oscillator ผ่อนคลายโดยใช้ op

แอมพลิฟายเออร์ในการทำงานเป็นส่วนหนึ่งของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และก่อนหน้านี้เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับ Op-amps ในวงจรที่ใช้ op-amp ต่างๆและยังสร้างวงจรออสซิลเลเตอร์จำนวนมากโดยใช้ op-amp และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ

ออสซิลเลเตอร์โดยทั่วไปหมายถึงวงจรที่สร้างเอาต์พุตเป็นระยะและซ้ำ ๆ เช่นคลื่นไซน์หรือคลื่นสี่เหลี่ยม ออสซิลเลเตอร์อาจเป็นโครงสร้างทางกลหรือทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำให้เกิดการสั่นขึ้นอยู่กับตัวแปรบางตัว ก่อนหน้านี้เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับ oscillators นิยมมากมายเช่นเฟส RC oscillator กะ Colpitts oscillator, Wein สะพาน oscillator ฯลฯ วันนี้เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับOscillator ผ่อนคลาย

oscillator ผ่อนคลายเป็นคนที่น่าพอใจด้านล่างทั้งหมดเงื่อนไข:

• ต้องจัดเตรียมรูปคลื่นที่ไม่ใช่ซายน์ (ของพารามิเตอร์แรงดันหรือกระแส) ที่เอาต์พุต
• ต้องให้สัญญาณเป็นระยะหรือสัญญาณซ้ำ ๆ เช่นคลื่นสามเหลี่ยมสี่เหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยมที่เอาต์พุต
• วงจรของออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลายต้องเป็นแบบไม่เชิงเส้น นั่นหมายความว่าการออกแบบวงจรจะต้องเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เช่นทรานซิสเตอร์มอสเฟตหรือ OP-AMP
• การออกแบบวงจรจะต้องเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์เก็บพลังงานเช่น Capacitor หรือ Inductor ซึ่งชาร์จและคายประจุอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างวงจร ความถี่หรือช่วงเวลาของการสั่นของออสซิลเลเตอร์ดังกล่าวขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของเวลาของวงจร capacitive หรืออุปนัยตามลำดับ

การทำงานของเครื่องสั่นแบบผ่อนคลาย

เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับ Relaxation Oscillator ก่อนอื่นเรามาดูการทำงานของกลไกง่ายๆที่แสดงด้านล่าง

กลไกที่แสดงในที่นี้คือกระดานหกที่ทุกคนคงเคยสัมผัสมาในชีวิต ไม้กระดานเคลื่อนที่ไปมาขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วงที่มวลสัมผัสกับปลายทั้งสองข้าง ในแง่ง่ายๆที่แกว่งไปแกว่งมาเป็นตัวเปรียบเทียบของมวลและจะเปรียบเทียบมวลของวัตถุที่วางอยู่บนปลายทั้งสองของไม้กระดานดังนั้นวัตถุใดที่มีมวลสูงกว่าจะได้รับการปรับระดับลงสู่พื้นในขณะที่วัตถุมวลล่างยกขึ้นสู่อากาศ

ในการตั้งค่ากระดานหกนี้เราจะมีมวลคงที่ 'M' ที่ปลายด้านหนึ่งและถังเปล่าที่ปลายอีกด้านหนึ่งดังแสดงในรูป ในสถานะเริ่มต้นนี้มวล 'M' จะถูกปรับระดับลงสู่พื้นและถังจะถูกแขวนไว้ในอากาศตามหลักการกระดานหกที่กล่าวไว้ข้างต้น

ตอนนี้หากเปิดก๊อกที่วางไว้เหนือถังเปล่าน้ำจะเริ่มเติมถังเปล่าและด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มมวลของการตั้งค่าทั้งหมด

และเมื่อถังเต็มแล้วมวลทั้งหมดที่ด้านถังจะมากกว่ามวลคงที่ 'M' ที่วางไว้ที่ปลายอีกด้าน ดังนั้นไม้กระดานจึงเคลื่อนที่ไปตามแกนจึงเคลื่อนย้ายมวล 'M' และวางถังน้ำลงดิน

เมื่อถังกระแทกพื้นน้ำที่บรรจุในถังจะหกลงสู่พื้นอย่างสมบูรณ์ดังแสดงในรูป หลังจากการรั่วไหลมวลรวมที่ด้านข้างของถังจะน้อยลงอีกครั้งเมื่อเทียบกับมวลคงที่ 'M' ดังนั้นอีกครั้งไม้กระดานเคลื่อนที่ไปตามแกนดังนั้นจึงเลื่อนถังไปที่อากาศอีกครั้งเพื่อเติมอีกครั้ง

วงจรของการเติมและการรั่วไหลนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าจะมีแหล่งน้ำที่จะเติมถัง และเนื่องจากวัฏจักรนี้ไม้กระดานจึงเคลื่อนที่ไปตามแกนโดยมีช่วงเวลาเป็นระยะจึงให้เอาต์พุตการสั่น

ตอนนี้ถ้าเราเปรียบเทียบส่วนประกอบทางกลกับส่วนประกอบทางไฟฟ้าเราก็มี

• ถังถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานซึ่งเป็นทั้งตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำ
• Seesaw เป็นตัวเปรียบเทียบหรือ op-amp ที่ใช้สำหรับเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุและข้อมูลอ้างอิง
• แรงดันอ้างอิงถูกนำมาใช้เพื่อเปรียบเทียบค่าตัวเก็บประจุเล็กน้อย
• การไหลของน้ำที่นี่สามารถเรียกได้ว่าเป็นประจุไฟฟ้า

วงจรสั่นผ่อนคลาย

หากเราวาดวงจรไฟฟ้าที่เท่ากันสำหรับกลไกกระดานหกข้างต้นเราจะได้วงจร Relaxation Oscillatorดังที่แสดงด้านล่าง:

การทำงานของOp-amp Relaxation Oscillatorนี้สามารถอธิบายได้ดังนี้:

• เมื่อเปิดก๊อกน้ำจะไหลลงถังน้ำจึงค่อยๆเติมลงไป
• หลังจากเติมถังน้ำจนหมดแล้วมวลทั้งหมดที่ด้านข้างถังจะมากกว่ามวลคงที่ 'M' ที่วางไว้ที่ปลายอีกด้าน เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นไม้กระดานจะเปลี่ยนตำแหน่งไปยังจุดที่ประนีประนอมมากขึ้น
• หลังจากน้ำหกออกหมดแล้วมวลรวมที่ด้านข้างถังจะน้อยลงอีกครั้งเมื่อเทียบกับมวลคงที่ 'M' ดังนั้นเพลาจะเคลื่อนที่อีกครั้งไปยังตำแหน่งเริ่มต้น
• อีกครั้งที่ถังจะเต็มไปด้วยน้ำหลังจากการปัดเป่าครั้งก่อนและวงจรนี้จะดำเนินต่อไปตลอดไปจนกว่าจะมีน้ำไหลจากก๊อก

หากเราวาดกราฟสำหรับกรณีข้างต้นมันจะมีลักษณะดังนี้:

ที่นี่

• ในขั้นต้นถ้าเราพิจารณาว่าเอาท์พุตของตัวเปรียบเทียบนั้นสูงในช่วงเวลานี้ตัวเก็บประจุจะชาร์จ ด้วยการชาร์จตัวเก็บประจุแรงดันเทอร์มินัลจะค่อยๆสูงขึ้นซึ่งสามารถเห็นได้ในกราฟ
• เมื่อแรงดันขั้วของตัวเก็บประจุถึงเกณฑ์เอาต์พุตตัวเปรียบเทียบจะเปลี่ยนจากสูงไปต่ำดังที่แสดงในกราฟ และเมื่อเอาท์พุทตัวเปรียบเทียบเป็นลบตัวเก็บประจุจะเริ่มคายประจุเป็นศูนย์ หลังจากที่ตัวเก็บประจุระบายออกอย่างสมบูรณ์เนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้าขาออกเป็นลบมันจะชาร์จอีกครั้งยกเว้นในทิศทางตรงกันข้าม ดังที่คุณเห็นในกราฟเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าขาออกที่เป็นลบแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นในทิศทางลบด้วย
• เมื่อตัวเก็บประจุประจุสูงสุดในทิศทางลบตัวเปรียบเทียบจะเปลี่ยนเอาต์พุตจากลบเป็นบวก เมื่อเอาต์พุตเปลี่ยนเป็นวงจรบวกตัวเก็บประจุจะปล่อยประจุในเส้นทางลบและสร้างประจุในเส้นทางบวกดังที่แสดงในกราฟ
• ดังนั้นวัฏจักรของประจุตัวเก็บประจุและการคายประจุในเส้นทางบวกและลบทำให้เครื่องเปรียบเทียบสร้างสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยมที่เอาต์พุตซึ่งแสดงไว้ด้านบน

ความถี่ของการผ่อนคลาย Oscillator

เห็นได้ชัดว่าความถี่ของการสั่นขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของเวลาของ C1 และ R3 ในวงจร ค่า C1 และ R3 ที่สูงขึ้นจะนำไปสู่อัตราการชาร์จและการคายประจุที่ยาวนานขึ้นซึ่งจะทำให้เกิดการสั่นของความถี่ที่ต่ำลง ในทำนองเดียวกันค่าที่น้อยกว่าจะทำให้เกิดการสั่นของความถี่ที่สูงขึ้น

ที่นี่ R1 และ R2 ยังมีบทบาทสำคัญในการกำหนดความถี่ของรูปคลื่นเอาต์พุต นี่เป็นเพราะพวกเขาควบคุมเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าที่ C1 ต้องใช้ในการชาร์จ ตัวอย่างเช่นหากเกณฑ์ตั้งค่าเป็น 5V ดังนั้น C1 จะต้องชาร์จและคายประจุสูงสุด 5V และ -5V ตามลำดับ ในทางกลับกันถ้าเกณฑ์ถูกตั้งค่าเป็น 10V จำเป็นต้องใช้ C1 เพื่อชาร์จและคายประจุเป็น 10V และ -10V

ดังนั้นสูตร Relaxation Oscillator Frequencyจะเป็น:

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

ที่นี่ K = R ₂ / R ₁ + R ₂

ถ้าตัวต้านทาน R1 และ R2 มีค่าเท่ากันดังนั้น

f = 1 / 2.2 x R ₃ x C ₁

การประยุกต์ใช้ Relaxation Oscillator

Relaxation Oscillator สามารถใช้ใน:

• เครื่องกำเนิดสัญญาณ
• เคาน์เตอร์
• วงจรหน่วยความจำ
• ออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า
• วงจรสนุก
• ออสซิลเลเตอร์
• เครื่องสั่นหลายตัว