Oscilator opuštanja: Šta je to? (I kako radi)

Polje: Osnovna elektronika

China

Šta je relaksacioni oscilator?

Relaksacioni oscilator se definiše kao nelinearni elektronski oscilator koji može generisati ponavljajući izlazni signal koji nije sinusoidalni. Relaksacioni oscilator je izumili Henri Abraham i Eugene Bloch koristeći vakuumsku cevicu tokom Prvog svetskog rata.

Oscilatori se klasifikuju u dve različite kategorije; linearne oscilatore (za sinusoidne talase) i relaksacione oscilatore (za nesinusoidne talase).

Mora da pruža ponavljajući i periodičan signal za nesinusoidne talase, poput trokutastih, kvadratnih i pravougaonih talasa na svojem izlazu.

Dizajn relaksacionog oscilatora mora uključivati nelinearne elemente poput transistora, Op-Amp-a ili MOSFET-a i uređaje za čuvanje energije poput kapacitora i induktera.

Da bi se producirao ciklus, kapacitor i induktor se neprestano nabijaju i ispraznjavaju. A frekvencija ciklusa ili period oscilovanja zavisi od vremenske konstante.

Kako radi relaksacioni oscilator?

Relaksacioni oscilator sadrži uređaje za čuvanje energije poput kapacitora i induktora. Ovi uređaji se nabijaju iz izvora i ispraznjavaju kroz opterećenje.

Oblik izlaznog talasa relaksacionog oscilatora zavisi od vremenske konstante kruga.

Razmotrimo rad relaksacionih oscilatora kroz primer.

rc relaksacioni oscilator — RC relaksacioni oscilator

Ovde je kondenzator povezan između sijaljke i baterije. Ova šema se takođe naziva flasher šemom ili RC relaksacionim oscilatorom.

Baterija puni kondenzator kroz otpornik. Dok se kondenzator puni, sijaljka ostaje u isključenom stanju.

Kada kondenzator dostigne svoju pragovu vrednost, ispraznjava se kroz sijaljku. Tako, dok se kondenzator ispraznjava, sijaljka svetli.

Kada se kondenzator isprazni, ponovo počinje da se puni od izvora. Sijaljka ostaje isključena.

Stoga, proces punjenja i ispraznjenja kondenzatora jeste kontinualan i periodičan.

Vreme punjenja kondenzatora određuje se konstantom vremena. Konstanta vremena zavisi od vrednosti otpornika i kondenzatora za RC šemu.

Stoga, frekvencija treptanja sijaljke odlučuje se vrednošću otpornika i kondenzatora.

Talasi na sijaljci su prikazani na slici ispod.

rc relaxation oscillator waveform — Talasi RC relaksacionog oscilatora

Za kontrolu izlaznih talasa, u šemi se koriste nelinearni elementi.

Šema relaksacionog oscilatora

Šema relaksacionog oscilatora sadrži nelinearni uređaj za generisanje različitih tipova izlaznih talasa. Prema upotrebi nelinearnih uređaja, relaksacioni oscilator se klasifikuje u tri tipa šemata.

Operacioni pojačač relaksacioni oscilator

Operacioni pojačač relaksacioni oscilator je poznat i kao astabilni multivibrator. Koristi se za generisanje kvadratnih talasa. Shema operacionog pojačača relaksacionog oscilatora prikazana je na slici ispod.

op amp relaxation oscillator — Operacioni pojačač relaksacioni oscilator

Ova shema sadrži kondenzator, otpornike i operacioni pojačač.

Nevinvertirajući ulaz operacionog pojačača povezan je sa RC šalom. Stoga je napona kondenzatora VC jednak naponu na nevinvertirajućem ulazu V- operacionog pojačača. Invertirajući ulaz povezan je sa otpornicima.

Kada se operacioni pojačač koristi sa pozitivnim povratnim spregom, kao što je prikazano na shemi, taj krug se naziva Schmittov trigger.

Kada je V+ veće od V-, izlazni napon je +12V. A kada je V- veće od V+, izlazni napon je -12V.

Za početne uslove, u trenutku t=0, pretpostavimo da je kondenzator potpuno ispraznjen. Stoga je napon na nevinvertirajućem ulazu V-=0. A napon na invertirajućem ulazu V+ jednak je βVout.

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

Da bi se olakšao izračun, pretpostavljamo da su R2 i R3 isti. Dakle, β=2 i βVout=6V. Stoga će kondenzator nabijati i razbijati do 6V.

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

U ovom stanju, V+ je veće od V-. Stoga, izlazna napona Vout=+12V. I kondenzator počinje da se nabija.

Kada je napona kondenzatora veći od 6V, V- je veće od V+. Stoga, izlazna napona menja se na -12V.

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

U toku ovog stanja, napon na inverznom ulazu menja svoju polaritet. Dakle, V+ = -6V.

Sada kondenzator ispunjava do -6V. Kada je napon kondenzatora manji od -6V, opet je V+ veći od V-.

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

Stoga se ponovo napon na izlazu menja sa -12V na +12V. I opet, kondenzator počinje da se puni.

Dakle, ciklus punjenja i ispunjavanja kondenzatora generiše periodičnu i ponavljajuću kvadratnu talasnu formu na izlaznom ulazu, kao što je prikazano na slici ispod.

op amp relaxation oscillator waveform — Talasna forma oscilatora op-aampa sa opustom

Frekvencija izlazne talase zavisi od vremena nabijanja i ispraznjenja kondenzatora. A vreme nabijanja i ispraznjenja kondenzatora zavisi od vremenske konstante RC kruga.

UJT Relaxation Oscillator

UJT (unijunkcioni tranzistor) se koristi kao uređaj za prekid u oscilatoru opuštanja. Shema kruga UJT oscilatora opuštanja prikazana je na slici ispod.

Izlazni terminal UJT-a povezan je sa otpornikom i kondenzatorom.

Pretpostavljamo da je inicijalno kondenzator ispražnjen. Dakle, napon na kondenzatoru je nula.

$V_C = 0$

U ovim uslovima, UJT ostaje ISKLJUČEN. I kondenzator počinje da se nabija kroz otpornik R prema jednačini ispod.

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

Kondenzator se nastavlja na napajanje sve dok ne dostigne maksimalnu naponsku vrednost VBB.

Kada je napon preko kondenzatora veći od napajanja, omogućava se da UJT bude uključen. Tada kondenzator prestaje sa napajanjem i počinje da se ispraznjava kroz otpornik R1.

Kondenzator se nastavlja ispraznavati sve dok napon kondenzatora ne dostigne dnu napona (VV) UJT-a. Nakon toga, UJT se isključi i počne napajanje kondenzatora.

Stoga, proces napajanja i ispraznavanja kondenzatora generiše zubastu talasnu formu preko kondenzatora. A napon se pojavljuje preko otpornika R2 tokom ispraznavanja kondenzatora i ostaje nula tokom napajanja kondenzatora.

Talasna forma napona preko kondenzatora i otpornika R2 prikazana je na slici ispod.

ujt relaxation oscillator waveform — Talasna forma UJT relaksacionog oscilatora

Frekvencija relaksacionog oscilatora

Frekvencija oscilatora opuštanja zavisi od vremena nabijanja i ispraznjava kondenzatora. U RC kolu, vreme nabijanja i ispraznjava odlučuje vremenska konstanta.

Frekvencija op-amplifikatora opuštanja oscilatora

U op-amplifikatoru opuštanja oscilatora, R1 i C1 doprinose frekvenciji oscilacije. Stoga, za nižu frekvenciju oscilacije, potrebno je duže vreme za nabijanje i ispraznjava kondenzatora. Za duže vreme nabijanja i ispraznjava, potrebno je postaviti veće R1 i C1.

Slično tome, manja vrednost R1 i C1 dovodi do više frekvencije oscilacije.

Međutim, u izračunavanju frekvencije, otpornici R2 i R3 takođe igraju ključnu ulogu. Zato što ovi otpornici odlučuju pragovu naponsku razliku kondenzatora, a kondenzator će se nabiti do ovog nivoa napona.

Pretpostavimo da je pragovska naponska razlika niža, vreme nabijanja je brže. Slično tome, ako je pragovska naponska razlika veća, vreme nabijanja je sporije.

Stoga, frekvencija oscilacije zavisi od vrednosti R1, R2, R3 i C1. Formula za frekvenciju op-amplifikatora opuštanja oscilatora je;

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

Где,

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

У већини случајева, R2 и R3 су исти ради лакшег дизајна и рачуна.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Stavljanjem vrednosti za R1 i C1, možemo odrediti frekvenciju oscilacije op-amp relaksacionog oscilatora.

Frekvencija UJT relaksacionog oscilatora

U UJT relaksacionom oscilatoru, frekvencija takođe zavisi od RC kruga. Kao što je prikazano na shemi UJT relaksacionog oscilatora, otpornici R1 i R2 su ograničujući otpornici struje. Frekvencija oscilacije zavisi od otpornika R i kondenzatora C.

Formula frekvencije za UJT relaksacioni oscilator je;

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

Gde je;

n = Intrinsic stand-off ratio. Vrednost n se nalazi između 0.51 i 0.82.

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

Minimalna potrebna napona za uključivanje UJT je;

$V = n V_{BB} + V_D$

Gde,

VBB = napajajući napon

VD = pad napona unutrašnje diode između emitera i baze-2

Vrednost otpornika R ograničena je sledećim opsegom.

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

Gde je

VP, IP = vrhovni napon i struja

VV, IV = dnuvni napon i struja

Diferencijalna jednačina relaksacijskog oscilatora

U shemi relaksacijskog oscilatora, otpornici R2 i R3 imaju jednake vrednosti. Prema tome, prema pravilu deljenja napona;

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

V– se dobija primenom Ohmovog zakona i diferencijalne jednačine kondenzatora;

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

Postoje dva rešenja ove diferencijalne jednačine; partikularno rešenje i homogeno rešenje.

Za partikularno rešenje, V- je konstanta. Pretpostavimo da je V– = A. Stoga je izvod konstante jednak nuli,

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

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

$V_{out} = A$

Za homogeno rešenje, koristiti Laplaceovu transformaciju sledeće jednačine;

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

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

V– je zbir posebnog i homogenog rešenja.

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

Da bismo pronašli vrednost B, potrebno je izračunati početni uslov.

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

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

$B = -V_{dd}$

Dakle, konačno rešenje za V- je;

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

Usporedba usporavnika i operativnih pojačavača

Usporavnik se takođe koristi umjesto operativnog pojačavača. Slično operativnom pojačavaču, usporavnici su dizajnirane da se voze od rail-to-rail.

Usporavnik ima brži vremenski interval rasta i pada u poređenju s operativnim pojačavačem. Stoga je usporavnik pogodniji nego operativni pojačavač za oscilatorsku šemu.

U slučaju operativnog pojačavača, on ima push-pull izlaze. Dakle, ako koristite operativni pojačavač, nije potrebno koristiti pull-up otpornik. Ali ako koristite usporavnik, morate koristiti pull-up otpornik.