Relaksācijas oscilators, izmantojot op

Operatīvais pastiprinātājs ir neatņemama elektronikas sastāvdaļa, un mēs iepriekš uzzinājām par Op-ampēriem dažādās op-amp balstītās shēmās, kā arī uzbūvējām daudzas oscilatoru shēmas, izmantojot op-amp un citus elektronikas komponentus.

Oscilators parasti attiecas uz ķēdi, kas rada periodisku un atkārtotu izvadi kā sinusoidāls vai kvadrātveida vilnis. Oscilators var būt mehāniska vai elektroniska konstrukcija, kas rada svārstības atkarībā no dažiem mainīgajiem lielumiem. Iepriekš mēs uzzinājām par daudziem populāriem oscilatoriem, piemēram, RC fāzes nobīdes oscilatoru, Colpitts oscilatoru, wein tilta oscilatoru utt. Šodien mēs uzzināsim par relaksācijas oscilatoru.

Relaksācijas oscilatoru ir tāds, kas atbilst visiem turpmāk nosacījumiem:

• Tam pie izejas jānodrošina ne sinusoidāla viļņu forma (vai nu sprieguma, vai strāvas parametra).
• Tam izejā jānodrošina periodisks signāls vai atkārtots signāls, piemēram, trīsstūrveida, kvadrātveida vai taisnstūrveida vilnis.
• Relaksācijas oscilatora ķēdei jābūt nelineārai. Tas nozīmē, ka shēmas projektēšanā jāiesaista pusvadītāju ierīces, piemēram, tranzistors, MOSFET vai OP-AMP.
• Ķēdes projektā jāietver arī enerģijas uzkrāšanas ierīce, piemēram, kondensators vai induktors, kas nepārtraukti uzlādē un izlādējas, lai izveidotu ciklu. Šāda oscilatora svārstību biežums vai periods ir atkarīgs no to attiecīgās kapacitatīvās vai induktīvās ķēdes laika konstanta.

Relaksācijas oscilatora darbība

Lai labāk izprastu relaksācijas oscilatoru, vispirms apskatīsim vienkārša mehānisma darbību, kas parādīts zemāk.

Šeit parādītais mehānisms ir svītra, kuru, iespējams, katrs savā dzīvē piedzīvoja. Dēlis pārvietojas uz priekšu un atpakaļ atkarībā no gravitācijas spēka, kuru abās galos izjūt masas. Vienkārši sakot, svītra ir salīdzinājums ar masu, un tajā salīdzina priekšmetu masu, kas novietoti abos dēļa galos. Tātad kurš objekts ir ar lielāku masu, tas tiek nolīdzināts līdz zemei, kamēr zemākas masas objekts tiek pacelts gaisā.

Šajā šūpoles uzstādījumā mums būs fiksēta masa "M" vienā galā un tukša spainis otrā galā, kā parādīts attēlā. Šajā sākotnējā stāvoklī masa “M” tiks nolīdzināta ar zemi, un spainis tiks pakārts gaisā, pamatojoties uz iepriekš apspriesto šūpoles principu.

Tagad, ja ieslēdzat krānu, kas novietots virs tukšā kausa, tad ūdens sāk piepildīt tukšo spaini un tādējādi palielināt visas iekārtas masu.

Un, kad spainis būs pilnīgi pilns, tad visa masa spaiņa pusē būs lielāka nekā fiksētā masa “M”, kas novietota otrā galā. Dēlis pārvietojas pa asi, tādējādi paceļot masu “M” un iezemējot ūdens spaini.

Kad spainis ietriecas zemē, spainī iepildītais ūdens pilnībā izlīst zemē, kā parādīts attēlā. Pēc noplūdes kopējā masa kausa pusē atkal kļūs mazāka, salīdzinot ar fiksēto masu “M”. Tātad dēlis atkal pārvietojas pa asi, tādējādi vēlreiz aizpildot kausu gaisā.

Šis piepildīšanas un izliešanas cikls turpinās iet uz augšu, līdz ūdens avots ir klāt, lai piepildītu kausu. Šī cikla dēļ dēlis pārvietojas pa asi ar periodiskiem intervāliem, tādējādi dodot svārstību izvadi.

Tagad, ja mēs salīdzinām mehāniskos komponentus ar elektriskajiem komponentiem, tad mums tas ir.

• Kausu var uzskatīt par enerģijas uzkrāšanas ierīci, kas ir kondensators vai induktors.
• Seesaw ir salīdzinātājs vai op-amp, ko izmanto kondensatora un atsauces spriegumu salīdzināšanai.
• Kondensatora vērtības nominālajai salīdzināšanai tiek ņemts atskaites spriegums.
• Ūdens plūsmu šeit var saukt par elektrisko lādiņu.

Relaksācijas oscilatoru ķēde

Ja mēs uzzīmēsim ekvivalentu elektrisko ķēdi iepriekšminētajam šūpoles mehānismam, mēs iegūsim relaksācijas oscilatora ķēdi, kā parādīts zemāk :

Šī Op-amp relaksācijas oscilatora darbību var izskaidrot šādi:

• Kad krāns ir ieslēgts, ūdens ieplūst ūdens spainī, tādējādi to lēnām piepildot.
• Pēc tam, kad ūdens spainis ir pilnībā piepildīts, visa masa spaiņa pusē būs lielāka nekā fiksētā masa “M”, kas novietota otrā galā. Kad tas notiks, dēlis pārvieto savas pozīcijas uz kompromitējošāku vietu.
• Pēc ūdens pilnīgas izliešanas kopējā masa kausa pusē atkal kļūs mazāka, salīdzinot ar fiksēto masu “M”. Tātad vārpsta atkal pārvietosies sākotnējā stāvoklī.
• Pēc iepriekšējā izkliedēšanas spainis atkal tiek piepildīts ar ūdeni, un šis cikls turpinās mūžīgi, līdz no krāna tek ūdens.

Ja mēs uzzīmēsim grafiku iepriekš minētajam gadījumam, tas izskatīsies šādi:

Šeit,

• Sākotnēji, ja mēs uzskatām, ka salīdzinātāja jauda ir augsta, tad šajā laikā kondensators tiks uzlādēts. Uzlādējot kondensatoru, tā spailes spriegums pakāpeniski palielināsies, ko var redzēt diagrammā.
• Tiklīdz kondensatora spailes spriegums sasniegs slieksni, salīdzinātāja izeja no augsta līdz zemam, kā parādīts diagrammā. Un, kad salīdzinātāja izeja kļūst negatīva, kondensators sāk izlādēties līdz nullei. Pēc tam, kad kondensators ir pilnībā izlādējies negatīva izejas sprieguma klātbūtnes dēļ, tas atkal uzlādējas, izņemot pretējā virzienā. Kā redzat diagrammā negatīvā izejas sprieguma dēļ, kondensatora spriegums arī palielinās negatīvā virzienā.
• Kad kondensators maksimāli uzlādējas negatīvā virzienā, salīdzinātājs pārslēdz izeju no negatīvas uz pozitīvu. Kad izeja pārslēdzas uz pozitīvu ciklu, kondensators izlādējas negatīvajā ceļā un pozitīvajā ceļā veido lādiņus, kā parādīts diagrammā.
• Tātad kondensatora uzlādes un izlādes cikls pozitīvos un negatīvos ceļos iedarbina salīdzinātāju uz kvadrātveida viļņu signālu pie izejas, kas parādīts iepriekš.

Relaksācijas oscilatora biežums

Acīmredzot svārstību biežums ir atkarīgs no C1 un R3 laika konstantes ķēdē. Augstākas C1 un R3 vērtības novedīs pie ilgākam uzlādes un izlādes ātrumam, tādējādi radot zemākas frekvences svārstības. Tāpat mazākas vērtības radīs augstākas frekvences svārstības.

Šeit R1 un R2 ir arī izšķiroša loma izejas viļņu formas biežuma noteikšanā. Tas ir tāpēc, ka viņi kontrolē sprieguma sliekšņus, līdz kuriem C1 ir jāuzlādē. Piemēram, ja slieksnis ir iestatīts uz 5V, tad C1 ir jāuzlādē un jāizlādē tikai attiecīgi līdz 5V un -5V. No otras puses, ja slieksnis ir iestatīts uz 10V, tad C1 ir nepieciešams, lai uzlādētu un izlādētu līdz 10V un -10V.

Tātad relaksācijas oscilatoru frekvences formula būs:

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

Šeit K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Ja rezistori R1 un R2 ir vienādi viens ar otru, tad

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Relaksācijas oscilatora pielietošana

Relaksācijas oscilatoru var izmantot:

• Signālu ģeneratori
• Skaitītāji
• Atmiņas shēmas
• Sprieguma kontroles oscilatori
• Jautras shēmas
• Oscilatori
• Vairāki vibratori.