Oscilador ng Pagpapahinga: Ano ito? (At Paano ito Gumagana)

Larangan: Pangunahing Elektrikal

China

Ano ang Relaxation Oscillator?

Ang relaxation oscillator ay isang hindi linear na electronic oscillator circuit na maaaring lumikha ng repetitive at non-sinusoidal output signal. Ang relaxation oscillator ay nilikha ni Henri Abraham at Eugene Bloch gamit ang vacuum tube noong World War 1.

Ang mga oscillator ay nakaklase sa dalawang kategorya: linear oscillators (para sa sinusoidal waveforms) at relaxation oscillators (para sa non-sinusoidal waveforms).

Dapat ito magbigay ng repetitive at periodic signal para sa non-sinusoidal waveforms tulad ng triangular, square, at rectangular waves sa output nito.

Ang disenyo ng relaxation oscillator ay dapat kumatawan sa mga non-linear elements tulad ng transistor, Op-Amp, o MOSFET at energy storing devices tulad ng capacitor at inductor.

Upang lumikha ng cycle, ang capacitor at inductor ay nagcha-charge at nagdi-discharge nang patuloy. At ang frequency ng cycle o period of oscillation ay depende sa time constant.

Paano Gumagana ang Relaxation Oscillator?

Ang relaxation oscillator ay may energy storing devices tulad ng capacitor at inductor. Ang mga device na ito ay nagcha-charge mula sa source at nagdi-discharge pabalik sa load.

Ang hugis ng output waveform ng relaxation oscillator ay depende sa time constant ng circuit.

Unawain natin kung paano gumagana ang relaxation oscillators sa pamamagitan ng isang halimbawa.

rc relaxation oscillator — RC Relaxation Oscillator

Dito, isang capacitor ang nakakonekta sa pagitan ng isang bulate at isang battery. Ang circuit na ito ay kilala rin bilang flasher circuit o RC relaxation oscillator.

Ang battery ay naglalagay ng charge sa capacitor sa pamamagitan ng resistor. Sa panahon ng charging ng capacitor, naka-OFF ang bulate.

Kapag umabot ang capacitor sa kanyang threshold value, ito ay nag-discharge sa pamamagitan ng bulate. Kaya, sa panahon ng discharging ng capacitor, ang bulate ay lumiliwanag.

Kapag na-discharge na ang capacitor, ito ay magsisimulang mag-charge mula sa source muli. At ang bulate ay naka-OFF.

Kaya, ang proseso ng charging at discharging ng capacitor ay patuloy at periodic.

Ang oras ng charging ng capacitor ay deteminado ng time constant. At ang time constant ay depende sa halaga ng resistor at capacitor para sa RC circuit.

Kaya, ang rate ng pag-flash ng bulate ay deteminado ng halaga ng resistor at capacitor.

Ang waveforms sa ibabaw ng bulate ay tulad ng ipinapakita sa larawan sa ibaba.

rc relaxation oscillator waveform — RC Relaxation Oscillator Waveform

Para kontrolin ang output waveform, ginagamit ang mga non-linear elements sa circuit.

Relaxation Oscillator Circuit Diagram

Ang diagrama ng relaxation oscillator circuit ay mayroong non-linear device upang bumuo ng iba't ibang uri ng output waveform. Ayon sa paggamit ng non-linear devices, ang relaxation oscillator ay nakaklasipika sa tatlong uri ng circuit diagrams.

Op-Amp Relaxation Oscillator

Ang op-Amp relaxation oscillator ay kilala rin bilang astable multivibrator. Ginagamit ito upang makalikha ng square waves. Ang diagram ng circuit ng Op-Amp relaxation oscillator ay ipinapakita sa larawan sa ibaba.

Ang circuit na ito ay naglalaman ng capacitor, resistors, at isang Op-Amp.

Ang non-inverting terminal ng Op-Amp ay konektado sa isang RC circuit. Kaya ang voltage ng capacitor VC ay pareho sa voltage sa non-inverting terminal V- ng Op-Amp. At ang inverting terminal ay konektado sa mga resistors.

Kapag ginamit ang Op-Amp kasama ang positive feedback, tulad ng ipinapakita sa circuit diagram, ang circuit ay kilala bilang Schmitt trigger.

Kapag ang V+ ay mas mataas kaysa sa V-, ang output voltage ay +12V. At kapag ang V- ay mas mataas kaysa sa V+, ang output voltage ay -12V.

Para sa initial condition, sa oras na t=0, asumahan natin na ang capacitor ay ganap na discharged. Kaya ang voltage sa non-inverting terminal ay V-=0. At ang voltage sa inverting terminals V+ ay katumbas ng βVout.

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

Upang gawing madali ang pagkalkula, inaasahan natin na ang R2 at R3 ay pareho. Kaya, β=2 at βVout=6V. Kaya, ang capacitor ay maglo-load at mag-discharge hanggang sa 6V.

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

Sa kondisyong ito, ang V+ ay mas malaki kaysa V-. Kaya, ang output voltage Vout=+12V. At simula na ang capacitor na maglo-load.

Kapag ang voltage ng capacitor ay mas malaki kaysa 6V, ang V- ay mas malaki kaysa V+. Kaya, ang output voltage ay nagbabago sa -12V.

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

Sa kondisyong ito, ang tensyon sa inverting terminal ay nagbabago ang kanyang polaridad. Kaya, V+=-6V.

Ngayon, ang capacitor ay nagdischarge hanggang -6V. Kapag ang tensyon ng capacitor ay mas mababa kaysa -6V, muli ang V+ ay mas mataas kaysa V-.

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

Kaya, muli ang tensyon ng output ay nagbabago mula -12V hanggang +12V. At muli, ang capacitor ay nagsisimula na mag-charge.

Kaya, ang siklo ng pag-charge at pag-discharge ng capacitor ay lumilikha ng isang periodiko at repetitive na square wave sa output terminal, tulad ng ipinapakita sa larawan sa ibaba.

op amp relaxation oscillator waveform — Op-Amp Relaxation Oscillator Waveform

Ang frequency ng output waveform ay depende sa oras ng pag-charge at pag-discharge ng capacitor. At ang oras ng pag-charge at pag-discharge ng capacitor ay depende sa time constant ng RC circuit.

UJT Relaxation Oscillator

Ang UJT (unijunction transistor) ay ginagamit bilang isang switching device sa relaxation oscillator. Ang circuit diagram ng UJT relaxation oscillator ay ipinapakita sa larawan sa ibaba.

Ang emitter terminal ng UJT ay konektado sa isang resistor at isang capacitor.

Inaasahan natin na unang-una, ang capacitor ay walang charge. Kaya, ang voltage ng capacitor ay zero.

$V_C = 0$

Sa kondisyong ito, ang UJT ay nasa OFF. At ang capacitor ay magsisimulang mag-charge sa pamamagitan ng resistor R batay sa equation sa ibaba.

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

Ang kondensador ay patuloy na kumakarga hanggang sa ito ay umabot sa pinakamataas na ibinigay na boltya VBB.

Kapag ang boltya sa pamamagitan ng kondensador ay mas mataas kaysa sa ibinigay na boltya, ito ay nagpapahintulot sa UJT na buksan. Pagkatapos, ang kondensador ay tumitigil sa pagkarga at nagsisimula na mag-discharge sa pamamagitan ng resistor R1.

Ang kondensador ay patuloy na nagdischarge hanggang sa ang boltya ng kondensador ay umabot sa valley voltage (VV) ng UJT. Pagkatapos nito, ang UJT ay isinasara at nagsisimula ang kondensador na kumarga.

Kaya, ang proseso ng pagkarga at pag-discharge ng kondensador ay nagbibigay ng saw-tooth waveform sa pamamagitan ng kondensador. At ang boltya ay lumilitaw sa pamamagitan ng resistor R2 sa panahon ng pag-discharge ng kondensador at nananatiling zero sa panahon ng pagkarga ng kondensador.

Ang waveform ng boltya sa pamamagitan ng kondensador at resistor R2 ay ipinapakita sa larawan sa ibaba.

ujt relaxation oscillator waveform — UJT Relaxation Oscillator Waveform

Larangan ng Pulsuhan ng Relaxation Oscillator

Ang frequency ng Relaxation Oscillator ay depende sa oras ng pag-charge at pag-discharge ng capacitor. Sa RC circuit, ang oras ng pag-charge at pag-discharge ay nagpapasya sa time constant.

Frequency ng Op-Amp Relaxation Oscillator

Sa Op-Amp relaxation oscillator, ang R1 at C1 ay nakakatulong sa frequency ng oscillation. Kaya, para sa mas mababang frequency ng oscillation, kailangan natin ng mas mahabang oras para sa pag-charge at pag-discharge ng capacitor. At para sa mahabang oras ng pag-charge at pag-discharge, kailangan nating itakda ang mas malaking R1 at C1.

Salamat, ang mas maliit na halaga ng R1 at C1 ay nagdudulot ng mas mataas na frequency ng oscillation.

Ngunit, sa pagkalkula ng frequency, ang resistor R2 at R3 ay may mahalagang papel. Dahil ang mga resistor na ito ay magpapasya sa threshold voltage ng capacitor, at ang capacitor ay mag-charge hanggang sa antas ng voltage na ito.

Kung ang threshold voltage ay mas mababa, mas mabilis ang oras ng pag-charge. Pareho, kung ang threshold voltage ay mas mataas, mas mabagal ang oras ng pag-charge.

Kaya, ang frequency ng oscillation ay depende sa halaga ng R1, R2, R3, at C1. At ang formula ng frequency ng Op-Amp relaxation oscillator ay;

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

Kung saan,

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

Sa maraming kondisyon, ang R2 at R3 ay pareho upang madaling disenyo at pagkalkula.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Sa pamamagitan ng paglalagay ng mga halaga ng R1 at C1, maaari nating makalkula ang frequency ng Op-Amp relaxation oscillator.

Frequency ng UJT Relaxation Oscillator

Sa UJT relaxation oscillator, ang frequency ay depende rin sa RC circuit. Tulad ng ipinapakita sa circuit diagram ng UJT relaxation oscillator, ang resistors R1 at R2 ay current limiting resistors. At ang frequency ng oscillation ay depende sa resistor R at capacitor C.

Ang formula para sa frequency ng UJT relaxation oscillator ay;

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

Kung saan;

n = Intrinsic stand-off ratio. At ang halaga ng n ay nasa pagitan ng 0.51 hanggang 0.82.

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

Ang minimong tensyon na kinakailangan para buksan ang UJT ay;

$V = n V_{BB} + V_D$

Kung saan,

VBB = tensyon ng suplay

VD = pagbaba ng diode sa pagitan ng emitter at base-2 terminal

Ang halaga ng resistor R ay limitado sa sumusunod na saklaw.

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

Kung saan,

VP, IP = peak voltage at current

VV, IV = valley voltage at current

Differential Equation ng Relaxation Oscillator

Sa circuit diagram ng relaxation oscillator, ang resistors R2 at R3 ay may parehong halaga. Kaya, ayon sa voltage divider rule;

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

V– ay nakuha sa pamamagitan ng batas ni Ohm at kapasidad na ekwasyon ng diperensyal;

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

Mayroong dalawang solusyon sa ekwasyong diperensyal na ito; partikular na solusyon at homoheno na solusyon.

Para sa partikular na solusyon, V- ay isang konstante. Ipaglaban na V– = A. Kaya, ang pagkakaiba-iba ng konstante ay sero,

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

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

$V_{out} = A$

Para sa solusyon na homoheno, gamitin ang Laplace transform ng sumusunod na ekwasyon;

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

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

Ang V– ay ang kabuuang solusyon ng partikular at homoheno.

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

Upang makuha ang halaga ng B, kinakailangan nating i-valuate ang unang kondisyon.

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

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

$B = -V_{dd}$

Kaya, ang huling solusyon para sa V- ay;

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

Comparator vs Op-Amps

Ang comparator ay ginagamit din sa halip ng Op-Amp. Tulad ng Op-Amp, ang mga kompensador ay disenyo upang mabigyan ng rail-to-rail.

Ang comparator ay may mas mabilis na rise time at fall time kumpara sa Op-Amp. Kaya, ang comparator ay mas angkop kaysa sa Op-Amp para sa oscillator circuit.

Sa kasong ito ng Op-Amp, ito ay may push-pull outputs. Kaya, kung ikaw ay gumagamit ng Op-Amp, hindi kinakailangan ang pull-up resistor. Ngunit kung ikaw ay gumagamit ng comparator, kailangan mo ng pull-up resistor.

Paggamit ng Relaxation Oscillators

Ang relaxation oscillators ay ginagamit upang bumuo ng internal clock signal para sa anumang digital circuit. Ginagamit din ito sa mga aplikasyon na nasa ibaba.

Oscilador na may kontroladong voltaje
Sirkuito ng memoriya
Generator ng signal (para bumuo ng clock signals)
Stroboscopes
Pagsusunog ng thyristor-based na sirkuito
Multi-vibrators
Tagapagtanggap ng telebisyon
Mga counter

Pahayag: Respetuhin ang orihinal, mabubuting mga artikulo ay karapat-dapat na ibahagi, kung mayroong labag sa karapatang-ari mangyaring makipag-ugnayan upang i-delete.

Magbigay ng tip at hikayatin ang may-akda!

Mga Paksa:

Sistema ng Paggamit ng Kapangyarihan

Pagsukat ng Elektrisidad

Tungkol sa mga eksperto

Electrical4u

China

Larangan ng Eksperto

Basic Electrical

Artikulong Propesyonal

607