Oscillator thư giãn: Điều gì là nó? (Và Cách hoạt động của nó)

Trường dữ liệu: Điện Cơ Bản

China

Oscillator Thư Giãn Là Gì?

Oscillator thư giãn được định nghĩa là mạch dao động điện tử phi tuyến có thể tạo ra tín hiệu đầu ra lặp đi lặp lại không phải dạng sin. Oscillator thư giãn được phát minh bởi Henri Abraham và Eugene Bloch sử dụng ống chân không trong Thế Chiến I.

Các oscillator được phân loại thành hai loại khác nhau: oscillator tuyến tính (cho dạng sóng sin) và oscillator thư giãn (cho dạng sóng không phải sin).

Nó phải cung cấp một tín hiệu lặp đi lặp lại và chu kỳ cho các dạng sóng không phải sin như tam giác, vuông và hình chữ nhật ở đầu ra của nó.

Thiết kế của oscillator thư giãn phải bao gồm các yếu tố phi tuyến như transistor, Op-Amp, hoặc MOSFET và các thiết bị lưu trữ năng lượng như tụ điện và cuộn cảm.

Để tạo ra một chu kỳ, tụ điện và cuộn cảm liên tục nạp và xả. Và tần số của chu kỳ hoặc thời gian dao động phụ thuộc vào hằng số thời gian.

Cách Làm Việc Của Oscillator Thư Giãn?

Oscillator thư giãn chứa các thiết bị lưu trữ năng lượng như tụ điện và cuộn cảm. Các thiết bị này được nạp bởi nguồn và xả qua tải.

Hình dạng của tín hiệu đầu ra của oscillator thư giãn phụ thuộc vào hằng số thời gian của mạch.

Hãy hiểu cách hoạt động của oscillator thư giãn thông qua một ví dụ.

oscillator thư giãn RC — Oscillator Thư Giãn RC

Ở đây, một tụ điện được kết nối giữa một bóng đèn và một pin. Mạch này cũng được gọi là mạch nháy hoặc dao động thư giãn RC.

Pin sạc tụ điện thông qua điện trở. Trong quá trình sạc tụ điện, bóng đèn ở trạng thái TẮT.

Khi tụ điện đạt đến giá trị ngưỡng, nó xả điện thông qua bóng đèn. Do đó, trong quá trình xả điện của tụ điện, bóng đèn sáng lên.

Khi tụ điện đã xả hết, nó bắt đầu sạc lại bởi nguồn. Và bóng đèn vẫn ở trạng thái TẮT.

Vì vậy, quá trình sạc và xả tụ điện là liên tục và chu kỳ.

Thời gian sạc của tụ điện được xác định bởi hằng số thời gian. Và hằng số thời gian phụ thuộc vào giá trị của điện trở và tụ điện cho mạch RC.

Do đó, tốc độ nháy của bóng đèn được quyết định bởi giá trị của điện trở và tụ điện.

Đường sóng trên bóng đèn được thể hiện như hình dưới đây.

đường sóng dao động thư giãn RC — Đường sóng Dao động thư giãn RC

Để điều khiển đường sóng đầu ra, các phần tử phi tuyến được sử dụng trong mạch.

Bản đồ mạch Dao động thư giãn

Bản đồ mạch dao động thư giãn chứa thiết bị phi tuyến để tạo ra các loại đường sóng đầu ra khác nhau. Theo việc sử dụng các thiết bị phi tuyến, dao động thư giãn được phân loại thành ba loại bản đồ mạch.

Mạch dao động thư giãn Op-Amp

Mạch dao động thư giãn Op-Amp còn được gọi là mạch đa dao động không ổn định. Nó được sử dụng để tạo ra sóng vuông. Sơ đồ mạch của Mạch dao động thư giãn Op-Amp được hiển thị trong hình dưới đây.

op amp relaxation oscillator — Mạch dao động thư giãn Op-Amp

Mạch này chứa tụ điện, điện trở và Op-Amp.

Cực không nghịch pha của Op-Amp được kết nối với mạch RC. Do đó, điện áp tụ điện VC giống như điện áp tại cực không nghịch pha V- của Op-Amp. Và cực nghịch pha được kết nối với các điện trở.

Khi Op-Amp được sử dụng với phản hồi dương, như được hiển thị trong sơ đồ mạch, mạch được gọi là mạch kích Schmitt.

Khi V+ lớn hơn V-, điện áp đầu ra là +12V. Và khi V- lớn hơn V+, điện áp đầu ra là -12V.

Đối với điều kiện ban đầu, tại thời điểm t=0, giả sử rằng tụ điện đã xả hoàn toàn. Do đó, điện áp tại cực không nghịch pha là V-=0. Và điện áp tại cực nghịch pha V+ bằng βVout.

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

Để tính toán dễ dàng, chúng ta giả định rằng R2 và R3 là giống nhau. Do đó, β=2 và βVout=6V. Vì vậy, tụ điện sẽ sạc và xả lên đến 6V.

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

Trong điều kiện này, V+ lớn hơn V-. Do đó, điện áp đầu ra Vout=+12V. Và tụ điện bắt đầu sạc.

Khi điện áp của tụ điện lớn hơn 6V, V- lớn hơn V+. Do đó, điện áp đầu ra thay đổi thành -12V.

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

Trong điều kiện này, điện áp đầu vào nghịch đảo thay đổi cực. Do đó, V+ = -6V.

Bây giờ, tụ điện xả xuống -6V. Khi điện áp tụ điện nhỏ hơn -6V, V+ lại lớn hơn V-.

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

Do đó, điện áp đầu ra lại thay đổi từ -12V sang +12V. Và lần nữa, tụ điện bắt đầu sạc.

Vì vậy, chu kỳ sạc và xả của tụ điện tạo ra một sóng vuông định kỳ và lặp đi lặp lại tại đầu ra, như được hiển thị trong hình dưới đây.

op amp relaxation oscillator waveform — Đồ thị sóng của bộ dao động thư giãn Op-Amp

Tần số của sóng đầu ra phụ thuộc vào thời gian sạc và xả của tụ điện. Và thời gian sạc-xả của tụ điện phụ thuộc vào hằng số thời gian của mạch RC.

Oscillator thư giãn UJT

UJT (transistor unijunction) được sử dụng như một thiết bị chuyển mạch trong oscillator thư giãn. Sơ đồ mạch của oscillator thư giãn UJT được hiển thị trong hình dưới đây.

ujt relaxation oscillator — Oscillator thư giãn UJT

Cực phát của UJT được kết nối với một điện trở và một tụ điện.

Chúng ta giả định rằng ban đầu tụ điện đã được xả. Vì vậy, điện áp của tụ điện là không.

$V_C = 0$

Trong điều kiện này, UJT vẫn ở trạng thái TẮT. Và tụ điện bắt đầu sạc thông qua điện trở R theo phương trình dưới đây.

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

Mô tơ điện tiếp tục sạc cho đến khi đạt được điện áp cung cấp tối đa VBB.

Khi điện áp trên tụ điện lớn hơn điện áp cung cấp, nó kích hoạt UJT bật. Sau đó, tụ điện ngừng sạc và bắt đầu xả qua điện trở R1.

Tụ điện tiếp tục xả cho đến khi điện áp tụ điện đạt đến điện áp thung lũng (VV) của UJT. Sau đó, UJT tắt và tụ điện bắt đầu sạc lại.

Vì vậy, quá trình sạc và xả tụ điện tạo ra một dạng sóng răng cưa trên tụ điện. Và điện áp xuất hiện trên điện trở R2 trong quá trình xả tụ điện và bằng không trong quá trình sạc tụ điện.

Dạng sóng điện áp trên tụ điện và điện trở R2 được hiển thị trong hình dưới đây.

ujt relaxation oscillator waveform — Dạng Sóng Của Mạch Dao Động UJT

Tần Số Của Mạch Dao Động UJT

Tần số của Oscillator Thư giãn phụ thuộc vào thời gian sạc và xả của tụ điện. Trong mạch RC, thời gian sạc và xả được quyết định bởi hằng số thời gian.

Tần số của Oscillator Thư giãn Op-Amp

Trong Oscillator thư giãn Op-Amp, R1 và C1 đóng góp vào tần số dao động. Do đó, để có tần số dao động thấp hơn, chúng ta cần thời gian sạc và xả tụ điện lâu hơn. Và để có thời gian sạc và xả lâu, chúng ta cần đặt giá trị R1 và C1 lớn hơn.

Tương tự, giá trị nhỏ hơn của R1 và C1 gây ra tần số dao động cao hơn.

Tuy nhiên, trong việc tính toán tần số, các điện trở R2 và R3 cũng đóng vai trò quan trọng. Vì các điện trở này sẽ quyết định điện áp ngưỡng của tụ điện, và tụ điện sẽ sạc lên đến mức điện áp này.

Nếu điện áp ngưỡng thấp, thời gian sạc sẽ nhanh hơn. Tương tự, nếu điện áp ngưỡng cao, thời gian sạc sẽ chậm hơn.

Do đó, tần số dao động phụ thuộc vào giá trị của R1, R2, R3, và C1. Và công thức tần số của Oscillator thư giãn Op-Amp là;

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

Trong đó,

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

Trong hầu hết các trường hợp, R2 và R3 được giữ như nhau để thiết kế và tính toán dễ dàng hơn.

$R_2 = R_3 = R$

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

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

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

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

Bằng cách đưa các giá trị của R1 và C1, chúng ta có thể tìm tần số dao động của bộ dao động thư giãn Op-Amp.

Tần số của Bộ dao động thư giãn UJT

Trong bộ dao động thư giãn UJT, tần số cũng phụ thuộc vào mạch RC. Như được hiển thị trong sơ đồ mạch của bộ dao động thư giãn UJT, điện trở R1 và R2 là điện trở giới hạn dòng. Và tần số dao động phụ thuộc vào điện trở R và tụ điện C.

Công thức tần số cho bộ dao động thư giãn UJT là;

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

Trong đó;

n = Tỷ lệ tự nhiên. Và giá trị của n nằm trong khoảng từ 0.51 đến 0.82.

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

Để bật UJT, điện áp tối thiểu cần thiết là;

$V = n V_{BB} + V_D$

Trong đó,

VBB = điện áp cung cấp

VD = giọt diode nội bộ giữa cực phát và đầu cuối cơ sở-2

Giá trị của điện trở R giới hạn trong khoảng sau.

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

Trong đó,

VP, IP = điện áp đỉnh và dòng điện đỉnh

VV, IV = điện áp đáy và dòng điện đáy

Phương trình vi phân của mạch dao động thư giãn

Trong sơ đồ mạch của mạch dao động thư giãn, các điện trở R2 và R3 có giá trị bằng nhau. Vì vậy, theo quy tắc chia áp;

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

V– được tính bằng định luật Ohm và phương trình vi phân của tụ điện;

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

Có hai giải pháp cho phương trình vi phân này; giải pháp riêng biệt và giải pháp đồng nhất.

Đối với giải pháp riêng biệt, V- là hằng số. Giả sử V– = A. Do đó, đạo hàm của hằng số là không,

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

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

$V_{out} = A$

Đối với giải pháp đồng nhất, sử dụng biến đổi Laplace của phương trình dưới đây;

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

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

V– là tổng của giải pháp riêng và giải pháp đồng nhất.

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

Để tìm giá trị của B, chúng ta cần đánh giá điều kiện ban đầu.

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

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

$B = -V_{dd}$

Do đó, giải pháp cuối cùng của V- là;

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

So sánh Bộ so sánh và Op-Amp

Bộ so sánh cũng được sử dụng thay cho Op-Amp. Tương tự như Op-Amp, các bộ bù được thiết kế để hoạt động từ đường ray này đến đường ray kia.

Bộ so sánh có thời gian tăng và giảm nhanh hơn so với Op-Amp. Do đó, bộ so sánh phù hợp hơn cho mạch dao động so với Op-Amp.

Trong trường hợp của Op-Amp, nó có đầu ra đẩy kéo. Vì vậy, nếu bạn đang sử dụng Op-Amp, không cần thiết phải sử dụng điện trở kéo lên. Nhưng nếu bạn đang sử dụng bộ so sánh, thì phải sử dụng điện trở kéo lên.

Ứng dụng của Mạch Dao động Thư giãn

Mạch dao động thư giãn được sử dụng để tạo tín hiệu đồng hồ nội bộ cho bất kỳ mạch số nào. Nó cũng được sử dụng trong các ứng dụng được liệt kê dưới đây.