Релаксаційний осцилятор з використанням оп

Операційний підсилювач є невід'ємною частиною електроніки, і ми раніше дізналися про Op-підсилювачі в різних схемах на основі операційних підсилювачів, а також побудували безліч схем генераторів, використовуючи op-amp та інші електронні компоненти.

Генератор, як правило, відноситься до схеми, яка виробляє періодичний і повторюваний вихід, як синусоїда або квадратна хвиля. Генератор може бути механічною або електронною конструкцією, яка створює коливання в залежності від кількох змінних. Раніше ми дізналися про багато популярних генераторів, таких як генератор фазового зсуву RC, генератор Колпітта, мостовий генератор тощо. Сьогодні ми дізнаємося про релаксаційний генератор.

Релаксаційний генератор є той, який задовольняє всі умови нижче:

• Він повинен забезпечувати на виході несинусоїдальну форму сигналу (параметра напруги або струму).
• Він повинен подавати періодичний сигнал або повторюваний сигнал, такий як трикутна, квадратна або прямокутна хвиля на виході.
• Схема релаксаційного осцилятора повинна бути нелінійною. Це означає, що конструкція схеми повинна включати напівпровідникові пристрої, такі як транзистор, MOSFET або OP-AMP.
• Схема схеми повинна також включати пристрій для накопичення енергії, такий як конденсатор або індуктор, який безперервно заряджається і розряджається для створення циклу. Частота або період коливань для такого генератора залежить від постійної часу їх відповідної ємнісної або індуктивної схеми.

Робота релаксаційного осцилятора

Для кращого розуміння релаксаційного осцилятора давайте спочатку розглянемо роботу простого механізму, показаного нижче.

Механізм, показаний тут, - це гойдалка, яку, мабуть, кожен відчував у своєму житті. Планка рухається вперед-назад в залежності від сили тяжіння, яку відчувають маси на обох кінцях. Говорячи простими словами, гойдалка є компаратором „маси”, і вона порівнює масу об’єктів, розміщених на обох кінцях дошки. Тому будь-який предмет, що має більшу масу, вирівнюється до землі, тоді як об’єкт меншої маси піднімається в повітря.

У цій установці гойдалок ми матимемо фіксовану масу 'M' на одному кінці, а порожнє відро на іншому кінці, як показано на малюнку. У цьому початковому стані маса 'М' буде вирівняна до землі, а відро буде повішено в повітрі за принципом гойдалок, розглянутим вище.

Тепер, якщо відкрити кран, розміщений над порожнім відром, тоді вода почне наповнювати порожнє відро і тим самим збільшувати масу всієї установки.

І як тільки ковш повністю заповниться, тоді вся маса на боці ковша буде більше, ніж фіксована маса 'М', розміщена на іншому кінці. Отже, дошка рухається вздовж осі, тим самим піднімаючи масу 'М' і заземляючи відро з водою.

Як тільки відро вдаряється об землю, вода, заповнена у відрі, повністю переливається на землю, як показано на малюнку. Після розливу загальна маса на боці ковша знову стане меншою порівняно з фіксованою масою 'M'. Отож знову дошка рухається вздовж осі, тим самим знову переміщуючи відро в повітря для чергового наповнення.

Цей цикл наповнення та розливу продовжує зростати, поки джерело води не буде наповнене відро. І завдяки цьому циклу дошка рухається вздовж осі з періодичними інтервалами, тим самим даючи вихід коливань.

Тепер, якщо порівняти механічні компоненти з електричними, то маємо.

• Відро можна розглядати як накопичувач енергії, який є або конденсатором, або індуктивністю.
• Гойдалка - це компаратор або операційний підсилювач, що використовується для порівняння напруг конденсатора та еталонних.
• Еталонна напруга приймається для номінального порівняння величини конденсатора.
• Потік води тут можна назвати електричним зарядом.

Схема генератора релаксації

Якщо намалювати еквівалентну електричну ланцюг для вищезазначеного механізму гойдалок, ми отримаємо схему релаксаційного генератора, як показано нижче :

Роботу цього релаксаційного генератора Op-amp можна пояснити наступним чином:

• Після того, як кран увімкнено, вода стікає у відро для води, тим самим повільно наповнюючи його.
• Після повного заповнення відра з водою вся маса на боці відра буде більшою, ніж фіксована маса "М", розміщена на іншому кінці. Як тільки це трапляється, дошка змінює свої позиції на більш компромісне місце.
• Після повного виливання води загальна маса на боці ковша знову стане меншою порівняно з фіксованою масою "М". Так вал знову переміститься у вихідне положення.
• Знову відро наповнюється водою після попереднього розвіювання, і цей цикл триває вічно, поки вода з крана не стікає.

Якщо ми намалюємо графік для наведеного вище випадку, він буде виглядати приблизно так:

Ось,

• Спочатку, якщо ми вважаємо потужність компаратора високою, то протягом цього часу конденсатор буде заряджатися. З зарядом конденсатора напруга його клем буде поступово зростати, що видно на графіку.
• Як тільки напруга на клемі конденсатора досягне порогового значення, вихід компаратора буде переходити від високого до низького, як показано на графіку. І коли вихідний сигнал компаратора стає негативним, конденсатор починає розряджатися до нуля. Після того, як конденсатор повністю розрядиться через наявність від’ємної вихідної напруги, він знову заряджається, за винятком протилежного напрямку. Як ви можете бачити на графіку через негативну вихідну напругу, напруга конденсатора також зростає в негативному напрямку.
• Як тільки конденсатор заряджається до максимуму в негативному напрямку, компаратор перемикає вихід з негативного на позитивний. Як тільки вихід перемикається на позитивний цикл, конденсатор розряджається в негативному тракті і накопичує заряди в позитивному тракті, як показано на графіку.
• Отже, цикл заряду і розряду конденсатора в позитивному і негативному тракті запускає компаратор на виході, який показано вище, виробляє сигнал прямокутної хвилі.

Частота релаксаційного осцилятора

Очевидно, що частота коливань залежить від постійної часу C1 і R3 в ланцюзі. Більш високі значення C1 та R3 призведуть до збільшення тривалості заряду та розряду, що призведе до коливань нижчої частоти. Подібним чином менші значення будуть спричиняти коливання більш високої частоти.

Тут R1 і R2 також відіграють вирішальну роль у визначенні частоти вихідного сигналу. Це тому, що вони контролюють пороги напруги, до яких С1 потрібно зарядити. Наприклад, якщо поріг встановлений на 5 В, то С1 потрібно лише зарядити та розрядити до 5 В та -5 В відповідно. З іншого боку, якщо порогове значення встановлено на 10 В, тоді C1 необхідний для зарядки та розрядки до 10 В і -10 В.

Тож формула частоти генератора релаксації буде такою:

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

Тут K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Якщо резистори R1 і R2 рівні між собою, то

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Застосування релаксаційного осцилятора

Релаксаційний осцилятор можна використовувати в:

• Генератори сигналів
• Лічильники
• Схеми пам'яті
• Осцилятори контролю напруги
• Веселі схеми
• Осцилятори
• Мультивібратори.