Entspannungsoszillator mit op

Operationsverstärker sind ein wesentlicher Bestandteil der Elektronik, und wir haben zuvor in verschiedenen auf Operationsverstärkern basierenden Schaltkreisen etwas über Operationsverstärker gelernt und auch viele Oszillatorschaltungen unter Verwendung von Operationsverstärkern und anderen elektronischen Komponenten gebaut.

Oszillator bezieht sich im Allgemeinen auf die Schaltung, die eine periodische und sich wiederholende Ausgabe wie eine Sinus- oder Rechteckwelle erzeugt. Ein Oszillator kann eine mechanische oder elektronische Konstruktion sein, die in Abhängigkeit von einigen Variablen eine Schwingung erzeugt. Früher haben wir viele beliebte Oszillatoren wie den RC-Phasenverschiebungsoszillator, den Colpitts-Oszillator, den Weinbrückenoszillator usw. kennengelernt. Heute lernen wir einen Relaxationsoszillator kennen.

Ein Relaxationsoszillator ist derjenige, der alle folgenden Bedingungen erfüllt:

• Es muss eine nicht sinusförmige Wellenform (entweder mit Spannungs- oder Stromparametern) am Ausgang bereitstellen.
• Es muss ein periodisches Signal oder ein sich wiederholendes Signal wie eine Dreieck-, Rechteck- oder Rechteckwelle am Ausgang liefern.
• Die Schaltung eines Relaxationsoszillators muss nichtlinear sein. Das bedeutet, dass das Design der Schaltung Halbleiterbauelemente wie Transistor, MOSFET oder OP-AMP umfassen muss.
• Das Schaltungsdesign muss auch eine Energiespeichervorrichtung wie einen Kondensator oder Induktor beinhalten, die kontinuierlich geladen und entladen wird, um einen Zyklus zu erzeugen. Die Frequenz oder Periode der Schwingung für einen solchen Oszillator hängt von der Zeitkonstante ihrer jeweiligen kapazitiven oder induktiven Schaltung ab.

Arbeiten eines Relaxationsoszillators

Lassen Sie uns zum besseren Verständnis des Relaxationsoszillators zunächst die Funktionsweise eines einfachen Mechanismus untersuchen, der unten gezeigt wird.

Der hier gezeigte Mechanismus ist eine Wippe, die wahrscheinlich jeder in seinem Leben erlebt hat. Die Planke bewegt sich in Abhängigkeit von der Gravitationskraft, die die Massen an beiden Enden erfahren, hin und her. In einfachen Worten ist die Wippe ein Komparator für 'Masse' und vergleicht die Masse von Objekten, die an beiden Enden der Diele platziert sind. Welches Objekt eine höhere Masse hat, wird auf den Boden ausgerichtet, während das Objekt mit der niedrigeren Masse in die Luft gehoben wird.

In dieser Wippkonfiguration haben wir an einem Ende eine feste Masse 'M' und am anderen Ende einen leeren Eimer, wie in der Abbildung gezeigt. In diesem Anfangszustand wird die Masse 'M' auf den Boden ausgerichtet und der Eimer wird auf der Grundlage des oben diskutierten Wippprinzips in die Luft gehängt.

Wenn Sie nun den Hahn über dem leeren Eimer aufdrehen, füllt das Wasser den leeren Eimer und erhöht dadurch die Masse des gesamten Aufbaus.

Und sobald der Eimer vollständig gefüllt ist, ist die gesamte Masse auf der Eimerseite größer als die feste Masse 'M' am anderen Ende. Die Planke bewegt sich also entlang der Achse, wodurch die Masse 'M' angehoben und der Wassereimer geerdet wird.

Sobald der Eimer den Boden berührt, wird das in den Eimer gefüllte Wasser vollständig auf den Boden verschüttet, wie in der Abbildung gezeigt. Nach dem Verschütten wird die Gesamtmasse auf der Eimerseite im Vergleich zur festen Masse 'M' wieder geringer. Die Planke bewegt sich also wieder entlang der Achse, wodurch der Eimer für eine weitere Füllung wieder in die Luft bewegt wird.

Dieser Zyklus des Befüllens und Verschüttens geht weiter, bis die Wasserquelle vorhanden ist, um den Eimer zu füllen. Und aufgrund dieses Zyklus bewegt sich die Diele in periodischen Intervallen entlang der Achse, wodurch eine Schwingungsausgabe entsteht.

Wenn wir nun die mechanischen Komponenten mit den elektrischen Komponenten vergleichen, dann haben wir.

• Der Löffel kann als Energiespeichervorrichtung betrachtet werden, die entweder ein Kondensator oder eine Induktivität ist.
• Wippe ist ein Komparator oder ein Operationsverstärker, der zum Vergleichen der Spannungen von Kondensator und Referenz verwendet wird.
• Die Referenzspannung wird zum nominalen Vergleich des Kondensatorwerts herangezogen.
• Der Wasserfluss kann hier als elektrische Ladung bezeichnet werden.

Relaxationsoszillatorschaltung

Wenn wir das Ersatzschaltbild für den obigen Wippmechanismus zeichnen, erhalten wir den Relaxationsoszillator-Schaltkreis wie unten gezeigt :

Die Funktionsweise dieses Operationsverstärker-Relaxationsoszillators kann wie folgt erklärt werden:

• Sobald der Wasserhahn aufgedreht ist, fließt das Wasser in einen Wassereimer und füllt ihn langsam.
• Nachdem der Wassereimer vollständig gefüllt ist, ist die gesamte Masse auf der Eimerseite größer als die feste Masse 'M' am anderen Ende. Sobald dies geschieht, verschiebt die Planke ihre Positionen an einen kompromissloseren Ort.
• Nachdem das Wasser vollständig verschüttet ist, wird die Gesamtmasse auf der Eimerseite im Vergleich zur festen Masse 'M' wieder geringer. Die Welle bewegt sich also wieder in ihre Ausgangsposition.
• Wieder wird der Eimer nach dem vorherigen Auffüllen mit Wasser gefüllt und dieser Zyklus wird für immer fortgesetzt, bis Wasser aus dem Wasserhahn fließt.

Wenn wir das Diagramm für den obigen Fall zeichnen, sieht es ungefähr so ​​aus:

Hier,

• Wenn wir zunächst davon ausgehen, dass der Ausgang des Komparators hoch ist, wird der Kondensator während dieser Zeit aufgeladen. Mit dem Laden des Kondensators steigt seine Klemmenspannung allmählich an, was in der Grafik zu sehen ist.
• Sobald die Kondensatorklemmenspannung den Schwellenwert erreicht, wechselt der Komparatorausgang von hoch nach niedrig, wie in der Grafik gezeigt. Und wenn der Komparatorausgang negativ wird, beginnt sich der Kondensator auf Null zu entladen. Nachdem sich der Kondensator aufgrund einer negativen Ausgangsspannung vollständig entladen hat, lädt er sich wieder auf, außer in die entgegengesetzte Richtung. Wie Sie in der Grafik sehen können, steigt die Kondensatorspannung aufgrund der negativen Ausgangsspannung auch in negativer Richtung an.
• Sobald sich der Kondensator in negativer Richtung maximal aufgeladen hat, schaltet der Komparator den Ausgang von negativ auf positiv um. Sobald der Ausgang auf einen positiven Zyklus umschaltet, entlädt sich der Kondensator im negativen Pfad und baut im positiven Pfad Ladungen auf, wie in der Grafik gezeigt.
• Der Zyklus des Ladens und Entladens des Kondensators in positiven und negativen Pfaden löst also aus, dass der Komparator am oben gezeigten Ausgang ein Rechtecksignal erzeugt.

Frequenz des Relaxationsoszillators

Offensichtlich hängt die Schwingungsfrequenz von der Zeitkonstante von C1 und R3 in der Schaltung ab. Höhere Werte von C1 und R3 führen zu längeren Lade- und Entladeraten, wodurch Schwingungen mit niedrigerer Frequenz erzeugt werden. In ähnlicher Weise erzeugen kleinere Werte Schwingungen mit höherer Frequenz.

Hier spielen auch R1 und R2 eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Frequenz der Ausgangswellenform. Dies liegt daran, dass sie die Spannungsschwellen steuern, bis zu denen der C1 aufgeladen werden muss. Wenn beispielsweise der Schwellenwert auf 5 V eingestellt ist, muss C1 nur bis zu 5 V bzw. -5 V laden und entladen. Wenn andererseits der Schwellenwert auf 10 V eingestellt ist, wird C1 benötigt, um auf 10 V und -10 V zu laden und zu entladen.

Die Frequenzformel für den Relaxationsoszillator lautet also:

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

Hier ist K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind, dann

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Anwendung des Relaxationsoszillators

Der Relaxationsoszillator kann verwendet werden in:

• Signalgeneratoren
• Zähler
• Speicherschaltungen
• Spannungsregelungsoszillatoren
• Fun-Schaltungen
• Oszillatoren
• Multi-Vibratoren.