Осциллятор релаксации с использованием op

Операционный усилитель является неотъемлемой частью Electronics, и мы ранее узнали об операционных усилителях в различных схемах на основе операционных усилителей, а также построили множество схем генераторов с использованием операционных усилителей и других электронных компонентов.

Осциллятор обычно относится к схеме, которая производит периодический и повторяющийся выходной сигнал, такой как синусоидальная или прямоугольная волна. Генератор может быть механической или электронной конструкцией, которая производит колебания в зависимости от нескольких переменных. Ранее мы узнали о многих популярных осцилляторах, таких как RC-осциллятор с фазовым сдвигом, осциллятор Колпитца, осциллятор моста Вайна и т. Д. Сегодня мы узнаем о осцилляторе релаксации.

Релаксационный генератор является тот, который удовлетворяет все условия ниже:

• Он должен обеспечивать на выходе несинусоидальную форму волны (параметра напряжения или тока).
• Он должен обеспечивать на выходе периодический сигнал или повторяющийся сигнал, например треугольную, квадратную или прямоугольную волну.
• Схема релаксационного генератора должна быть нелинейной. Это означает, что конструкция схемы должна включать полупроводниковые устройства, такие как транзистор, полевой МОП-транзистор или операционный усилитель.
• Конструкция схемы также должна включать в себя устройство накопления энергии, такое как конденсатор или индуктор, которое непрерывно заряжается и разряжается для создания цикла. Частота или период колебаний такого генератора зависит от постоянной времени соответствующего емкостного или индуктивного контура.

Работа осциллятора релаксации

Чтобы лучше понять осциллятор релаксации, давайте сначала рассмотрим работу простого механизма, показанного ниже.

Показанный здесь механизм - это качели, с которыми, вероятно, сталкивался каждый в своей жизни. Планка движется вперед и назад в зависимости от силы тяжести, испытываемой массами с обеих сторон. Проще говоря, качели - это компаратор «Масса», который сравнивает массу объектов, размещенных на обоих концах доски. Таким образом, любой объект, имеющий большую массу, выравнивается по земле, а объект с меньшей массой поднимается в воздух.

В этой установке качелей у нас будет фиксированная масса «M» на одном конце и пустое ведро на другом конце, как показано на рисунке. В этом начальном состоянии масса «М» будет прижата к земле, и ковш будет подвешен в воздухе на основе принципа качелей, описанного выше.

Теперь, если открыть кран, расположенный над пустым ведром, вода начнет заполнять пустое ведро, увеличивая тем самым массу всей установки.

И как только ковш будет полностью заполнен, вся масса со стороны ковша будет больше, чем фиксированная масса «M» на другом конце. Таким образом, планка перемещается вдоль оси, тем самым поднимая массу «M» и заземляя ведро с водой.

Как только ведро ударяется о землю, вода, наполненная ведром, полностью выливается на землю, как показано на рисунке. После разлива общая масса со стороны ковша снова станет меньше по сравнению с фиксированной массой «M». Итак, доска снова перемещается вдоль оси, тем самым снова перемещая ведро в воздух для следующего наполнения.

Этот цикл наполнения и разлива продолжается до тех пор, пока не появится источник воды для наполнения ведра. И из-за этого цикла доска перемещается вдоль оси с периодическими интервалами, создавая колебательный выход.

Теперь, если мы сравним механические компоненты с электрическими компонентами, то получим.

• Ковш можно рассматривать как накопитель энергии, который представляет собой либо конденсатор, либо индуктор.
• Качели является компаратор или операционный усилитель используется для сравнения напряжения конденсатора и ссылки.
• Опорное напряжение берется для номинального значения сравнения конденсатора.
• Водный поток здесь можно назвать электрическим зарядом.

Схема генератора релаксации

Если мы нарисуем эквивалентную электрическую схему для вышеупомянутого механизма качелей, мы получим схему осциллятора релаксации, как показано ниже :

Рабочая этого ОУ релаксации Осциллятор можно объяснить следующим образом:

• После открытия крана вода перетекает в ведро с водой, тем самым медленно наполняя его.
• После того, как ведро с водой будет полностью заполнено, вся масса со стороны ведра будет больше, чем фиксированная масса «M», установленная на другом конце. Как только это происходит, доска перемещается в более опасное место.
• После того, как вода будет полностью вылита, общая масса на стороне ведра снова станет меньше по сравнению с фиксированной массой «M». Таким образом, вал снова переместится в исходное положение.
• После предыдущего слива ведро снова наполняется водой, и этот цикл продолжается вечно, пока из-под крана не потечет вода.

Если мы нарисуем график для вышеуказанного случая, он будет выглядеть примерно так:

Вот,

• Первоначально, если мы считаем, что выходной сигнал компаратора высокий, то в это время конденсатор будет заряжаться. По мере зарядки конденсатора напряжение на его клеммах будет постепенно повышаться, что видно на графике.
• Как только напряжение на клеммах конденсатора достигнет порогового значения, выходной сигнал компаратора изменится с высокого на низкий, как показано на графике. А когда выход компаратора становится отрицательным, конденсатор начинает разряжаться до нуля. После того, как конденсатор полностью разрядится из-за наличия отрицательного выходного напряжения, он снова заряжается, но не в обратном направлении. Как вы можете видеть на графике, из-за отрицательного выходного напряжения напряжение конденсатора также возрастает в отрицательном направлении.
• Как только конденсатор заряжается до максимума в отрицательном направлении, компаратор переключает выход с отрицательного на положительный. Когда выход переключается на положительный цикл, конденсатор разряжается в отрицательном направлении и накапливает заряды в положительном направлении, как показано на графике.
• Таким образом, цикл заряда и разряда конденсатора в положительном и отрицательном путях запускает компаратор, вырабатывающий прямоугольный сигнал на выходе, который показан выше.

Частота релаксации осциллятора

Очевидно, что частота колебаний зависит от постоянной времени C1 и R3 в цепи. Более высокие значения C1 и R3 приведут к увеличению скорости заряда и разряда, что приведет к колебаниям с меньшей частотой. Точно так же меньшие значения вызовут колебания с большей частотой.

Здесь R1 и R2 также играют решающую роль в определении частоты выходного сигнала. Это связано с тем, что они контролируют пороговые значения напряжения, до которых требуется зарядка C1. Например, если порог установлен на 5 В, то C1 нужно только заряжать и разряжать до 5 В и -5 В соответственно. С другой стороны, если порог установлен на 10 В, то C1 необходим для зарядки и разрядки до 10 В и -10 В.

Таким образом, формула частоты осциллятора релаксации будет следующей:

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

Здесь K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Если резисторы R1 и R2 равны друг другу, то

f = 1 / 2.2 x R ₃ x C ₁

Применение осциллятора релаксации

Осциллятор релаксации можно использовать в:

• Генераторы сигналов
• Счетчики
• Схемы памяти
• Генераторы контроля напряжения
• Веселые схемы
• Осцилляторы
• Мультивибраторы.