Relaxačný oscilátor využívajúci op

Operačný zosilňovač je neoddeliteľnou súčasťou elektroniky. Predtým sme sa dozvedeli o operačných zosilňovačoch v rôznych obvodoch založených na operačných zosilňovačoch a tiež sme zostrojili veľa obvodov oscilátorov pomocou operačného zosilňovača a ďalších elektronických komponentov.

Oscilátor všeobecne označuje obvod, ktorý produkuje periodický a opakujúci sa výstup ako sínusová vlna alebo štvorcová vlna. Oscilátor môže byť mechanická alebo elektronická konštrukcia, ktorá produkuje osciláciu v závislosti od niekoľkých premenných. Predtým sme sa dozvedeli o mnohých populárnych oscilátoroch ako RC oscilátor s fázovým posunom, Colpittsov oscilátor, oscilátor mosta Wein Bridge atď. Dnes sa dozvieme niečo o relaxačnom oscilátore.

Relaxačné oscilátor je ten, ktorý spĺňa všetky tieto podmienky:

• Musí na výstupe poskytovať nesínusový priebeh (parametra napätia alebo prúdu).
• Musí na výstupe poskytovať periodický signál alebo opakujúci sa signál, ako je trojuholníková, štvorcová alebo obdĺžniková vlna.
• Obvod relaxačného oscilátora musí byť nelineárny. To znamená, že návrh obvodu musí zahŕňať polovodičové prvky, ako sú tranzistor, MOSFET alebo OP-AMP.
• Dizajn obvodu musí tiež zahŕňať zariadenie na akumuláciu energie, ako je kondenzátor alebo induktor, ktoré sa nabíja a vybíja nepretržite, aby vytvoril cyklus. Frekvencia alebo perióda kmitania pre taký oscilátor závisí od časovej konštanty ich príslušného kapacitného alebo indukčného obvodu.

Pracovanie relaxačného oscilátora

Pre lepšie pochopenie relaxačného oscilátora sa najskôr pozrime na fungovanie jednoduchého mechanizmu zobrazeného nižšie.

Mechanizmus, ktorý je tu znázornený, je hojdačka, ktorú každý pravdepodobne zažil vo svojom živote. Doska sa pohybuje tam a späť v závislosti od gravitačnej sily, ktorú prežívajú masy na oboch koncoch. Zjednodušene povedané, hojdačka je komparátorom „hmoty“ a porovnáva hmotnosť predmetov umiestnených na oboch koncoch dosky. Takže ktorýkoľvek objekt má vyššiu hmotnosť, dostane sa na zem, zatiaľ čo objekt s nízkou hmotnosťou sa zdvihne do vzduchu.

V tomto nastavení hojdačky budeme mať na jednom konci pevnú hmotnosť „M“ a na druhom konci prázdne vedro, ako je to znázornené na obrázku. V tomto počiatočnom stave bude hmota „M“ vyrovnaná k zemi a vedro bude zavesené do vzduchu na základe princípu hojdačky diskutovaného vyššie.

Ak teraz otvoríte kohútik umiestnený nad prázdnym vedrom, voda začne napĺňať prázdne vedro, čím sa zvýši hmotnosť celého zariadenia.

Akonáhle sa vedro úplne zaplní, potom bude celá hmotnosť na strane vedra viac ako pevná hmotnosť „M“ umiestnená na druhom konci. Doska sa teda pohybuje pozdĺž osi, čím prepravuje hmotu „M“ a uzemňuje vedro s vodou.

Akonáhle vedro dopadne na zem, voda naplnená vo vedre sa úplne vyleje na zem, ako je to znázornené na obrázku. Po rozliatí sa celková hmotnosť na strane vedra opäť zníži v porovnaní s pevnou hmotnosťou „M“. Doska sa teda opäť pohybuje pozdĺž osi, čím sa vedro opäť posúva do vzduchu na ďalšie naplnenie.

Tento cyklus plnenia a rozliatia pokračuje hore, kým nie je k dispozícii zdroj vody na naplnenie vedra. A kvôli tomuto cyklu sa doska pohybuje pozdĺž osi v pravidelných intervaloch, čím poskytuje výstup oscilácie.

Ak teraz porovnáme mechanické komponenty s elektrickými, potom máme.

• Vedro sa môže považovať za zariadenie na akumuláciu energie, ktoré je buď kondenzátorom alebo tlmivkou.
• Seesaw je komparátor alebo operačný zosilňovač používaný na porovnanie napätia kondenzátora a referencie.
• Pre nominálne porovnanie hodnoty kondenzátora sa použije referenčné napätie.
• Tok vody tu môžeme označiť ako elektrický náboj.

Relaxačný oscilátorový obvod

Ak nakreslíme ekvivalentný elektrický obvod pre vyššie uvedený mechanizmus hojdačky, dostaneme relaxačný oscilátorový obvod, ako je uvedené nižšie :

Fungovanie tohto relaxačného oscilátora Op-amp možno vysvetliť nasledovne:

• Akonáhle je kohútik zapnutý, voda steká do vodného vedra, čím sa pomaly napĺňa.
• Po úplnom naplnení nádoby na vodu bude celá hmota na strane vedra viac ako pevná hmota „M“ umiestnená na druhom konci. Akonáhle sa to stane, doska presunie svoje pozície na kompromitujúcejšie miesto.
• Po úplnom vyliatí vody sa celková hmotnosť na strane vedra opäť zníži v porovnaní s pevnou hmotnosťou „M“. Hriadeľ sa teda opäť presunie do svojej pôvodnej polohy.
• Po predchádzajúcom odblokovaní sa vedro opäť naplní vodou a tento cyklus pokračuje navždy, kým z kohútika neprúdi voda.

Ak nakreslíme graf pre vyššie uvedený prípad, bude vyzerať asi takto:

Tu,

• Spočiatku, ak považujeme výstup komparátora za vysoký, potom sa počas tejto doby bude kondenzátor nabíjať. S nabíjaním kondenzátora bude jeho koncové napätie postupne stúpať, čo je vidieť na grafe.
• Akonáhle napätie na svorke kondenzátora dosiahne prahovú hodnotu, výstup komparátora klesne z vysokého na nízky, ako je to znázornené v grafe. A keď je výstup komparátora záporný, kondenzátor sa začne vybíjať na nulu. Keď sa kondenzátor úplne vybije z dôvodu záporného výstupného napätia, nabíja sa opäť s výnimkou opačného smeru. Ako vidíte na grafe kvôli zápornému výstupnému napätiu, napätie kondenzátora tiež stúpa v negatívnom smere.
• Akonáhle sa kondenzátor nabije na maximum v negatívnom smere, komparátor prepne výstup z negatívneho na pozitívny. Akonáhle sa výstup prepne na pozitívny cyklus, kondenzátor sa vybíja v negatívnej ceste a vytvára náboje v pozitívnej ceste, ako je znázornené na grafe.
• Takže cyklus nabíjania a vybíjania kondenzátora v kladných a záporných dráhach spúšťa komparátor, ktorý na výstupe, ktorý je uvedený vyššie, produkuje obdĺžnikový signál.

Frekvencia relaxačného oscilátora

Frekvencia kmitania samozrejme závisí od časovej konštanty C1 a R3 v obvode. Vyššie hodnoty C1 a R3 povedú k dlhším rýchlostiam nabíjania a vybíjania, čo vedie k nízkofrekvenčným osciláciám. Podobne, menšie hodnoty budú produkovať vyššie frekvenčné oscilácie.

Tu R1 a R2 tiež zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri určovaní frekvencie výstupného priebehu. Je to tak preto, lebo riadia prahové hodnoty napätia, ktoré musí C1 nabíjať. Napríklad, ak je prahová hodnota nastavená na 5 V, potom C1 musí nabíjať a vybíjať iba 5 V, respektíve -5 V. Na druhej strane, ak je prahová hodnota nastavená na 10 V, potom je na nabitie a vybitie na 10 V a -10 V potrebný C1.

Takže vzorec frekvencie relaxačného oscilátora bude:

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

Tu, K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Ak sú odpory R1 a R2 navzájom rovnaké, potom

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Aplikácia relaxačného oscilátora

Relaxačný oscilátor je možné použiť v:

• Generátory signálu
• Počítadlá
• Pamäťové obvody
• Oscilátory regulácie napätia
• Zábavné okruhy
• Oscilátory
• Multi-vibrátory.