Oscillatore di rilassamento utilizzando op

L'amplificatore operazionale è parte integrante dell'elettronica e in precedenza abbiamo imparato a conoscere gli amplificatori operazionali in vari circuiti basati su amplificatori operazionali e abbiamo anche costruito molti circuiti dell'oscillatore utilizzando amplificatori operazionali e altri componenti elettronici.

L'oscillatore si riferisce generalmente al circuito che produce un'uscita periodica e ripetitiva come un'onda sinusoidale o un'onda quadra. Un oscillatore può essere una costruzione meccanica o elettronica che produce oscillazioni a seconda di poche variabili. In precedenza abbiamo imparato a conoscere molti oscillatori popolari come l'oscillatore a spostamento di fase RC, l'oscillatore Colpitts, l'oscillatore a ponte Wein, ecc. Oggi impareremo a conoscere un oscillatore di rilassamento.

Un oscillatore di rilassamento è quello che soddisfa tutte le seguenti condizioni:

• Deve fornire una forma d'onda non sinusoidale (del parametro di tensione o di corrente) in uscita.
• Deve fornire un segnale periodico o ripetitivo come un'onda triangolare, quadrata o rettangolare in uscita.
• Il circuito di un oscillatore di rilassamento deve essere non lineare. Ciò significa che la progettazione del circuito deve coinvolgere dispositivi semiconduttori come transistor, MOSFET o OP-AMP.
• Il progetto del circuito deve coinvolgere anche un dispositivo di accumulo di energia come un condensatore o un induttore che si carica e scarica continuamente per produrre un ciclo. La frequenza o il periodo di oscillazione per un tale oscillatore dipende dalla costante di tempo del rispettivo circuito capacitivo o induttivo.

Funzionamento di un oscillatore di rilassamento

Per una migliore comprensione dell'oscillatore di rilassamento, esaminiamo prima il funzionamento di un semplice meccanismo mostrato di seguito.

Il meccanismo mostrato qui è un'altalena che probabilmente tutti hanno sperimentato nella loro vita. La tavola si muove avanti e indietro a seconda della forza gravitazionale subita dalle masse su entrambe le estremità. In termini semplici, l' altalena è un comparatore di "Massa" e confronta la massa degli oggetti posti su entrambe le estremità della tavola. Quindi, qualunque oggetto abbia una massa maggiore viene livellato a terra mentre l'oggetto di massa inferiore viene sollevato in aria.

In questa configurazione altalena, avremo una massa fissa "M" su un'estremità e un secchio vuoto sull'altra estremità come mostrato nella figura. In questo stato iniziale, la massa "M" sarà livellata a terra e il secchio verrà sospeso in aria in base al principio dell'altalena discusso sopra.

Ora, se si apre il rubinetto posto sopra il secchio vuoto, l'acqua inizia a riempire il secchio vuoto aumentando così la massa dell'intero setup.

E una volta che la benna è completamente piena, l'intera massa sul lato della benna sarà superiore alla massa fissa "M" posta sull'altra estremità. Quindi la tavola si muove lungo l'asse sollevando in tal modo la massa "M" e mettendo a terra il secchio d'acqua.

Una volta che il secchio colpisce il terreno, l'acqua riempita nel secchio viene versata completamente a terra come mostrato nella figura. Dopo la fuoriuscita, la massa totale sul lato della benna diventerà nuovamente inferiore rispetto alla massa fissa "M". Quindi di nuovo la tavola si muove lungo l'asse, spostando di nuovo il secchio in aria per un altro riempimento.

Questo ciclo di riempimento e spargimento continua a salire fino a quando non è presente la fonte d'acqua per riempire il secchio. E a causa di questo ciclo, la tavola si muove lungo l'asse con intervalli periodici, dando così un'uscita di oscillazione.

Ora, se confrontiamo i componenti meccanici con i componenti elettrici, allora abbiamo.

• Il secchio può essere considerato come un dispositivo di accumulo di energia che è un condensatore o un induttore.
• Seesaw è un comparatore o un amplificatore operazionale utilizzato per confrontare le tensioni di condensatore e riferimento.
• La tensione di riferimento viene presa per il confronto nominale del valore del condensatore.
• Il flusso d'acqua qui può essere definito come una carica elettrica.

Circuito dell'oscillatore di rilassamento

Se disegniamo il circuito elettrico equivalente per il meccanismo di altalena sopra, otterremo il circuito dell'oscillatore di rilassamento come mostrato di seguito :

Il funzionamento di questo oscillatore di rilassamento dell'amplificatore operazionale può essere spiegato come segue:

• Una volta aperto il rubinetto, l'acqua scorre in un secchio d'acqua, riempiendolo così lentamente.
• Dopo che il secchio dell'acqua è completamente riempito, l'intera massa sul lato del secchio sarà superiore alla massa fissa "M" posta sull'altra estremità. Una volta che ciò accade, la tavola sposta le sue posizioni in un punto più compromettente.
• Dopo che l'acqua è stata completamente fuoriuscita, la massa totale sul lato della benna diventerà nuovamente inferiore rispetto alla massa fissa "M". Quindi l'albero si sposterà di nuovo nella sua posizione iniziale.
• Ancora una volta il secchio si riempie d'acqua dopo la precedente dispersione e questo ciclo continua all'infinito fino a quando l'acqua scorre dal rubinetto.

Se disegniamo il grafico per il caso precedente, sarà simile a quello seguente:

Qui,

• Inizialmente, se consideriamo che l'uscita del comparatore è alta, durante questo periodo il condensatore si caricherà. Con la carica del condensatore, la sua tensione ai terminali aumenterà gradualmente, come si può vedere nel grafico.
• Una volta che la tensione del terminale del condensatore raggiunge la soglia, l'uscita del comparatore passerà da alta a bassa come mostrato nel grafico. E quando l'uscita del comparatore diventa negativa, il condensatore inizia a scaricarsi a zero. Dopo che il condensatore si è completamente scaricato a causa della presenza di una tensione di uscita negativa, si carica di nuovo tranne che nella direzione opposta. Come puoi vedere nel grafico a causa della tensione di uscita negativa, anche la tensione del condensatore aumenta in direzione negativa.
• Quando il condensatore si carica al massimo in direzione negativa, il comparatore commuta l'uscita da negativa a positiva. Una volta che l'uscita passa a un ciclo positivo, il condensatore si scarica nel percorso negativo e accumula cariche nel percorso positivo come mostrato nel grafico.
• Quindi il ciclo di carica e scarica del condensatore nei percorsi positivo e negativo innesca il comparatore che produce un segnale ad onda quadra all'uscita che è mostrato sopra.

Frequenza di rilassamento Oscillatore

Ovviamente la frequenza di oscillazione dipende dalla costante di tempo di C1 e R3 nel circuito. Valori più alti di C1 e R3 porteranno a velocità di carica e scarica più lunghe, producendo così oscillazioni di frequenza inferiori. Allo stesso modo, valori inferiori produrranno oscillazioni di frequenza più elevate.

Anche in questo caso R1 e R2 svolgono un ruolo critico nel determinare la frequenza della forma d'onda di uscita. Questo perché controllano le soglie di tensione che il C1 deve caricare fino a. Ad esempio, se la soglia è impostata su 5V, C1 deve caricare e scaricare solo fino a 5V e -5V rispettivamente. D'altra parte, se la soglia è impostata su 10 V, è necessario C1 per caricare e scaricare a 10 V e -10 V.

Quindi la formula della frequenza dell'oscillatore di rilassamento sarà:

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

Qui, K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Se i resistori R1 e R2 sono uguali tra loro, allora

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Applicazione dell'oscillatore di rilassamento

L'oscillatore di rilassamento può essere utilizzato in:

• Generatori di segnali
• Contatori
• Circuiti di memoria
• Oscillatori di controllo della tensione
• Circuiti divertenti
• Oscillatori
• Multi-vibratori.