Oscil·lador de relaxació amb op

L'amplificador operacional és una part integral de l'electrònica i prèviament vam aprendre sobre amplificadors operatius en diversos circuits basats en amplificadors operatius i també vam construir molts circuits oscil·ladors amb amplificadors operatius i altres components electrònics.

L’oscil·lador es refereix generalment al circuit que produeix una sortida periòdica i repetitiva com una ona sinusoïdal o una ona quadrada. Un oscil·lador pot ser una construcció mecànica o electrònica que produeix oscil·lació en funció d’unes poques variables. Anteriorment vam conèixer molts oscil·ladors populars, com ara l'oscil·lador de canvi de fase RC, l'oscil·lador Colpitts, l'oscil·lador de pont Wein, etc. Avui coneixerem un oscil·lador de relaxació.

Un oscil·lador de relaxació és el que compleix totes les condicions següents:

• Ha de proporcionar una forma d'ona no sinusoïdal (de paràmetre de tensió o de corrent) a la sortida.
• Ha de proporcionar un senyal periòdic o un senyal repetitiu com l'ona triangular, quadrada o rectangular a la sortida.
• El circuit d’un oscil·lador de relaxació ha de ser no lineal. Això significa que el disseny del circuit ha d’incloure dispositius semiconductors com Transistor, MOSFET o OP-AMP.
• El disseny del circuit també ha d’implicar un dispositiu d’emmagatzematge d’energia com un condensador o un inductor que es carrega i descarrega contínuament per produir un cicle. La freqüència o el període d'oscil·lació d'aquest oscil·lador depèn de la constant de temps del seu circuit capacitiu o inductiu respectiu.

Funcionament d'un oscil·lador de relaxació

Per obtenir una millor comprensió de l’oscil·lador de relaxació, primer examinem el funcionament d’un mecanisme senzill que es mostra a continuació.

El mecanisme que es mostra aquí és un balancí que probablement tothom va experimentar a la seva vida. El tauler es mou cap endavant i cap enrere en funció de la força gravitatòria experimentada per les masses en ambdós extrems. En termes senzills, el balancí és un comparador de "massa" i compara la massa d'objectes col·locats als dos extrems de la tauleta. Així, doncs, els objectes que tinguin una massa més alta s’anivellen al terra mentre l’objecte de massa inferior s’eleva a l’aire.

En aquesta configuració de balancí, tindrem una massa fixa "M" en un extrem i una galleda buida a l'altre extrem, tal com es mostra a la figura. En aquest estat inicial, la massa "M" s'anivellarà al terra i la galleda es penjarà a l'aire segons el principi del balancí que s'ha comentat anteriorment.

Ara, si obriu l’aixeta situada a sobre del cub buit, l’aigua comença a omplir el cub buit i, per tant, augmenta la massa de tota la configuració.

I una vegada que la galleda s'ompli completament, tota la massa del costat de la galleda serà superior a la massa fixa "M" situada a l'altre extrem. De manera que el tauler es mou al llarg de l’eix i, per tant, fa pujar per aire la massa “M” i posa a terra la galleda d’aigua.

Un cop la galleda toca a terra, l’aigua que s’omple a la galleda s’aboca completament a terra, tal com es mostra a la figura. Després del vessament, la massa total al costat de la galleda tornarà a ser menor en comparació amb la massa fixa 'M'. Així, de nou, el tauler es mou al llarg de l'eix i, per tant, torna a canviar la galleda a l'aire per a un altre farciment.

Aquest cicle d’ompliment i vessament continua augmentant fins que hi ha la font d’aigua per omplir la galleda. I a causa d’aquest cicle, el tauler es mou al llarg de l’eix amb intervals periòdics, donant així una sortida d’oscil·lació.

Ara bé, si comparem els components mecànics amb els components elèctrics, ho tenim.

• La galleda es pot considerar com un dispositiu d’emmagatzematge d’energia que sigui un condensador o un inductor.
• Seesaw és un comparador o un amplificador operacional que s’utilitza per comparar les tensions del condensador i la referència.
• Es pren tensió de referència per a la comparació nominal del valor del condensador.
• El cabal d'aigua aquí es pot anomenar com una càrrega elèctrica.

Circuit oscil·lador de relaxació

Si dibuixem el circuit elèctric equivalent per al mecanisme de balancí anterior, obtindrem el circuit de l’oscil·lador de relaxació com es mostra a continuació :

El funcionament d’aquest oscil·lador de relaxació d’amplificadors d’Op es pot explicar de la següent manera:

• Un cop l’aixeta està oberta, l’aigua flueix cap a una galleda d’aigua, omplint-la lentament.
• Després que la galleda d'aigua s'ompli completament, tota la massa del costat de la galleda serà superior a la massa fixa "M" col·locada a l'altre extrem. Un cop això passa, el tauler canvia les seves posicions cap a un lloc més compromès.
• Després que l’aigua s’hagi vessat completament, la massa total del cubell tornarà a ser menor en comparació amb la massa fixa “M”. Així, l’eix es mourà de nou a la seva posició inicial.
• Una vegada més la galleda s'omple d'aigua després de la dissipació anterior i aquest cicle continua per sempre fins que hi hagi aigua que brolli de l'aixeta.

Si dibuixem el gràfic del cas anterior, tindrà un aspecte semblant a sota:

Aquí,

• Inicialment, si considerem que la sortida del comparador és alta, durant aquest temps el condensador es carregarà. Amb la càrrega del condensador, la seva tensió terminal augmentarà gradualment, cosa que es pot veure al gràfic.
• Un cop la tensió del terminal del condensador assoleixi el llindar, la sortida del comparador passarà de més alt a més baix, tal com es mostra al gràfic. I quan la sortida del comparador és negativa, el condensador comença a descarregar-se a zero. Després que el condensador es descarregui completament a causa de la presència d’un voltatge de sortida negatiu, es torna a carregar excepte en el sentit contrari. Com podeu veure al gràfic a causa del voltatge de sortida negatiu, el voltatge del condensador també augmenta en una direcció negativa.
• Una vegada que el condensador es carrega al màxim en una direcció negativa, el comparador canvia la sortida de negatiu a positiu. Un cop la sortida canvia a un cicle positiu, el condensador es descarrega en el camí negatiu i acumula càrregues en el camí positiu tal com es mostra al gràfic.
• Així doncs, el cicle de càrrega i descàrrega del condensador en camins positius i negatius desencadena que el comparador produeix un senyal d’ona quadrada a la sortida que es mostra més amunt.

Freqüència de l'oscil·lador de relaxació

Frequencybviament, la freqüència d’oscil·lació depèn de la constant de temps de C1 i R3 al circuit. Valors més alts de C1 i R3 conduiran a taxes de càrrega i descàrrega més llargues, produint així oscil·lacions de freqüència més baixes. De la mateixa manera, valors més petits produiran oscil·lacions de freqüència més altes.

Aquí R1 i R2 també tenen un paper crític en la determinació de la freqüència de la forma d'ona de sortida. Això es deu al fet que controlen els llindars de tensió que ha de carregar el C1. Per exemple, si el llindar s'estableix en 5V, llavors C1 només ha de carregar i descarregar fins a 5V i -5V respectivament. D'altra banda, si el llindar s'estableix en 10V, llavors es necessita C1 per carregar i descarregar a 10V i -10V.

Per tant, la fórmula de freqüència de l’oscil·lador de relaxació serà:

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

Aquí, K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Si les resistències R1 i R2 són iguals entre si, llavors

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Aplicació de l'oscil·lador de relaxació

Oscil·lador de relaxació es pot utilitzar en:

• Generadors de senyal
• Comptadors
• Circuits de memòria
• Oscil·ladors de control de tensió
• Circuits divertits
• Oscil·ladors
• Multi-vibradors.