Relaxační oscilátor pomocí op

Operační zesilovač je nedílnou součástí elektroniky a my jsme se dříve dozvěděli o operačních zesilovačích v různých obvodech založených na operačních zesilovačích a také jsme postavili mnoho obvodů oscilátorů pomocí operačních zesilovačů a dalších elektronických komponent.

Oscilátor obecně označuje obvod, který produkuje periodický a opakující se výstup, jako je sinusová vlna nebo čtvercová vlna. Oscilátor může být mechanická nebo elektronická konstrukce, která produkuje oscilaci v závislosti na několika proměnných. Dříve jsme se dozvěděli o mnoha populárních oscilátorech, jako je RC oscilátor fázového posuvu, Colpittsův oscilátor, oscilátor wein bridge atd. Dnes se dozvíte něco o relaxačním oscilátoru.

Relaxační oscilátor je ten, který splňuje všechny níže uvedené podmínky:

• Musí poskytovat nesinusový průběh (parametru napětí nebo proudu) na výstupu.
• Musí poskytovat na výstupu periodický signál nebo opakovaný signál, jako je trojúhelníková, čtvercová nebo obdélníková vlna.
• Obvod relaxačního oscilátoru musí být nelineární. To znamená, že návrh obvodu musí zahrnovat polovodičová zařízení, jako jsou tranzistor, MOSFET nebo OP-AMP.
• Návrh obvodu musí také zahrnovat zařízení pro akumulaci energie, jako je kondenzátor nebo induktor, které se nepřetržitě nabíjí a vybíjí, aby vytvořil cyklus. Frekvence nebo perioda kmitání pro takový oscilátor závisí na časové konstantě jejich příslušného kapacitního nebo indukčního obvodu.

Práce s relaxačním oscilátorem

Pro lepší pochopení relaxačního oscilátoru se nejprve podívejme na fungování jednoduchého mechanismu zobrazeného níže.

Zde zobrazený mechanismus je houpačka, kterou každý pravděpodobně zažil ve svém životě. Plank se pohybuje tam a zpět v závislosti na gravitační síle, kterou zažívají masy na obou koncích. Zjednodušeně řečeno, houpačka je komparátorem „hmoty“ a porovnává hmotnost předmětů umístěných na obou koncích prkna. Takže jakýkoli objekt má vyšší hmotu, dostane se na zem, zatímco objekt s nižší hmotností se zvedne do vzduchu.

V tomto nastavení houpačky budeme mít na jednom konci pevnou hmotnost „M“ a na druhém konci prázdnou nádobu, jak je znázorněno na obrázku. V tomto počátečním stavu bude hmota „M“ vyrovnána na zem a vědro bude zavěšeno do vzduchu na základě výše uvedeného principu houpačky.

Nyní, pokud otevřete kohoutek umístěný nad prázdným kbelíkem, začne voda plnit prázdný kbelík a tím se zvýší hmotnost celého zařízení.

A jakmile se kbelík zcela zaplní, bude celá hmota na straně kbelíku větší než pevná hmota „M“ umístěná na druhém konci. Prkno se tedy pohybuje podél osy, čímž přepravuje hmotu „M“ a uzemňuje nádobu na vodu.

Jakmile kbelík dopadne na zem, voda naplněná v kbelíku se úplně přelije na zem, jak je znázorněno na obrázku. Po rozlití se celková hmotnost na straně lopaty opět sníží ve srovnání s pevnou hmotou „M“. Prkno se tedy opět pohybuje podél osy, čímž se kbelík znovu posune do vzduchu pro další plnění.

Tento cyklus plnění a rozlití pokračuje, dokud není přítomen zdroj vody, který naplní vědro. A díky tomuto cyklu se prkno pohybuje podél osy v pravidelných intervalech, čímž poskytuje oscilační výstup.

Pokud nyní porovnáme mechanické součásti s elektrickými, pak ano.

• Kbelík lze považovat za zařízení k akumulaci energie, kterým je buď kondenzátor, nebo induktor.
• Houpačka je komparátor nebo operační zesilovač používaný k porovnání napětí kondenzátoru a reference.
• Pro jmenovité srovnání hodnoty kondenzátoru se použije referenční napětí.
• Tok vody zde lze označit jako elektrický náboj.

Relaxační oscilátorový obvod

Pokud nakreslíme ekvivalentní elektrický obvod pro výše uvedený mechanismus houpačky, dostaneme Relaxation Oscillator Circuit, jak je znázorněno níže :

Fungování tohoto relaxačního oscilátoru Op-amp lze vysvětlit takto:

• Jakmile je kohoutek zapnutý, voda teče do kbelíku na vodu, čímž se pomalu plní.
• Po úplném naplnění kbelíku na vodu bude celá hmota na straně kbelíku větší než pevná hmota „M“ umístěná na druhém konci. Jakmile k tomu dojde, prkno posune své pozice na kompromitivnější místo.
• Po úplném vylití vody se celková hmotnost na straně lopaty opět sníží ve srovnání s pevnou hmotou „M“. Hřídel se tedy opět přesune do své původní polohy.
• Po předchozím výdeji se kbelík znovu naplní vodou a tento cyklus pokračuje navždy, dokud z kohoutku neteče voda.

Pokud nakreslíme graf pro výše uvedený případ, bude vypadat přibližně takto:

Tady,

• Zpočátku, pokud považujeme výstup komparátoru za vysoký, pak se během této doby bude kondenzátor nabíjet. S nabíjením kondenzátoru bude jeho koncové napětí postupně stoupat, což je vidět na grafu.
• Jakmile napětí na svorce kondenzátoru dosáhne prahové hodnoty, výstup komparátoru poklesne z vysokého na nízký, jak je znázorněno v grafu. A když je výstup komparátoru záporný, kondenzátor se začne vybíjet na nulu. Poté, co se kondenzátor zcela vybije kvůli přítomnosti záporného výstupního napětí, znovu se nabíjí s výjimkou opačného směru. Jak vidíte na grafu kvůli zápornému výstupnímu napětí, napětí kondenzátoru také stoupá v záporném směru.
• Jakmile se kondenzátor nabije na maximum v záporném směru, komparátor přepne výstup z negativního na pozitivní. Jakmile se výstup přepne do pozitivního cyklu, kondenzátor se vybije v záporné cestě a vytvoří náboje v kladné cestě, jak je znázorněno v grafu.
• Takže cyklus nabíjení a vybíjení kondenzátoru v kladných a záporných drahách spouští komparátor, který na výstupu, který je zobrazen výše, produkuje obdélníkový signál.

Frekvence relaxačního oscilátoru

Frekvence oscilace samozřejmě závisí na časové konstantě C1 a R3 v obvodu. Vyšší hodnoty C1 a R3 povedou k delší rychlosti nabíjení a vybíjení, což způsobí oscilace s nižší frekvencí. Podobně menší hodnoty způsobí vyšší kmitání kmitočtu.

Zde R1 a R2 také hrají rozhodující roli při určování frekvence výstupního průběhu. Je to proto, že řídí prahové hodnoty napětí, které musí C1 nabít. Například pokud je prahová hodnota nastavena na 5V, pak C1 potřebuje pouze nabíjet a vybíjet až 5V, respektive -5V. Na druhou stranu, pokud je prahová hodnota nastavena na 10 V, pak je k nabíjení a vybíjení na 10 V a -10 V zapotřebí C1.

Takže Relaxační frekvence oscilátoru Formula bude:

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

Zde K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Pokud jsou odpory R1 a R2 navzájem stejné, pak

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Aplikace relaxačního oscilátoru

Relaxační oscilátor lze použít v:

• Generátory signálu
• Počítadla
• Paměťové obvody
• Oscilátory pro řízení napětí
• Zábavné obvody
• Oscilátory
• Multi-vibrátory.