Oscillator wa Relakushe: Ni nini? (Na Jinsi Inayofanya Kazi)

Champu: Maelezo ya Kifupi kuhusu Umeme

China

Ni ni Nini Relaxation Oscillator?

Relaxation oscillator ni mzunguko wa umeme usio wa mstari ambao unaweza kufanikiwa kutoa tofauti ya matumizi inayokurudia na si sinusoidal. Relaxation oscillator uliundwa na Henri Abraham na Eugene Bloch kutumia chombo cha vacuum tube wakati wa Vita vya Umoja 1.

Oscillators zinajulikana katika miundo mbili tofauti; oscillators wa mstari (kwa sinusoidal waveforms) na relaxation oscillators (kwa non-sinusoidal waveforms).

Lazima lifanye ishara inayokurudia na ya kila wakati kwa waveforms zisizokuwa na sinusoidal kama triangular, square, na rectangular waves kwenye output yake.

Uundaji wa relaxation oscillator lazima uwe na viungo vya sio mstari kama transistor, Op-Amp, au MOSFET na vifaa vya kukusanya nishati kama capacitor na inductor.

Kutengeneza mzunguko, capacitor na inductor huwa hujazwa na hukua mara kwa mara. Na frequency ya mzunguko au muda wa oscillation unategemea constant time.

Jinsi Relaxation Oscillator Inafanya Kazi?

Relaxation oscillator una vifaa vya kukusanya nishati kama capacitor na inductor. Vifaa haya vinajazwa na chanzo na kuwa kwa mwingiliano.

Umbo la waveform la output la relaxation oscillator linafananisha constant time ya circuit.

Hebu tuuelewe jinsi relaxation oscillators hufanya kazi tumeavyo mfano.

rc relaxation oscillator — RC Relaxation Oscillator

Hapa, kipengele cha kuhifadhi kinajungwa kati ya chandelier na batili. Mzunguko huu unatafsiriwa pia kama mzunguko wa flasher au RC relaxation oscillator.

Batili huchanga kipengele cha kuhifadhi kupitia resistor. Wakati kipengele cha kuhifadhi kinachanganyikiwa, chandelier ina baki katika hali ya OFF.

Wakati kipengele cha kuhifadhi kinapoufikia kiwango chake cha thamani, kinatoka kupitia chandelier. Hivyo, wakati kipengele cha kuhifadhi kinatoka, chandelier kinapopaa.

Wakati kipengele cha kuhifadhi kimekamilisha kutoka, huchanaganya tena kwa nguvu ya chanzo. Na chandelier inabaki katika hali ya OFF.

Hivyo, mchakato wa kuchanga na kutoka kwa kipengele cha kuhifadhi unafanya kwa muda na mara nyingi.

Muda wa kuchanga kwa kipengele cha kuhifadhi hutathmini na muda wa time constant. Na time constant huwasilishwa kwa thamani ya resistor na kipengele cha kuhifadhi kwa mzunguko wa RC.

Kwa hiyo, haraka ya kuflash chandelier hutathmini na thamani ya resistor na kipengele cha kuhifadhi.

Waveforms zinazopita kwenye chandelier ni kama inavyoonyeshwa kwenye ramani ifuatayoni.

rc relaxation oscillator waveform — RC Relaxation Oscillator Waveform

Kukontrola waveform za output, vyanzo vya non-linear vinatumika kwenye mzunguko.

Relaxation Oscillator Circuit Diagram

Diagramu ya mzunguko wa relaxation oscillator ina vyanzo vya non-linear vilivyotengenezwa kubainisha aina tofauti za waveform za output. Kulingana na matumizi ya vyanzo vya non-linear, relaxation oscillator husambazwa kwa tatu aina tofauti za diagramu za mzunguko.

Oscillator wa Kusisifu kwa Kutumia Op-Amp

Oscillator wa kusisifu kutumia Op-Amp unatafsiriwa kama multivibrator mwenye hali isiyotakikana. Hutumiwa kutengeneza maovu ya mraba. Ramani ya mkondo wa Oscillator wa kusisifu kutumia Op-Amp imeonyeshwa chini.

op amp relaxation oscillator — Oscillator wa Kusisifu kwa Kutumia Op-Amp

Mkondo huu una kondensa, resisto, na Op-Amp.

Kituo cha siinvi la Op-Amp kilichounganishwa na mkondo wa RC. Hivyo, umbo wa kondensa VC ni sawa na umbo wa kituo cha siinvi V- la Op-Amp. Na kituo cha sinvi kilichounganishwa na resisto.

Wakati Op-Amp hutumika na feedback chanya, kama inavyoonekana katika ramani ya mkondo, mkondo huu unatafsiriwa kama Schmitt trigger.

Wakati V+ ni zaidi ya V-, umbo wa mwisho ni +12V. Na wakati V- ni zaidi ya V+, umbo wa mwisho ni -12V.

Kwa masharti ya awali, wakati t=0, tumeamurianisha kuwa kondensa imefungwa kamili. Hivyo, umbo wa kituo cha siinvi ni V-=0. Na umbo wa kituo cha sinvi V+ ni sawa na βVout.

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

Kwa kufanya hesabu rahisi, tunapostahimili kuwa R2 na R3 ni sawa. Hivyo, β=2 na βVout=6V. Hivyo, kondensaa itachanganyikiwa na kutofautiana hadi 6V.

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

Katika hali hii, V+ ni zaidi ya V-. Hivyo, umbo wa mwisho Vout=+12V. Na kondensaa inaanza kuchanganyikiwa.

Wakati umbo wa kondensaa ni zaidi ya 6V, V- ni zaidi ya V+. Hivyo, umbo wa mwisho unabadilika kuwa -12V.

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

Katika hali hii, umbo la viti inabadilisha upande wake. Hivyo, V+ = -6V.

Sasa, kipimo kinapungua hadi -6V. Wakati unyevu wa kipimo ni chini ya -6V, tena V+ ni zaidi ya V-.

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

Hivyo, tena umbo la matumizi linabadilisha kutoka -12V hadi +12V. Na tena, kipimo kianza kupimwa.

Hivyo, mzunguko wa kupimwa na kupungua wa kipimo huunda mwanga mzima na wa kurefu katika viwanja vya matumizi, kama inavyoonyeshwa katika picha hapa chini.

op amp relaxation oscillator waveform — Mwanga wa Op-Amp Relaxation Oscillator

Taarifa ya mwanga uliopakua inategemea muda wa kupakia na kutoa kwa kondenseta. Na muda wa kupakia na kutoa kwa kondenseta unategemea sababu ya muda wa kitengo cha RC.

UJT Relaxation Oscillator

UJT (unijunction transistor) unatumika kama kifaa cha kutumia katika osiloskopu wa upungufu. Ramani ya mkondo wa UJT relaxation oscillator imeonyeshwa chini.

Kituo cha emitter cha UJT kilivyofanana na resistor na kondenseta.

Tumeamini kuwa awali kondenseta imetolewa. Kwa hiyo, umbo la kondenseta ni sifuri.

$V_C = 0$

Katika hali hii, UJT bado haijalikoni. Na kondenseta inaanza kupakiwa kupitia resistor R kwa kutumia hesabu ifuatayo.

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

Kondensaa inatafsiri kwa muda hadi ipate umbo wa viwango vya mwisho VBB.

Wakati umbo wa kondensaa ni zaidi ya umbo lililotolewa, hii inafanya UJT kuwa ON. Kisha kondensaa hutokana na kutafsiri na hujalenga kuanza kuchomo kwa njia ya resistor R1.

Kondensaa inatafsiri kwa muda hadi umbo wake likapata umbo chenye viwango visivyo (VV) la UJT. Baada ya hii, UJT huwa OFF na kondensaa hujalenga kuanza kutafsiri.

Hivyo, mchakato wa kutafsiri na kuchomo kondensaa unaweza kupata waveform saw-tooth juu ya kondensaa. Na umbo linaloonekana juu ya resistor R2 wakati wa kuchomo kondensaa na linabaki sifuri wakati wa kutafsiri kondensaa.

Umbo wa waveform juu ya kondensaa na resistor R2 linavyoonyeshwa katika picha chini.

ujt relaxation oscillator waveform — UJT Relaxation Oscillator Waveform

Umbio wa Relaxation Oscillator

Taa mara ya Relaxation Oscillator inategemea kwa muda wa kupaka na kutondoka kwa kapasitaa. Katika mfumo wa RC, muda wa kupaka na kutondoka unahusishwa na muda wa mwisho.

Taa mara ya Op-Amp Relaxation Oscillator

Katika Op-Amp relaxation oscillator, R1 na C1 huwafanya taa mara ya oscillation. Kwa hivyo, kwa taa mara ya chini, tunahitaji muda mrefu wa kupaka na kutondoka kwa kapasitaa. Na kwa muda mrefu wa kupaka na kutondoka, tunapaswa kuweka R1 na C1 zaidi.

Vilevile, thamani ndogo ya R1 na C1 hutengeneza taa mara ya juu.

Lakini, katika hisabati ya taa mara, resistor R2 na R3 pia huchangia kwa umuhimu mkubwa. Kwa sababu resistor hizi zitaweza kuchagua voltage ya threshold ya kapasitaa, na kapasitaa itapaka hadi kiwango hiki cha voltage.

Ikiwa voltage ya threshold ni chini, muda wa kupaka ni haraka. Vilevile, ikiwa voltage ya threshold ni juu, muda wa kupaka ni polepole.

Kwa hivyo, taa mara ya oscillation inategemea kwa thamani ya R1, R2, R3, na C1. Na formula ya taa mara ya Op-Amp relaxation oscillator ni;

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

Hapa,

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

Katika nyingi ya mawasilisho, R2 na R3 ni sawa ili kufanya muundo na hesabu rahisi.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Kwa kutumia maadili ya R1 na C1, tunaweza kupata ufanisi wa mzunguko wa Op-Amp relaxation oscillator.

Ufanisi wa UJT Relaxation Oscillator

Katika UJT relaxation oscillator, pia ufanisi unategemea kitengo cha RC. Kama inavyoonekana katika ramani ya mkando wa UJT relaxation oscillator, resistors R1 na R2 ni resistors za kuzuia current. Na ufanisi wa mzunguko unategemea resistor R na capacitor C.

Formula ya ufanisi wa UJT relaxation oscillator ni;

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

Hapa;

n = Anufaa ya stand-off ratio. Na thamani ya n inakua kati ya 0.51 hadi 0.82.

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

Kwa kuanza UJT, umbo wa mwisho unahitajika ni;

$V = n V_{BB} + V_D$

Kuhusu,

VBB = umbo wa mwisho

VD = tofauti ya diode ndani kati ya emitter na terminal ya base-2

Thamani ya resistor R ina hatari katika mtaani ifuatayo.

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

Hapa,

VP, IP = kasi ya paa na umeme wa paa

VV, IV = kasi ya chini na umeme wa chini

Maelezo ya tofauti ya Relaxation Oscillator

Katika ramani ya utaratibu wa Relaxation Oscillator, resistor R2 na R3 yana thamani sawa. Kwa hivyo, kulingana na sheria ya voltage divider;

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

V– inatoke kwa ohm’s law na tofauti ya mteko wa kapasitaa;

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

Kuna suluhisho mbili kwa tofauti hii; suluhisho la maalum na suluhisho la moja kwa moja.

Kwa ajili ya suluhisho la maalum, V- ni sababu ya kawaida. Tumia V– = A. Kwa hiyo, tofauti ya sababu ya kawaida ni sifuri,

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

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

$V_{out} = A$

Kwa suluhisho moja, tumia mabadiliko ya Laplace ya maelezo ifuatayo;

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

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

V– ni jumla ya suluhisho maalum na moja.

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

Kupata thamani ya B, tunahitaji kutathmini hali ya mwanzo.

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

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

$B = -V_{dd}$

Kwa hivyo, suluhisho la mwisho la V- ni;

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

Mwakazaji vs Op-Amps

Mwakazaji pia hutumiwa kwenye Op-Amp. Kama Op-Amp, mwakazaji wameundwa kufikiwa kutoka rail-to-rail.

Mwakazaji ana muda wa kuanguka na kupanda kwa haraka zaidi kuliko Op-Amp. Kwa hivyo, mwakazaji ni rahisi zaidi kutumika kwa utaratibu wa osilasya kuliko Op-Amp.

Kwa kipaumbele cha Op-Amp, ina matumizi ya push-pull. Hivyo basi, ikiwa unatumia Op-Amp, si lazima kutumia resistor wa pull-up. Lakini ikiwa unatumia mwakazaji, lazima kutumia resistor wa pull-up.