Релаксационен осцилатор с оп

Операционният усилвател е неразделна част от Electronics и преди това научихме за Op-усилвателите в различни схеми, базирани на op-amp, а също така изградихме много вериги на осцилатори, използвайки op-amp и други електронни компоненти.

Осцилаторът обикновено се отнася до веригата, която произвежда периодични и повтарящи се изходи като синусоида или квадратна вълна. Осцилаторът може да бъде механична или електронна конструкция, която произвежда трептения в зависимост от няколко променливи. По-рано научихме за много популярни осцилатори като осцилатор с фазово изместване RC, осцилатор на Колпитс, мостов осцилатор и др. Днес ще научим за релаксационен осцилатор.

А осцилатор отдих е тази, която отговаря на всички условия по-долу:

• Той трябва да осигурява несинусоидална форма на вълната (или на параметър на напрежение, или на ток) на изхода.
• Той трябва да осигурява периодичен сигнал или повтарящ се сигнал като триъгълна, квадратна или правоъгълна вълна на изхода.
• Веригата на релаксационен осцилатор трябва да бъде нелинейна. Това означава, че дизайнът на веригата трябва да включва полупроводникови устройства като транзистор, MOSFET или OP-AMP.
• Дизайнът на веригата трябва също да включва устройство за акумулиране на енергия като кондензатор или индуктор, което се зарежда и разрежда непрекъснато, за да се получи цикъл. Честотата или периодът на трептене за такъв генератор зависи от времевата константа на съответната им капацитивна или индуктивна верига.

Работа на релаксационен осцилатор

За по-добро разбиране на релаксационния осцилатор, нека първо разгледаме работата на един прост механизъм, показан по-долу.

Показаният тук механизъм е клатушка, която всеки вероятно е преживял в живота си. Планкът се движи напред-назад в зависимост от гравитационната сила, изпитвана от масите в двата края. С прости думи, клатушка е сравнител на „Маса“ и сравнява масата на обектите, поставени в двата края на дъската. Така че който и да е обект с по-голяма маса се изравнява със земята, докато обектът с по-ниска маса се повдига във въздуха.

В тази настройка на клавиатурата ще имаме фиксирана маса „M“ от единия край и празна кофа от другия край, както е показано на фигурата. При това първоначално състояние масата „М“ ще бъде изравнена със земята и кофата ще бъде окачена във въздуха въз основа на принципа на клатушка, обсъден по-горе.

Сега, ако включите крана, поставен над празната кофа, тогава водата започва да пълни празната кофа и по този начин увеличава масата на цялата настройка.

И след като кофата се напълни напълно, тогава цялата маса от страната на кофата ще бъде повече от фиксираната маса „M“, поставена на другия край. Така дъската се движи по оста, като по този начин издига масата „М“ и заземява кофата с вода.

След като кофата се удари в земята, водата, напълнена в кофата, се излива напълно на земята, както е показано на фигурата. След разливането общата маса от страната на кофата отново ще стане по-малка в сравнение с фиксираната маса „M“. И така, дъската отново се движи по оста, като по този начин отново премества кофата във въздуха за друго пълнене.

Този цикъл на пълнене и разливане продължава да се увеличава, докато водоизточникът не присъства, за да запълни кофата. И поради този цикъл дъската се движи по оста с периодични интервали, като по този начин дава изход на трептене.

Сега, ако сравним механичните компоненти с електрическите компоненти, тогава имаме.

• Кофата може да се разглежда като устройство за акумулиране на енергия, което е или кондензатор, или индуктор.
• Seesaw е компаратор или операционен усилвател, използван за сравняване на напреженията на кондензатора и еталона.
• Референтното напрежение се приема за номинално сравнение на стойността на кондензатора.
• Водният поток тук може да се нарече електрически заряд.

Релаксационна осцилаторна верига

Ако начертаем еквивалентната електрическа верига за горепосочения механизъм с колела, ще получим веригата за релаксационен осцилатор, както е показано по-долу :

Работата на този релаксационен осцилатор Op-amp може да се обясни по следния начин:

• След като кранът е включен, водата изтича във кофа за вода, като по този начин я пълни бавно.
• След като кофата за вода бъде напълно напълнена, цялата маса от страната на кофата ще бъде повече от фиксираната маса „М“, поставена на другия край. След като това се случи, дъската измества позициите си на по-компрометиращо място.
• След като водата се разлее напълно, общата маса от страната на кофата отново ще стане по-малка в сравнение с фиксираната маса „M“. Така валът ще се премести отново в първоначалното си положение.
• За пореден път кофата се напълва с вода след предишното разпръскване и този цикъл продължава вечно, докато водата тече от крана.

Ако начертаем графиката за горния случай, тя ще изглежда по следния начин:

Тук,

• Първоначално, ако смятаме, че изходът на компаратора е висок, през това време кондензаторът ще се зарежда. С зареждането на кондензатора напрежението на неговия извод постепенно ще се повиши, което може да се види на графиката.
• След като напрежението на терминала на кондензатора достигне прага, изходът на компаратора ще премине от високо към ниско, както е показано на графиката. И когато изходът на компаратора стане отрицателен, кондензаторът започва да се разрежда до нула. След като кондензаторът се разреди напълно поради наличието на отрицателно изходно напрежение, той отново се зарежда, освен в обратната посока. Както можете да видите на графиката поради отрицателното изходно напрежение, напрежението на кондензатора също се повишава в отрицателна посока.
• След като кондензаторът се зареди до максимум в отрицателна посока, компараторът превключва изхода от отрицателен към положителен. След като изходът превключи на положителен цикъл, кондензаторът се разрежда в отрицателния път и натрупва заряди в положителния път, както е показано на графиката.
• Така цикълът на кондензаторното зареждане и разреждане в положителни и отрицателни пътеки задейства компаратора, произвеждащ квадратен сигнал на изхода, който е показан по-горе.

Честота на релаксационен осцилатор

Очевидно честотата на трептене зависи от времевата константа на C1 и R3 във веригата. По-високите стойности на C1 и R3 ще доведат до по-дълги скорости на зареждане и разреждане, като по този начин ще се получат нискочестотни трептения. По подобен начин по-малките стойности ще предизвикат по-високочестотни трептения.

Тук R1 и R2 също играят критична роля при определяне на честотата на изходната форма на вълната. Това е така, защото те контролират праговете на напрежението, до които C1 трябва да се зареди. Например, ако прагът е зададен на 5V, тогава C1 трябва само да зарежда и разрежда съответно до 5V и -5V. От друга страна, ако прагът е зададен на 10V, тогава C1 е необходим за зареждане и разреждане на 10V и -10V.

Така че формулата за честота на релаксационния осцилатор ще бъде:

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

Тук, К = R ₂ / R ₁ + R ₂

Ако резисторите R1 и R2 са равни помежду си, тогава

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Приложение на релаксационен осцилатор

Релаксационен осцилатор може да се използва в:

• Генератори на сигнали
• Броячи
• Вериги на паметта
• Осцилатори за управление на напрежението
• Забавни схеми
• Осцилатори
• Мулти-вибратори.