikom prispevajo R1 in C1 k frekvenci oscilacije. Zato za nižjo frekvenco oscilacije potrebujemo daljši čas za nabiranje in raznabiranje kondenzatorja. Za dolgi čas nabiranja in raznabiranja moramo nastaviti večji R1 in C1.

Podobno, manjša vrednost R1 in C1 povzroča višjo frekvenco oscilacije.

Vendar pa pri izračunu frekvence igrajo pomembno vlogo tudi upori R2 in R3. Ker bosta ti upori določila pragovno napetost kondenzatorja, bo kondenzator nabiran do te ravni napetosti.

Če je pragovna napetost nižja, je čas nabiranja hitrejši. Podobno, če je pragovna napetost višja, je čas nabiranja počasnejši.

Zato je frekvenca oscilacije odvisna od vrednosti R1, R2, R3 in C1. In formula za frekvenco relaksacijskega oscilatorja z operacijskim posiljevalnikom je;

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

Kjer je,

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

V večini primerov sta R2 in R3 enaka, da bi poenostavili načrtovanje in izračune.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Z vrednostmi R1 in C1 lahko izračunamo frekvenco oscilacije op-amp relaksacijskega oscilatorja.

Frekvenca UJT relaksacijskega oscilatorja

V UJT relaksacijskem oscilatorju je frekvenca odvisna tudi od RC vezja. Kot je prikazano na shemi vezja UJT relaksacijskega oscilatorja, so upori R1 in R2 omejevalni upori za tok. Frekvenca oscilacije pa je odvisna od upora R in kondenzatorja C.

Formula za frekvenco UJT relaksacijskega oscilatorja je:

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

Kjer je:

n = notranji odnos stojnosti. Vrednost n leži med 0,51 in 0,82.

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

Za vklop UJT je potrebna najmanjša napetost:

$V = n V_{BB} + V_D$

Kjer je,

VBB = virska napetost

VD = notranji padec diode med emiterjem in baznim terminalom 2

Vrednost uporov R se omejuje na naslednji obseg.

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

Kjer,

VP, IP = vrhovna napetost in tok

VV, IV = dolinska napetost in tok

Diferencialna enačba relaksacijskega oscilatorja

V shemi relaksacijskega oscilatorja imata upornika R2 in R3 enake vrednosti. Torej, glede na pravilo delilnika napetosti;

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

V– se dobi z Ohmovim zakonom in diferencialno enačbo kondenzatorja;

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

Ta diferencialna enačba ima dve rešitvi; posebno rešitev in homogena rešitev.

Za posebno rešitev je V– konstanta. Predpostavimo, da je V– = A. Torej, odvod konstante je nič,

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

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

$V_{out} = A$

Za homogeno rešitev uporabite Laplaceovo transformacijo naslednje enačbe;

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

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

V– je skupna particularna in homogena rešitev.

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

Za določitev vrednosti B moramo oceniti začetni pogoj.

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

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

$B = -V_{dd}$

Torej, končna rešitev za V- je;

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

Primerjalnik vs operacijski posiljatelji

Primerjalnik se uporablja tudi namesto operacijskega posiljatelja. Podobno kot pri operacijskem posiljatelju so kompenzatorji zasnovani, da delujejo od trake do trake.

Primerjalnik ima hitrejši čas narastanja in padanja v primerjavi s operacijskim posiljateljem. Zato je primerjalnik bolj primeren kot operacijski posiljatelj za krožnico oscilatorja.

V primeru operacijskega posiljatelja ima izhod tipa push-pull. Torej, če uporabljate operacijski posiljatelj, ni potrebno uporabiti pull-up odpornika. Če pa uporabljate primerjalnik, mora biti uporabljen pull-up odpornik.

Uporaba relaksacijskih oscilatorjev

Relaksacijski oscilatorji se uporabljajo za generiranje notranjega signala urnika za katero koli digitalno shemo. Uporabljajo se tudi v naslednjih aplikacijah.

- Napetostni kontrolni oscilator
- Spominske vezije
- Generator signala (za generiranje časovnih signalov)
- Stroboskopi
- Vklop tiristorja v veziji
- Večkratniki
- Televizijski sprejemniki
- Števci
Izjava: Spoštujte izvirnik, dobre članke je vredno deliti, če gre za kršitev avtorskih pravic, se obvestite za brisanje.