ออสซิลเลเตอร์การผ่อนคลาย: คืออะไร? (และทำงานอย่างไร)

ฟิลด์: ไฟฟ้าพื้นฐาน

China

อะไรคือออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลาย

ออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลายถูกกำหนดให้เป็นวงจรออสซิลเลเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่เชิงเส้นที่สามารถสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่ไม่เป็นไซนัสอย่างซ้ำๆ ออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลายถูกคิดค้นโดย Henri Abraham และ Eugene Bloch โดยใช้หลอดสุญญากาศในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1

ออสซิลเลเตอร์ถูกแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ ออสซิลเลเตอร์เชิงเส้น (สำหรับสัญญาณรูปคลื่นไซนัส) และออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลาย (สำหรับสัญญาณรูปคลื่นที่ไม่เป็นไซนัส)

มันต้องให้สัญญาณที่ซ้ำและเป็นคาบสำหรับรูปคลื่นที่ไม่เป็นไซนัส เช่น รูปคลื่นสามเหลี่ยม สี่เหลี่ยมจัตุรัส และสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่เอาต์พุต

การออกแบบของออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลายต้องรวมถึงองค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้น เช่น ทรานซิสเตอร์ Op-Amp หรือ MOSFET และอุปกรณ์เก็บพลังงาน เช่น คอนเดนเซอร์ และอินดักเตอร์

เพื่อสร้างวงจร คอนเดนเซอร์และอินดักเตอร์จะชาร์จและปล่อยประจุอย่างต่อเนื่อง และความถี่ของวงจรหรือคาบของการสั่นสะเทือนขึ้นอยู่กับค่าคงที่เวลา

ออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลายทำงานอย่างไร?

ออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลายมีอุปกรณ์เก็บพลังงาน เช่น คอนเดนเซอร์และอินดักเตอร์ เหล่านี้จะชาร์จจากแหล่งกำเนิดและปล่อยประจุผ่านโหลด

รูปร่างของสัญญาณเอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลายขึ้นอยู่กับค่าคงที่เวลาของวงจร

ลองทำความเข้าใจการทำงานของออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลายด้วยตัวอย่าง

rc relaxation oscillator — ออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลาย RC

ที่นี่ ตัวเก็บประจุถูกเชื่อมระหว่างหลอดไฟและแบตเตอรี่ วงจรนี้ยังเรียกว่าวงจรแฟลชหรือวงจรผ่อนคลาย RC

แบตเตอรี่ชาร์จตัวเก็บประจุผ่านตัวต้านทาน ระหว่างการชาร์จตัวเก็บประจุ หลอดไฟจะอยู่ในสถานะปิด

เมื่อตัวเก็บประจุถึงค่า阚了您提供的翻译要求，我将继续按照规则完成泰语翻译。以下是翻译内容： ```html

เมื่อตัวเก็บประจุถึงค่าขีดจำกัด มันจะปล่อยประจุผ่านหลอดไฟ ดังนั้น ในระหว่างการปล่อยประจุของตัวเก็บประจุ หลอดไฟจะสว่าง

เมื่อตัวเก็บประจุปล่อยประจุหมด มันจะเริ่มชาร์จโดยแหล่งกำเนิดอีกครั้ง และหลอดไฟจะอยู่ในสถานะปิด

ดังนั้น กระบวนการชาร์จและปล่อยประจุของตัวเก็บประจุเป็นไปอย่างต่อเนื่องและเป็นวงจร

เวลาชาร์จของตัวเก็บประจุกำหนดโดยค่าคงที่เวลา และค่าคงที่เวลานี้ขึ้นอยู่กับค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุสำหรับวงจร RC

ดังนั้น อัตราการแฟลชของหลอดไฟจะถูกกำหนดโดยค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ

รูปคลื่นที่ผ่านหลอดไฟแสดงดังรูปด้านล่าง

rc relaxation oscillator waveform — รูปคลื่นของวงจรผ่อนคลาย RC

เพื่อควบคุมรูปคลื่นเอาต์พุต ใช้อุปกรณ์ไม่เชิงเส้นในวงจร

แผนภาพวงจรผ่อนคลาย RC

แผนภาพวงจรผ่อนคลาย RC ประกอบด้วยอุปกรณ์ไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างรูปคลื่นเอาต์พุตประเภทต่างๆ ตามการใช้อุปกรณ์ไม่เชิงเส้น วงจรผ่อนคลาย RC สามารถจำแนกได้เป็นสามประเภทของแผนภาพวงจร

```

วงจรป้อนกลับโอเพอร์แอมป์แบบผ่อนคลาย

วงจรป้อนกลับโอเพอร์แอมป์แบบผ่อนคลายยังเรียกว่า วงจรมัลติไวเบรเตอร์ที่ไม่เสถียร มันใช้ในการสร้างสัญญาณสี่เหลี่ยม วงจรของวงจรป้อนกลับโอเพอร์แอมป์แบบผ่อนคลายแสดงในภาพด้านล่างนี้

วงจรนี้ประกอบด้วยคาปาซิเตอร์ ตัวต้านทาน และโอเพอร์แอมป์

ขั้วบวกของโอเพอร์แอมป์เชื่อมต่อกับวงจร RC ดังนั้นแรงดันของคาปาซิเตอร์ VC จะเท่ากับแรงดันที่ขั้วบวก V- ของโอเพอร์แอมป์ และขั้วลบเชื่อมต่อกับตัวต้านทาน

เมื่อใช้โอเพอร์แอมป์กับป้อนกลับบวก เช่นในวงจรที่แสดง วงจรนี้จะเรียกว่า ทริกเกอร์ชมิต.

เมื่อ V+ มากกว่า V- แรงดันขาออกจะเป็น +12V และเมื่อ V- มากกว่า V+ แรงดันขาออกจะเป็น -12V

สำหรับเงื่อนไขเริ่มต้น ที่เวลา t=0 ให้สมมติว่าคาปาซิเตอร์ปล่อยประจุหมด ดังนั้นแรงดันที่ขั้วบวกคือ V-=0 และแรงดันที่ขั้วลบ V+ เท่ากับ βVout.

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

เพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้น เราถือว่า R2 และ R3 เท่ากัน ดังนั้น β=2 และ βVout=6V ดังนั้น ตัวเก็บประจุจะชาร์จและปล่อยประจุจนถึง 6V

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

ในสภาวะนี้ V+ มากกว่า V- ดังนั้นแรงดันขาออก Vout=+12V และตัวเก็บประจุเริ่มชาร์จ

เมื่อแรงดันของตัวเก็บประจุมีค่ามากกว่า 6V V- จะมากกว่า V+ ดังนั้นแรงดันขาออกจะเปลี่ยนเป็น -12V

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

ในสถานการณ์นี้ แรงดันที่ขาอินเวอร์ติงเปลี่ยนขั้ว ดังนั้น V+ = -6V

จากนั้น คาปาซิเตอร์จะปล่อยประจุจนถึง -6V เมื่อแรงดันของคาปาซิเตอร์น้อยกว่า -6V อีกครั้ง V+ จะมากกว่า V-

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

ดังนั้น แรงดันเอาต์พุตจะเปลี่ยนจาก -12V เป็น +12V และคาปาซิเตอร์จะเริ่มชาร์จอีกครั้ง

ดังนั้น วงจรชาร์จและปล่อยประจุของคาปาซิเตอร์จะสร้างสัญญาณสี่เหลี่ยมที่ปลายเอาต์พุตอย่างเป็นระยะ ๆ และซ้ำ ๆ ตามที่แสดงในรูปด้านล่าง

op amp relaxation oscillator waveform — คลื่นสัญญาณของโอเพอร์แอมป์ Relaxation Oscillator

ความถี่ของคลื่นสัญญาณที่ออกมานั้นขึ้นอยู่กับเวลาในการชาร์จและดีชาร์จของตัวเก็บประจุ และเวลาในการชาร์จ-ดีชาร์จของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับค่าคงที่เวลาของวงจร RC

วงจร UJT Relaxation Oscillator

ทรานซิสเตอร์แบบยูเนียร์ (UJT) ถูกใช้เป็นอุปกรณ์สวิตช์ในวงจร UJT Relaxation Oscillator แผนภาพวงจรของ UJT Relaxation Oscillator แสดงไว้ด้านล่าง

เทอร์มินัลเอมิเตอร์ของ UJT ถูกเชื่อมต่อกับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ

เราสมมติว่าเริ่มต้นตัวเก็บประจุมีการปล่อยประจุแล้ว ดังนั้นแรงดันของตัวเก็บประจุจึงเป็นศูนย์

$V_C = 0$

ในสถานะนี้ UJT ยังคงอยู่ในสภาพ OFF และตัวเก็บประจุจะเริ่มชาร์จผ่านตัวต้านทาน R โดยใช้สมการดังต่อไปนี้

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

คอนเดนเซอร์จะชาร์จต่อไปจนกว่าจะถึงแรงดันสูงสุดที่จ่ายให้ VBB.

เมื่อแรงดันระหว่างคอนเดนเซอร์มากกว่าแรงดันที่จ่ายให้ มันจะเปิด UJT ทำให้คอนเดนเซอร์หยุดชาร์จและเริ่มปล่อยประจุผ่านตัวต้านทาน R1.

คอนเดนเซอร์จะปล่อยประจุต่อไปจนกว่าแรงดันของคอนเดนเซอร์จะถึงแรงดันขั้วต่ำ (VV) ของ UJT หลังจากนั้น UJT จะปิดและเริ่มการชาร์จคอนเดนเซอร์ใหม่.

ดังนั้น กระบวนการชาร์จและปล่อยประจุของคอนเดนเซอร์จะสร้างคลื่นรูปฟันเลื่อยข้ามคอนเดนเซอร์ และแรงดันจะปรากฏขึ้นที่ตัวต้านทาน R2 ในขณะที่ปล่อยประจุ และเป็นศูนย์ในขณะที่ชาร์จคอนเดนเซอร์.

คลื่นรูปของแรงดันข้ามคอนเดนเซอร์และตัวต้านทาน R2 แสดงในภาพด้านล่าง.

ujt relaxation oscillator waveform — คลื่นรูปของ UJT Relaxation Oscillator

ความถี่ของ Relaxation Oscillator

ความถี่ของโอสซิลเลเตอร์การผ่อนคลายขึ้นอยู่กับเวลาในการชาร์จและปล่อยประจุของตัวเก็บประจุ ในวงจร RC เวลาในการชาร์จและปล่อยประจุจะกำหนดโดยค่าคงที่เวลา

ความถี่ของโอสซิลเลเตอร์การผ่อนคลายของแอมป์โอพี

ในโอสซิลเลเตอร์การผ่อนคลายของแอมป์โอพี R1 และ C1 มีบทบาทในการกำหนดความถี่ของการสั่น ดังนั้น สำหรับความถี่ที่ต่ำ เราจำเป็นต้องใช้เวลานานขึ้นในการชาร์จและปล่อยประจุตัวเก็บประจุ และเพื่อให้มีเวลานานขึ้นในการชาร์จและปล่อยประจุ เราต้องตั้งค่า R1 และ C1 ให้มากขึ้น

เช่นเดียวกัน ค่า R1 และ C1 ที่มีค่าน้อยลง จะทำให้ความถี่ของการสั่นสูงขึ้น

แต่ในกรณีของการคำนวณความถี่ ตัวต้านทาน R2 และ R3 ก็มีบทบาทสำคัญ เพราะตัวต้านทานเหล่านี้จะกำหนดแรงดัน阚一格，继续电压阈值决定了电容器充电到的电压水平。如果阈值电压较低，充电时间会更快；反之，如果阈值电压较高，充电时间会更慢。因此，振荡频率取决于 R1、R2、R3 和 C1 的值。运算放大器弛张振荡器的频率公式为：（这里原文没有具体的公式内容，所以保持空白）请根据上述翻译规则，将这段话翻译成泰语。以下是翻译结果：

แต่ในกรณีของการคำนวณความถี่ ตัวต้านทาน R2 และ R3 ก็มีบทบาทสำคัญ เพราะตัวต้านทานเหล่านี้จะกำหนดแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำของตัวเก็บประจุ และตัวเก็บประจุจะชาร์จขึ้นไปจนถึงระดับแรงดันนี้

หากแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำต่ำกว่า การชาร์จจะเร็วขึ้น ในทำนองเดียวกัน หากแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำสูงกว่า การชาร์จจะช้าลง

ดังนั้น ความถี่ของการสั่นขึ้นอยู่กับค่าของ R1, R2, R3, และ C1 สูตรความถี่ของโอสซิลเลเตอร์การผ่อนคลายของแอมป์โอพีคือ;

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

ที่,

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

ในสภาวะส่วนใหญ่ R2 และ R3 มีค่าเท่ากันเพื่อทำให้การออกแบบและการคำนวณง่ายขึ้น

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

โดยการใส่ค่าของ R1 และ C1 เราสามารถหาความถี่ของการสั่นของออปแอมป์รีแลกซ์ชันออสซิลเลเตอร์ได้

ความถี่ของ UJT Relaxation Oscillator

ใน UJT Relaxation Oscillator ความถี่ยังขึ้นอยู่กับวงจร RC เช่นเดียวกับที่แสดงในแผนภาพวงจรของ UJT Relaxation Oscillator ตัวต้านทาน R1 และ R2 เป็นตัวต้านทานจำกัดกระแส และความถี่ของการสั่นขึ้นอยู่กับตัวต้านทาน R และตัวเก็บประจุ C

สูตรความถี่สำหรับ UJT Relaxation Oscillator คือ

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

โดยที่

n = อัตราส่วนพื้นฐานที่ไม่เปลี่ยนแปลง และค่าของ n อยู่ระหว่าง 0.51 ถึง 0.82

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

เพื่อให้ UJT เปิดทำงาน ต้องใช้แรงดันต่ำสุดดังนี้

$V = n V_{BB} + V_D$

โดยที่

VBB = แรงดันจ่าย

VD = การตกของไดโอดภายในระหว่างขั้วเอ็มมิตเตอร์กับเบส-2

ค่าความต้านทานของตัวต้านทาน R จะจำกัดอยู่ในช่วงต่อไปนี้

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

โดยที่

VP, IP = แรงดันไฟฟ้าสูงสุดและกระแสไฟฟ้าสูงสุด

VV, IV = แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดและกระแสไฟฟ้าต่ำสุด

สมการเชิงอนุพันธ์ของเรลักษ์เซชั่นออสซิลเลเตอร์

ในแผนผังวงจรของเรลักษ์เซชั่นออสซิลเลเตอร์ ตัวต้านทาน R2 และ R3 มีค่าเท่ากัน ดังนั้น ตามกฎของการแบ่งแรงดันไฟฟ้า

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

V– ได้มาจากกฎของโอห์มและสมการอนุพันธ์ของตัวเก็บประจุ;

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

มีสองวิธีในการแก้สมการอนุพันธ์นี้ คือ วิธีเฉพาะและวิธีเอกพันธุ์

สำหรับวิธีเฉพาะ V- เป็นค่าคงที่ ให้ V– = A ดังนั้น การหาอนุพันธ์ของค่าคงที่จะเท่ากับศูนย์

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

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

$V_{out} = A$

สำหรับการหาผลเฉลยที่เป็นเอกพันธุ์ ให้ใช้ การแปลงลาปลาซ ของสมการด้านล่างนี้

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

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

V– เป็นผลรวมของผลเฉลยเฉพาะและผลเฉลยที่เป็นเอกพันธุ์

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

เพื่อค้นหาค่าของ B เราต้องการประเมินสภาพเริ่มต้น

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

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

$B = -V_{dd}$

ดังนั้น ผลลัพธ์สุดท้ายของ V- คือ

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

ตัวเปรียบเทียบกับโอเพอร์แอมป์

ตัวเปรียบเทียบยังใช้แทนโอเพอร์แอมป์ได้เช่นกัน คล้ายกับโอเพอร์แอมป์ ตัวชดเชยถูกออกแบบมาให้ขับเคลื่อนจากเรลไปเรล

ตัวเปรียบเทียบมีเวลาขึ้นและลงเร็วกว่าโอเพอร์แอมป์ ดังนั้น ตัวเปรียบเทียบจึงเหมาะสมกว่าสำหรับวงจรออสซิเลเตอร์

ในกรณีของโอเพอร์แอมป์ มันมีเอาต์พุตแบบปุ่มกด ดังนั้น ถ้าคุณใช้โอเพอร์แอมป์ ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานดึงขึ้น แต่ถ้าคุณใช้ตัวเปรียบเทียบ ต้องใช้ตัวต้านทานดึงขึ้น