Oscylator relaksacyjny wykorzystujący op

Wzmacniacz operacyjny jest integralną częścią elektroniki, a wcześniej dowiedzieliśmy się o wzmacniaczach operacyjnych w różnych obwodach opartych na wzmacniaczach operacyjnych, a także zbudowaliśmy wiele obwodów oscylatorów wykorzystujących wzmacniacz operacyjny i inne komponenty elektroniczne.

Oscylator ogólnie odnosi się do obwodu, który wytwarza okresowe i powtarzalne sygnały wyjściowe, takie jak fala sinusoidalna lub prostokątna. Oscylator może być konstrukcją mechaniczną lub elektroniczną, która wytwarza oscylacje w zależności od kilku zmiennych. Wcześniej dowiedzieliśmy się o wielu popularnych oscylatorach, takich jak oscylator przesunięcia fazowego RC, oscylator Colpittsa, oscylator mostka Weina, itp. Dzisiaj dowiemy się o oscylatorze relaksacyjnym.

Relaks oscylator jest jeden, który spełnia wszystkie niżej warunki:

• Musi zapewniać niesinusoidalny przebieg (parametr napięcia lub prądu) na wyjściu.
• Musi dostarczać okresowy lub powtarzalny sygnał, taki jak fala trójkątna, kwadratowa lub prostokątna na wyjściu.
• Obwód oscylatora relaksacyjnego musi być nieliniowy. Oznacza to, że projekt obwodu musi obejmować urządzenia półprzewodnikowe, takie jak tranzystor, MOSFET lub OP-AMP.
• Projekt obwodu musi również obejmować urządzenie magazynujące energię, takie jak kondensator lub cewka indukcyjna, które ładują się i rozładowują w sposób ciągły, aby wytworzyć cykl. Częstotliwość lub okres oscylacji takiego oscylatora zależy od stałej czasowej ich odpowiedniego obwodu pojemnościowego lub indukcyjnego.

Działanie oscylatora relaksacyjnego

Aby lepiej zrozumieć działanie oscylatora relaksacyjnego, przyjrzyjmy się najpierw działaniu prostego mechanizmu pokazanego poniżej.

Pokazany tutaj mechanizm to huśtawka, której prawdopodobnie doświadczył każdy w swoim życiu. Deska porusza się w przód iw tył w zależności od siły grawitacji odczuwanej przez masy na obu końcach. Mówiąc prościej, huśtawka jest komparatorem „Mszy” i porównuje masę przedmiotów umieszczonych na obu końcach deski. Tak więc, którykolwiek obiekt ma większą masę, zostaje zrównany z ziemią, podczas gdy obiekt o mniejszej masie jest unoszony w powietrze.

W tej konfiguracji huśtawki będziemy mieć stałą masę „M” na jednym końcu i puste wiadro na drugim końcu, jak pokazano na rysunku. W tym stanie początkowym masa „M” zostanie wyrównana do podłoża, a wiadro zostanie powieszone w powietrzu w oparciu o omówioną powyżej zasadę huśtawki.

Teraz, jeśli odkręcisz kran umieszczony nad pustym wiadrem, woda zacznie wypełniać puste wiadro, zwiększając tym samym masę całej instalacji.

Po całkowitym napełnieniu wiadra cała masa po stronie łyżki będzie większa niż masa ustalona „M” umieszczona na drugim końcu. Tak więc deska porusza się wzdłuż osi, unosząc w ten sposób masę „M” i uziemiając wiadro wody.

Gdy wiadro uderzy o ziemię, woda w wiadrze zostanie całkowicie rozlana na ziemię, jak pokazano na rysunku. Po rozlaniu całkowita masa po stronie wiadra znowu będzie mniejsza w porównaniu z masą stałą „M”. Tak więc ponownie deska porusza się wzdłuż osi, tym samym ponownie przesuwając wiadro w powietrze w celu ponownego napełnienia.

Ten cykl napełniania i rozlewania trwa do momentu pojawienia się źródła wody, które wypełni wiadro. Z powodu tego cyklu deska porusza się wzdłuż osi w okresowych odstępach, dając w ten sposób efekt oscylacji.

Teraz, jeśli porównamy komponenty mechaniczne z komponentami elektrycznymi, mamy.

• Wiadro można uznać za urządzenie magazynujące energię, które jest albo kondensatorem, albo cewką indukcyjną.
• Huśtawka to komparator lub wzmacniacz operacyjny używany do porównywania napięć kondensatora i odniesienia.
• Napięcie odniesienia jest brane do nominalnego porównania wartości kondensatora.
• Przepływ wody w tym miejscu można określić jako ładunek elektryczny.

Obwód oscylatora relaksacyjnego

Jeśli narysujemy równoważny obwód elektryczny dla powyższego mechanizmu huśtawki, otrzymamy obwód oscylatora relaksacyjnego, jak pokazano poniżej :

Działanie tego oscylatora relaksacyjnego wzmacniacza operacyjnego można wyjaśnić w następujący sposób:

• Po odkręceniu kranu woda spływa do wiadra z wodą, napełniając go powoli.
• Po całkowitym napełnieniu wiadra na wodę cała masa po stronie wiadra będzie większa niż masa stała „M” umieszczona na drugim końcu. Gdy to się stanie, deska przesunie się w bardziej kompromisowe miejsce.
• Po całkowitym rozlaniu wody całkowita masa po stronie wiadra znów będzie mniejsza w porównaniu do stałej masy „M”. Zatem wałek przesunie się ponownie do swojego początkowego położenia.
• Ponownie wiadro zostaje napełnione wodą po poprzednim rozproszeniu i ten cykl trwa wiecznie, aż z kranu wypłynie woda.

Jeśli narysujemy wykres dla powyższego przypadku, będzie on wyglądał mniej więcej tak:

Tutaj,

• Początkowo, jeśli weźmiemy pod uwagę, że moc wyjściowa komparatora jest wysoka, to w tym czasie kondensator będzie się ładował. Wraz z ładowaniem kondensatora jego napięcie na zaciskach będzie stopniowo rosło, co widać na wykresie.
• Gdy napięcie na zaciskach kondensatora osiągnie próg, wyjście komparatora przejdzie od wysokiego do niskiego, jak pokazano na wykresie. A kiedy wyjście komparatora jest ujemne, kondensator zaczyna się rozładowywać do zera. Po całkowitym rozładowaniu kondensatora z powodu obecności ujemnego napięcia wyjściowego, ponownie ładuje się, chyba że w przeciwnym kierunku. Jak widać na wykresie z powodu ujemnego napięcia wyjściowego, napięcie kondensatora również rośnie w kierunku ujemnym.
• Gdy kondensator naładuje się do maksimum w kierunku ujemnym, komparator przełącza wyjście z ujemnego na dodatni. Gdy wyjście przełącza się na cykl dodatni, kondensator rozładowuje się w ścieżce ujemnej i gromadzi ładunki w ścieżce dodatniej, jak pokazano na wykresie.
• Tak więc cykl ładowania i rozładowywania kondensatora w ścieżce dodatniej i ujemnej powoduje, że komparator wytwarza na wyjściu sygnał prostokątny, co pokazano powyżej.

Częstotliwość oscylatora relaksacyjnego

Oczywiście częstotliwość oscylacji zależy od stałej czasowej C1 i R3 w obwodzie. Wyższe wartości C1 i R3 będą prowadzić do dłuższych szybkości ładowania i rozładowania, powodując tym samym oscylacje o niższej częstotliwości. Podobnie mniejsze wartości spowodują oscylacje o wyższej częstotliwości.

Tutaj R1 i R2 również odgrywają krytyczną rolę w określaniu częstotliwości przebiegu wyjściowego. Dzieje się tak, ponieważ kontrolują progi napięcia, do których C1 musi się naładować. Na przykład, jeśli próg jest ustawiony na 5 V, wówczas C1 musi ładować i rozładowywać tylko odpowiednio do 5 V i -5 V. Z drugiej strony, jeśli próg jest ustawiony na 10 V, wówczas C1 jest potrzebny do ładowania i rozładowywania do 10 V i -10 V.

Zatem wzór na częstotliwość relaksacji oscylatora będzie wyglądał następująco:

f = 1/2 x R ₃ x C ₁ x ln (1 + k / 1 - k)

Tutaj K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Jeśli rezystory R1 i R2 są sobie równe, to

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Zastosowanie oscylatora relaksacyjnego

Oscylator relaksacyjny znajduje zastosowanie w:

• Generatory sygnałów
• Liczniki
• Obwody pamięci
• Oscylatory sterujące napięciem
• Zabawne obwody
• Oscylatory
• Multi-wibratory.