Ταλαντωτής χαλάρωσης χρησιμοποιώντας op

Ο λειτουργικός ενισχυτής αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της Ηλεκτρονικής και προηγουμένως μάθαμε για Op-amp σε διάφορα κυκλώματα που βασίζονται σε op-amp και κατασκευάσαμε επίσης πολλά κυκλώματα ταλαντωτών χρησιμοποιώντας op-amp και άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Ο ταλαντωτής αναφέρεται γενικά στο κύκλωμα που παράγει περιοδική και επαναλαμβανόμενη έξοδο όπως ημιτονοειδές ή τετραγωνικό κύμα. Ένας ταλαντωτής μπορεί να είναι μια μηχανική ή ηλεκτρονική κατασκευή που παράγει ταλάντωση ανάλογα με μερικές μεταβλητές. Προηγουμένως μάθαμε για πολλούς δημοφιλείς ταλαντωτές, όπως ταλαντωτής μετατόπισης φάσης RC, ταλαντωτής Colpitts, ταλαντωτής γέφυρας κλπ. Σήμερα θα μάθουμε για έναν ταλαντωτή χαλάρωσης.

Ένας ταλαντωτής χαλάρωσης είναι αυτός που πληροί όλες τις παρακάτω προϋποθέσεις:

• Πρέπει να παρέχει μη ημιτονοειδή κυματομορφή (παράμετρος τάσης ή ρεύματος) στην έξοδο.
• Πρέπει να παρέχει περιοδικό σήμα ή επαναλαμβανόμενο σήμα όπως Τριγωνικό, Τετράγωνο ή Ορθογώνιο κύμα στην έξοδο.
• Το κύκλωμα ενός ταλαντωτή χαλάρωσης πρέπει να είναι μη γραμμικό. Αυτό σημαίνει ότι ο σχεδιασμός του κυκλώματος πρέπει να περιλαμβάνει συσκευές ημιαγωγών όπως Transistor, MOSFET ή OP-AMP.
• Ο σχεδιασμός κυκλώματος πρέπει επίσης να περιλαμβάνει μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας όπως ένας πυκνωτής ή ένας επαγωγέας που φορτίζει και εκφορτώνει συνεχώς για να παράγει έναν κύκλο. Η συχνότητα ή η περίοδος ταλάντωσης για έναν τέτοιο ταλαντωτή εξαρτάται από τη σταθερά χρόνου του αντίστοιχου χωρητικού ή επαγωγικού κυκλώματος.

Εργασία ταλαντωτή χαλάρωσης

Για καλύτερη κατανόηση του Relaxation Oscillator, ας εξετάσουμε πρώτα τη λειτουργία ενός απλού μηχανισμού που φαίνεται παρακάτω.

Ο μηχανισμός που παρουσιάζεται εδώ είναι ένα τραμπάλα που όλοι βίωσαν στη ζωή τους. Η σανίδα κινείται μπρος-πίσω ανάλογα με τη βαρυτική δύναμη που βιώνουν οι μάζες και στα δύο άκρα. Με απλά λόγια, το πριόνι είναι ένα συγκριτικό της «μάζας» και συγκρίνει τη μάζα των αντικειμένων που τοποθετούνται και στα δύο άκρα της σανίδας. Έτσι, όποιο αντικείμενο έχει υψηλότερη μάζα ισοπεδώνεται στο έδαφος ενώ το αντικείμενο χαμηλότερης μάζας ανυψώνεται στον αέρα.

Σε αυτήν τη ρύθμιση του τραμπάλα, θα έχουμε μια σταθερή μάζα «M» στο ένα άκρο και έναν άδειο κάδο στο άλλο άκρο, όπως φαίνεται στο σχήμα. Σε αυτήν την αρχική κατάσταση, η μάζα «M» θα ισοπεδωθεί στο έδαφος και ο κάδος θα κρεμαστεί στον αέρα με βάση την αρχή της τραμπάλας που συζητήθηκε παραπάνω.

Τώρα, εάν ενεργοποιήσετε τη βρύση που βρίσκεται πάνω από τον άδειο κάδο, τότε το νερό αρχίζει να γεμίζει τον άδειο κάδο και αυξάνοντας έτσι τη μάζα ολόκληρης της εγκατάστασης.

Και μόλις ο κάδος γεμίσει εντελώς, τότε ολόκληρη η μάζα στην πλευρά του κάδου θα είναι μεγαλύτερη από τη σταθερή μάζα «M» που τοποθετείται στο άλλο άκρο. Έτσι, η σανίδα κινείται κατά μήκος του άξονα, ανυψώνοντας έτσι τη μάζα «M» και γειώνοντας τον κάδο νερού.

Μόλις ο κάδος χτυπήσει το έδαφος, το νερό που γεμίζει στον κάδο χύνεται τελείως στο έδαφος, όπως φαίνεται στο σχήμα. Μετά τη διαρροή, η συνολική μάζα στην πλευρά του κάδου θα μειωθεί ξανά σε σύγκριση με τη σταθερή μάζα «M». Έτσι και πάλι η σανίδα κινείται κατά μήκος του άξονα, μετατοπίζοντας έτσι τον κάδο στον αέρα και πάλι για άλλη γέμιση.

Αυτός ο κύκλος πλήρωσης και διαρροής συνεχίζεται έως ότου υπάρχει η πηγή νερού για να γεμίσει τον κάδο. Και λόγω αυτού του κύκλου, η σανίδα κινείται κατά μήκος του άξονα με περιοδικά διαστήματα, δίνοντας έτσι μια έξοδο ταλάντωσης.

Τώρα, αν συγκρίνουμε τα μηχανικά εξαρτήματα με ηλεκτρικά εξαρτήματα, τότε έχουμε.

• Ο κάδος μπορεί να θεωρηθεί ως συσκευή αποθήκευσης ενέργειας που είναι είτε ένας πυκνωτής είτε ένας επαγωγέας.
• Το Seesaw είναι ένας συγκριτής ή ένα op-amp που χρησιμοποιείται για τη σύγκριση των τάσεων του πυκνωτή και της αναφοράς.
• Λαμβάνεται τάση αναφοράς για την ονομαστική σύγκριση της τιμής του πυκνωτή.
• Η ροή του νερού εδώ μπορεί να χαρακτηριστεί ως ηλεκτρικό φορτίο.

Κύκλωμα ταλαντωτή χαλάρωσης

Εάν σχεδιάσουμε το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα για τον παραπάνω μηχανισμό πριονιού, θα λάβουμε το κύκλωμα ταλαντωτή χαλάρωσης όπως φαίνεται παρακάτω :

Η λειτουργία αυτού του Op-amp Relaxation Oscillator μπορεί να εξηγηθεί ως εξής:

• Μόλις ενεργοποιηθεί η βρύση, το νερό ρέει σε έναν κάδο νερού, γεμίζοντας έτσι αργά.
• Αφού γεμίσει πλήρως ο κάδος νερού, ολόκληρη η μάζα στην πλευρά του κάδου θα είναι μεγαλύτερη από τη σταθερή μάζα «M» που τοποθετείται στο άλλο άκρο. Μόλις συμβεί αυτό, η σανίδα αλλάζει τις θέσεις της σε ένα πιο συμβιβαστικό μέρος.
• Αφού χυθεί εντελώς το νερό, η συνολική μάζα στην πλευρά του κάδου θα μειωθεί ξανά σε σύγκριση με τη σταθερή μάζα «M». Έτσι ο άξονας θα μετακινηθεί ξανά στην αρχική του θέση.
• Για άλλη μια φορά ο κάδος γεμίζει με νερό μετά την προηγούμενη απόρριψη και αυτός ο κύκλος συνεχίζεται για πάντα μέχρι να ρέει νερό από τη βρύση.

Αν σχεδιάσουμε το γράφημα για την παραπάνω περίπτωση, θα μοιάζει με το παρακάτω:

Εδώ,

• Αρχικά, αν θεωρήσουμε ότι η έξοδος του συγκριτή είναι υψηλή, τότε κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ο πυκνωτής θα φορτίζει. Με τη φόρτιση του πυκνωτή, η τάση του τερματικού θα αυξηθεί σταδιακά, κάτι που φαίνεται στο γράφημα.
• Μόλις η τάση του τερματικού του πυκνωτή φτάσει το κατώφλι, η έξοδος του συγκριτή θα πάει από το υψηλό στο χαμηλότερο όπως φαίνεται στο γράφημα. Και όταν η έξοδος του συγκριτή πηγαίνει αρνητική, ο πυκνωτής αρχίζει να αποφορτίζεται στο μηδέν. Αφού ο πυκνωτής αποφορτιστεί εντελώς λόγω της παρουσίας αρνητικής τάσης εξόδου, φορτίζει και πάλι εκτός από την αντίθετη κατεύθυνση. Όπως μπορείτε να δείτε στο γράφημα λόγω της αρνητικής τάσης εξόδου, η τάση του πυκνωτή αυξάνεται επίσης σε αρνητική κατεύθυνση.
• Μόλις ο πυκνωτής φορτιστεί στο μέγιστο σε αρνητική κατεύθυνση, ο συγκριτής αλλάζει την έξοδο από αρνητικό σε θετικό. Μόλις η έξοδος αλλάξει σε θετικό κύκλο, ο πυκνωτής εκφορτώνεται στην αρνητική διαδρομή και αυξάνει τα φορτία στη θετική διαδρομή όπως φαίνεται στο γράφημα.
• Έτσι ο κύκλος φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή σε θετικές και αρνητικές διαδρομές ενεργοποιεί τον συγκριτή παράγει ένα σήμα τετραγωνικού κύματος στην έξοδο που φαίνεται παραπάνω.

Συχνότητα ταλαντωτή χαλάρωσης

Προφανώς η συχνότητα ταλάντωσης εξαρτάται από τη σταθερά χρόνου των C1 και R3 στο κύκλωμα. Οι υψηλότερες τιμές των C1 και R3 θα οδηγήσουν σε μεγαλύτερους ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης, δημιουργώντας έτσι ταλαντώσεις χαμηλότερης συχνότητας. Ομοίως, μικρότερες τιμές θα παράγουν ταλαντώσεις υψηλότερης συχνότητας.

Εδώ τα R1 και R2 παίζουν επίσης κρίσιμο ρόλο στον προσδιορισμό της συχνότητας της κυματομορφής εξόδου. Αυτό συμβαίνει επειδή ελέγχουν τα όρια τάσης που πρέπει να φορτίσει το C1. Για παράδειγμα, εάν το κατώφλι έχει οριστεί σε 5V, τότε το C1 χρειάζεται μόνο φόρτιση και εκφόρτιση έως 5V και -5V αντίστοιχα. Από την άλλη πλευρά, εάν το κατώφλι έχει οριστεί στα 10V, τότε απαιτείται C1 για φόρτιση και εκφόρτιση στα 10V και -10V.

Έτσι, ο τύπος συχνότητας ταλαντωτή χαλάρωσης θα είναι:

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

Εδώ, K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Εάν οι αντιστάσεις R1 και R2 είναι ίσες μεταξύ τους, τότε

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Εφαρμογή του Ταλαντωτή Χαλάρωσης

Ταλαντωτής χαλάρωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε:

• Γεννήτριες σημάτων
• Μετρητές
• Κυκλώματα μνήμης
• Ταλαντωτές ελέγχου τάσης
• Διασκεδαστικά κυκλώματα
• Ταλαντωτές
• Πολυ δονητές.