Relaxatie-oscillator met op

Operationele versterker is een integraal onderdeel van elektronica en we hebben eerder geleerd over op-amps in verschillende op-amp-gebaseerde circuits en hebben ook veel oscillatorcircuits gebouwd met behulp van op-amp en andere elektronische componenten.

Oscillator verwijst over het algemeen naar het circuit dat periodieke en repetitieve uitvoer produceert zoals een sinusgolf of blokgolf. Een oscillator kan een mechanische of elektronische constructie zijn die oscillatie produceert, afhankelijk van een paar variabelen. Eerder leerden we over veel populaire oscillatoren zoals RC Phase shift oscillator, Colpitts oscillator, wein bridge oscillator, enz. Vandaag zullen we leren over een Relaxation Oscillator.

Een relaxatie-oscillator is degene die aan alle onderstaande voorwaarden voldoet:

• Het moet aan de uitgang een niet-sinusvormige golfvorm (van ofwel spanning of stroomparameter) leveren.
• Het moet een periodiek signaal of een herhalend signaal geven, zoals een driehoekige, vierkante of rechthoekige golf aan de uitgang.
• Het circuit van een relaxatie-oscillator moet niet-lineair zijn. Dat betekent dat het ontwerp van het circuit halfgeleiderapparaten zoals transistor, MOSFET of OP-AMP moet omvatten.
• Het circuitontwerp moet ook een energieopslagapparaat omvatten, zoals een condensator of inductor die continu wordt opgeladen en ontladen om een ​​cyclus te produceren. De frequentie of periode van oscillatie voor een dergelijke oscillator hangt af van de tijdconstante van hun respectieve capacitieve of inductieve schakeling.

Werking van een relaxatie-oscillator

Laten we voor een beter begrip van de Relaxation Oscillator eerst kijken naar de werking van een eenvoudig mechanisme dat hieronder wordt getoond.

Het hier getoonde mechanisme is een wip die waarschijnlijk iedereen in zijn leven heeft meegemaakt. De plank beweegt heen en weer, afhankelijk van de zwaartekracht die de massa aan beide uiteinden ervaart. In eenvoudige bewoordingen is de wip een vergelijker van 'massa' en vergelijkt hij de massa van objecten die op beide uiteinden van de plank zijn geplaatst. Dus welk object een hogere massa heeft, wordt op de grond genivelleerd terwijl het object met een lagere massa naar de lucht wordt getild.

In deze wipopstelling hebben we een vaste massa 'M' aan het ene uiteinde en een lege emmer aan het andere uiteinde, zoals weergegeven in de afbeelding. In deze begintoestand wordt de massa 'M' met de grond gelijk gemaakt en wordt de emmer in de lucht gehangen op basis van het hierboven besproken wipprincipe.

Als u nu de kraan boven de lege emmer opendraait, begint het water de lege emmer te vullen en daarmee de massa van de hele opstelling te vergroten.

En als de emmer eenmaal helemaal vol is, zal de hele massa aan de emmerzijde meer zijn dan de vaste massa 'M' aan de andere kant. Dus de plank beweegt langs de as waardoor de Mass 'M' met de lucht wordt opgetild en de wateremmer wordt geaard.

Zodra de emmer de grond raakt, wordt het water dat in de emmer wordt gevuld, volledig op de grond gemorst, zoals weergegeven in de afbeelding. Na het morsen zal de totale massa aan de bakzijde weer minder worden ten opzichte van de vaste massa 'M'. Dus opnieuw beweegt de plank langs de as, waardoor de emmer weer in de lucht wordt geschoven voor een nieuwe vulling.

Deze cyclus van vullen en morsen gaat door totdat de waterbron aanwezig is om de emmer te vullen. En vanwege deze cyclus beweegt de plank met periodieke intervallen langs de as, waardoor een oscillatie-output ontstaat.

Als we de mechanische componenten nu vergelijken met elektrische componenten, dan hebben we dat.

• De emmer kan worden beschouwd als een energieopslagapparaat dat een condensator of een inductor is.
• Seesaw is een comparator of een op-amp die wordt gebruikt voor het vergelijken van de spanningen van condensator en referentie.
• Referentiespanning wordt genomen voor nominale vergelijking van condensatorwaarde.
• De waterstroom kan hier worden aangeduid als een elektrische lading.

Ontspanning oscillatorcircuit

Als we het equivalente elektrische circuit voor het bovenstaande wipmechanisme tekenen, krijgen we het Relaxation Oscillator Circuit zoals hieronder weergegeven :

De werking van deze Op-amp Relaxation Oscillator kan als volgt worden uitgelegd:

• Als de kraan eenmaal is opengedraaid, stroomt het water in een wateremmer, waardoor deze langzaam wordt gevuld.
• Nadat de wateremmer volledig is gevuld, zal de hele massa aan de emmerzijde meer zijn dan de vaste massa 'M' die aan het andere uiteinde is geplaatst. Zodra dit gebeurt, verschuift de plank zijn posities naar een meer compromitterende plek.
• Nadat het water volledig is weggespoeld, wordt de totale massa aan de bakzijde weer kleiner ten opzichte van de vaste massa 'M'. De as zal dus weer naar zijn oorspronkelijke positie bewegen.
• Wederom wordt de emmer gevuld met water na de vorige verdrijving en deze cyclus gaat voor altijd door totdat er water uit de kraan stroomt.

Als we de grafiek voor het bovenstaande geval tekenen, ziet deze er ongeveer zo uit:

Hier,

• Als we aanvankelijk bedenken dat de output van de comparator hoog is, wordt de condensator gedurende deze tijd opgeladen. Met het opladen van de condensator zal de klemspanning geleidelijk stijgen, wat te zien is in de grafiek.
• Zodra de spanning van de condensatorklem de drempel bereikt, gaat de uitgang van de comparator van hoog naar laag, zoals weergegeven in de grafiek. En wanneer de uitgang van de comparator negatief wordt, begint de condensator te ontladen tot nul. Nadat de condensator volledig is ontladen vanwege de aanwezigheid van een negatieve uitgangsspanning, wordt deze opnieuw opgeladen, behalve in de tegenovergestelde richting. Zoals je in de grafiek kunt zien door de negatieve uitgangsspanning, stijgt de condensatorspanning ook in negatieve richting.
• Zodra de condensator in een negatieve richting maximaal is opgeladen, schakelt de comparator de uitvoer van negatief naar positief. Zodra de uitgang overschakelt naar een positieve cyclus, ontlaadt de condensator zich in het negatieve pad en bouwt ladingen op in het positieve pad, zoals weergegeven in de grafiek.
• Dus de cyclus van laden en ontladen van de condensator in positieve en negatieve paden triggert de comparator en produceert een blokgolfsignaal aan de uitgang die hierboven wordt weergegeven.

Frequentie van relaxatie-oscillator

De oscillatiefrequentie hangt duidelijk af van de tijdconstante van C1 en R3 in het circuit. Hogere waarden van C1 en R3 zullen leiden tot langere laad- en ontlaadsnelheden, waardoor oscillaties met lagere frequentie worden geproduceerd. Evenzo zullen kleinere waarden oscillaties met een hogere frequentie produceren.

Hier spelen R1 en R2 ook een cruciale rol bij het bepalen van de frequentie van de uitgangsgolfvorm. Dit komt omdat ze de spanningsdrempels regelen waartoe de C1 moet opladen. Als de drempel bijvoorbeeld is ingesteld op 5V, hoeft de C1 alleen te laden en te ontladen tot respectievelijk 5V en -5V. Aan de andere kant, als de drempel is ingesteld op 10V, is C1 nodig om op te laden en te ontladen tot 10V en -10V.

Dus de frequentieformule van de relaxatie-oscillator zal zijn:

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

Hier, K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Als de weerstanden R1 en R2 gelijk zijn aan elkaar, dan

f = 1 / 2.2 x R ₃ x C ₁

Toepassing van relaxatie-oscillator

Relaxation Oscillator kan worden gebruikt in:

• Signaalgeneratoren
• Tellers
• Geheugenschakelingen
• Spanningsregeling oscillatoren
• Leuke circuits
• Oscillatoren
• Multi-vibrators.