ریلکشن آسیلاتر: یہ کیا ہے؟ (اور یہ کیسے کام کرتا ہے)

فیلڈ: بنیادی برق

China

ریلکسیشن آسیلاتر کیا ہے؟

ریلکسیشن آسیلاتر کو غیر خطی الیکٹرانک آسیلاتر سرکٹ کے طور پر تعریف کیا جاتا ہے جو غیر سینوزوئڈ مکرر آؤٹ پٹ سگنل بنانے کے قابل ہوتا ہے۔ ریلکسیشن آسیلاتر کو ورلڈ وار 1 کے دوران ہنری ابراہام اور یوجین بلچ نے ویکیوم ٹیوب کا استعمال کرتے ہوئے دریافت کیا تھا۔

آسیلاترز کو دو مختلف فہرستوں میں تقسیم کیا جاتا ہے؛ لائنر آسیلاترز (سینوزوئڈ موجوں کے لیے) اور ریلکسیشن آسیلاترز (غیر سینوزوئڈ موجوں کے لیے)۔

اس کا آؤٹ پٹ مثلثی، مربعی اور مستطیل موجوں جیسی غیر سینوزوئڈ موجوں کے لیے مکرر اور دورانیہ سگنل فراہم کرنا چاہئے۔

ریلکسیشن آسیلاتر کے ڈیزائن میں ٹرانزسٹر، اوپ-ایمپ یا موافیٹ جیسے غیر خطی عناصر اور کیپیسٹر اور انڈکٹر جیسے توانائی کے ذخیرہ کرنے والے دستیاب ہونے چاہئے۔

ایک چکر پیدا کرنے کے لیے، کیپیسٹر اور انڈکٹر مسلسل چارج اور ڈیچارج ہوتے ہیں۔ اور چکر کی فریکوئنسی یا آسیلاتر کی مدت کا وقت کے ثابت کی پر منحصر ہوتی ہے۔

ریلکسیشن آسیلاتر کیسے کام کرتا ہے؟

ریلکسیشن آسیلاتر میں کیپیسٹر اور انڈکٹر جیسے توانائی کے ذخیرہ کرنے والے دستیاب ہوتے ہیں۔ ان دستاویزات کو ایک سرچ کے ذریعے چارج کیا جاتا ہے اور لوڈ کے ذریعے ڈیچارج کیا جاتا ہے۔

ریلکسیشن آسیلاتر کے آؤٹ پٹ موج کی شکل سرکٹ کے وقت کے ثابت کی پر منحصر ہوتی ہے۔

ریلکسیشن آسیلاتروں کے کام کو ایک مثال کے ذریعے سمجھتے ہیں۔

rc relaxation oscillator — آر سی ریلکسیشن آسیلاتر

یہاں، ایک کونڈینسر بٹی اور بیٹری کے درمیان جڑا ہوتا ہے۔ اس سرکٹ کو فلیشر سرکٹ یا آر سی ریلیکشن آسیلیٹر بھی کہا جاتا ہے۔

بیٹری کونڈینسر کو ریزسٹر کے ذریعے توانائی دیتی ہے۔ کونڈینسر کو توانائی ملتے وقت، بٹی بند رہتی ہے۔

جب کونڈینسر اپنی تھریشہ قدر تک پہنچتا ہے تو وہ بٹی کے ذریعے خالی ہوتا ہے۔ اس طرح، کونڈینسر کو خالی کرتے وقت، بٹی روشن ہوتی ہے۔

جب کونڈینسر خالی ہو جاتا ہے تو یہ دوبارہ سورس سے توانائی حاصل کرنے لگتا ہے۔ اور بٹی بند رہتی ہے۔

تو، کونڈینسر کو توانائی دینے اور خالی کرنے کا عمل مستقل اور دورانیہ ہوتا ہے۔

کونڈینسر کو توانائی دینے کا وقت وقتی دائم سے تعین کیا جاتا ہے۔ اور وقتی دائم آر سی سرکٹ کے ریزسٹر اور کونڈینسر کی قدر پر منحصر ہوتا ہے۔

اس لیے، بٹی کی فلاشنگ شرح ریزسٹر اور کونڈینسر کی قدر سے چنائی جاتی ہے۔

بٹی کے ساتھ موجود موجی شکل نیچے دی گئی تصویر میں دکھائی گئی ہیں۔

rc relaxation oscillator waveform — آر سی ریلیکشن آسیلیٹر کی موجی شکل

اوٹ پٹ موجی شکل کو کنٹرول کرنے کے لیے سرکٹ میں غیر خطی عناصر استعمال کیے جاتے ہیں۔

آر سی ریلیکشن آسیلیٹر سرکٹ ڈائریگرام

آر سی ریلیکشن آسیلیٹر سرکٹ ڈائریگرام میں مختلف طرح کی اوٹ پٹ موجی شکل بنانے کے لیے غیر خطی ڈیوائس شامل ہوتا ہے۔ غیر خطی ڈیوائس کے استعمال کے مطابق، آر سی ریلیکشن آسیلیٹر کو تین قسم کے سرکٹ ڈائریگرام میں تقسیم کیا جاتا ہے۔

آپ-ایمپ ریلیکشن آسیلاتر

آپ-ایمپ ریلیکشن آسیلاتر کو ایستبل ملٹی وائبریٹر بھی کہا جاتا ہے۔ یہ مربع شکل کی لہروں کو تولید کرنے کے لئے استعمال ہوتا ہے۔ آپ-ایمپ ریلیکشن آسیلاتر کا سرکٹ ڈیاگرام نیچے دکھایا گیا ہے۔

op amp relaxation oscillator — آپ-ایمپ ریلیکشن آسیلاتر

اس سرکٹ میں کیپیسٹر، ریزسٹرز اور آپ-ایمپ شامل ہیں۔

آپ-ایمپ کا غیر انورٹنگ ٹرمینل آر سی سرکٹ سے جڑا ہوتا ہے۔ لہذا، کیپیسٹر کی ولٹیج VC آپ-ایمپ کے غیر انورٹنگ ٹرمینل V- کی ولٹیج کے برابر ہوتی ہے۔ اور انورٹنگ ٹرمینل ریزسٹرز سے جڑا ہوتا ہے۔

جب آپ-ایمپ کو مثبت فیڈبیک کے ساتھ استعمال کیا جاتا ہے، جیسا کہ سرکٹ ڈیاگرام میں دکھایا گیا ہے، تو سرکٹ کو شمت ٹریگر کہا جاتا ہے۔

جب V+ V- سے زیادہ ہوتا ہے، تو آؤٹ پٹ ولٹیج +12V ہوتی ہے۔ اور جب V- V+ سے زیادہ ہوتا ہے، تو آؤٹ پٹ ولٹیج -12V ہوتی ہے۔

ابتدائی حالت کے لئے، وقت t=0 پر، یہ خیال کیا جاتا ہے کہ کیپیسٹر کامیاب طور پر ڈیچارج ہو چکا ہے۔ لہذا غیر انورٹنگ ٹرمینل کی ولٹیج V-=0 ہوتی ہے۔ اور انورٹنگ ٹرمینل کی ولٹیج V+ بیٹا Vout کے برابر ہوتی ہے۔

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

حساب کو آسان بنانے کے لیے، ہم R2 اور R3 کو ایک جیسا سمجھتے ہیں۔ تو، β=2 اور βVout=6V ہوتا ہے۔ اس طرح، کیپیسٹر 6V تک چارج ہوگا اور ڈیسچارج ہوگا۔

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

اس حالت میں، V+ V- سے زیادہ ہے۔ تو، آؤٹ پٹ وولٹیج Vout=+12V ہوتا ہے۔ اور کیپیسٹر چارج ہونا شروع ہوجاتا ہے۔

جب کیپیسٹر کی وولٹیج 6V سے زیادہ ہو، V- V+ سے زیادہ ہوتا ہے۔ اس لیے، آؤٹ پٹ وولٹیج -12V ہو جاتا ہے۔

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

اس میں، اِنورٹنگ ٹرمینل کے ولٹیج کا قطب نتیجہ تبدیل ہوتا ہے۔ تو، V+ = -6V ہوتا ہے۔

اب، کیپیسٹر -6V تک خالی ہوتا ہے۔ جب کیپیسٹر کا ولٹیج -6V سے کم ہو جاتا ہے، پھر دوبارہ V+ V- سے زیادہ ہوتا ہے۔

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

اس لیے، دوبارہ آؤٹ پٹ ولٹیج -12V سے +12V تک تبدیل ہوتا ہے۔ اور دوبارہ کیپیسٹر کا شارجنگ شروع ہوجاتا ہے۔

تو، کیپیسٹر کا شارجنگ اور ڈیشارجنگ کا سائکل آؤٹ پٹ ٹرمینل پر ایک معمولی اور دہرانہ سکوئر ویو تیار کرتا ہے، جس کا ذکر نیچے دی گئی تصویر میں کیا گیا ہے۔

op amp relaxation oscillator waveform — آپ-ایمپ ریلاکشن آسیلاتر کا ویو فارم

آؤٹ پٹ ویو فارم کی تعدد کاپسیٹر کے چارجنگ اور ڈی سارجنگ کے وقت پر منحصر ہوتا ہے۔ اور کاپسیٹر کا چارجنگ-ڈی سارجنگ کا وقت آر سی سرکٹ کے وقت کے دائم پر منحصر ہوتا ہے۔

UJT ریلیکشن آسسیلیٹر

UJT (یونی جنکشن ٹرانزسٹر) کو ریلیکشن آسسیلیٹر میں سوئچنگ ڈیوائس کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ UJT ریلیکشن آسسیلیٹر کا سرکٹ ڈائرگرام نیچے دیئے گئے شکل میں دکھایا گیا ہے۔

ujt relaxation oscillator — UJT ریلیکشن آسسیلیٹر

UJT کا ایمیٹر ٹرمینل ایک ریزسٹر اور ایک کاپسیٹر سے جڑا ہوتا ہے۔

ہم اصل میں کاپسیٹر کو ڈی سارج کرنے کا افتراض کرتے ہیں۔ تو، کاپسیٹر کی ولٹیج صفر ہوتی ہے۔

$V_C = 0$

اس حالت میں، UJT بند رہتا ہے۔ اور کاپسیٹر ریزسٹر R کے ذریعے چارجنگ شروع کرتا ہے۔

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

کنڈینسٹر کو مکمل شارج ہوتا رہتا ہے جب تک کہ یہ اپنے سپلائی کے ماکسیمم ولٹیج VBB تک پہنچ نہ جائے۔

جب کنڈینسٹر پر موجود ولٹیج سپلائی کے ولٹیج سے زیادہ ہو تو یونیورسل جنکشن ٹرانزسٹر (UJT) کو آن کرنے کی اجازت دی جاتی ہے۔ پھر کنڈینسٹر شارج بند کر دیتا ہے اور ریزسٹر R1 کے ذریعے ڈسچارج شروع کرتا ہے۔

کنڈینسٹر کو ڈسچارج ہوتا رہتا ہے جب تک کہ کنڈینسٹر کا ولٹیج UJT کے ویلی ولٹیج (VV) تک پہنچ نہ جائے۔ اس کے بعد، UJT بند ہو جاتا ہے اور کنڈینسٹر کو دوبارہ شارج کرنے کا عمل شروع ہو جاتا ہے۔

اس طرح، کنڈینسٹر کو شارج اور ڈسچارج کرنے کا عمل کنڈینسٹر پر سوئی ٹوٹھ شکل کا ولٹیج ویو فارم پیدا کرتا ہے۔ اور ریزسٹر R2 پر ولٹیج ڈسچارج کے دوران ظاہر ہوتا ہے اور شارج کے دوران صفر رہتا ہے۔

کنڈینسٹر اور ریزسٹر R2 پر ولٹیج ویو فارم نیچے دی گئی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔

ujt relaxation oscillator waveform — UJT Relaxation Oscillator Waveform

Relaxation Oscillator Frequency

ریلکس اوسیلیٹر کی فریکوئنڈی کاپیسٹر کے چارجنگ اور ڈیسچارجنگ کے وقت پر منحصر ہوتی ہے۔ آر سی سرکٹ میں، چارجنگ اور ڈیسچارجنگ کا وقت وقتی دائم کے ذریعے تعین ہوتا ہے۔

آپ-ایمپ ریلکس اوسیلیٹر کی فریکوئنڈی

آپ-ایمپ ریلکس اوسیلیٹر میں، آر₁ اور سی₁ نوسان کی فریکوئنڈی میں حصہ دار ہوتے ہیں۔ اس لیے، کم فریکوئنڈی کے لیے، ہمیں کاپیسٹر کو چارجنگ اور ڈیسچارجنگ کے لیے زیادہ وقت کی ضرورت ہوتی ہے۔ اور چارجنگ اور ڈیسچارجنگ کے لیے طویل وقت کے لیے، ہمیں بڑی قدر کی آر₁ اور سی₁ کی ضرورت ہوتی ہے۔

اسی طرح، آر₁ اور سی₁ کی چھوٹی قدر کی وجہ سے نوسان کی فریکوئنڈی زیادہ ہوتی ہے۔

لیکن، فریکوئنڈی کی حساب سازی میں، ریزسٹر آر₂ اور آر₃ کا بھی اہم کردار ہوتا ہے۔ کیونکہ یہ ریزسٹرز کاپیسٹر کے تھریشہولڈ وولٹیج کو فیصلہ کرتے ہیں، اور کاپیسٹر یہ وولٹیج لیول تک چارج ہوتا ہے۔

اگر تھریشہولڈ وولٹیج کم ہو تو چارجنگ کا وقت تیز ہوتا ہے۔ اسی طرح، تھریشہولڈ وولٹیج زیادہ ہو تو چارجنگ کا وقت آہستہ ہوتا ہے۔

اس لیے، نوسان کی فریکوئنڈی آر₁، آر₂، آر₃ اور سی₁ کی قدر پر منحصر ہوتی ہے۔ اور آپ-ایمپ ریلکس اوسیلیٹر کی فریکوئنڈی کا فارمولہ یہ ہے؛

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

جہاں،

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

زیادہ تر ماحولوں میں، R2 اور R3 کو سیدھا اور آسان طریقے سے ڈیزائن اور حساب کتاب کرنے کے لئے وہی رکھا جاتا ہے۔

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

آر اور سی کے قدروں کو دیکھتے ہوئے، ہم اوپ-ایمپ ریلیکشن آسیلیٹر کی آسیلیشن فریکوئنسی معلوم کر سکتے ہیں۔

UJT ریلیکشن آسیلیٹر کی فریکوئنسی

UJT ریلیکشن آسیلیٹر میں بھی فریکوئنسی آر سی سرکٹ پر منحصر ہوتی ہے۔ UJT ریلیکشن آسیلیٹر کے سرکٹ ڈائرگرام کے مطابق، ریزسٹرز آر₁ اور آر₂ کرنٹ لیمیٹنگ ریزسٹرز ہیں۔ اور آسیلیشن کی فریکوئنسی ریزسٹر آر اور کیپیسٹر سی پر منحصر ہوتی ہے۔

UJT ریلیکشن آسیلیٹر کی فریکوئنسی کا فارمولہ ہے؛

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

جہاں؛

n = ذاتی stand-off تناسب۔ اور n کی قدر 0.51 سے 0.82 کے درمیان ہوتی ہے۔

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

UJT کو آن کرنے کے لیے درکار کم سے کم ولٹیج ہے؛

$V = n V_{BB} + V_D$

جہاں،

VBB = سپلائی ولٹیج

VD = ایمیٹر اور بیس-2 ٹرمینل کے درمیان داخلی ڈائود کا گریڈینٹ

R ریزسٹر کی قدر درج ذیل محدود کے درمیان ہوتی ہے۔

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

جہاں،

VP, IP = زیادہ سے زیادہ ولٹیج اور کرنٹ

VV, IV = کم سے کم ولٹیج اور کرنٹ

آرام دہ آسیلیٹر تفریقی مساوات

آرام دہ آسیلیٹر کے سرکٹ ڈائیگرام میں، ریزسٹرز R2 اور R3 کی قدر برابر ہوتی ہے۔ لہذا، ولٹیج ڈویژن کے قاعدے کے مطابق؛

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

V– کے لیے اوہم کا قانون اور کنڈینسر کے تفریقی مساوات سے حاصل کیا جاتا ہے؛

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

اس تفریقی مساوات کے دو حل ہیں؛ خاص حل اور متجانس حل۔

خاص حل کے لیے، V- میں دائمی قدر ہوتی ہے۔ فرض کریں V– = A۔ اس لیے، دائم کا تفریق صفر ہوتا ہے،

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

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

$V_{out} = A$

متجانس حل کے لیے، نیچے دی گئی مساوات کا لاپلاس تبدیل استعمال کریں؛

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

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

V– خصوصی اور متجانس حل کا کل ہے۔

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

B کی قدر معلوم کرنے کے لئے، ہمیں ابتدائی حالت کا جائزہ لینا ہوگا۔

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

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

$B = -V_{dd}$

لہذا، V- کا آخری حل ہے؛

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

کمپاریٹر اور آپ-ایمپس

آپ-ایمپس کے بجائے کمپاریٹر کا بھی استعمال کیا جاتا ہے۔ آپ-ایمپس کے مطابق، کمپینسیٹرز کو ریل-ٹو-ریل ڈرائیو کرنے کے لئے ڈیزائن کیا گیا ہے۔

کمپاریٹر کا رائزنگ ٹائم اور فالنگ ٹائم آپ-ایمپس کے مقابلے میں تیز ہوتا ہے۔ لہذا، کمپاریٹر آسیلیٹر سرکٹ کے لئے آپ-ایمپس کے مقابلے میں زیادہ مناسب ہوتا ہے۔

آپ-ایمپس کے صورت میں، پش-پل آؤٹپٹ ہوتا ہے۔ لہذا، آپ-ایمپس کا استعمال کرتے وقت پل-آپ ریزسٹر کا استعمال ضروری نہیں ہوتا۔ لیکن اگر آپ کمپاریٹر کا استعمال کر رہے ہیں تو، پل-آپ ریزسٹر کا استعمال ضروری ہوتا ہے۔