Кіріспе
Электроникада релаксациялық осциллятор – үшбұрышты толқын немесе тіктөртбұрышты толқын сияқты қайталанатын, синусоидты емес шығыс сигналын тудыратын сызықтық емес электронды осциллятор схемасы. Сұлба транзистор, салыстырғыш, реле, операциялық күшейткіш немесе туннельді диод сияқты теріс кедергіге ие құрылғысы бар кері байланыс тізбегінен тұрады, ол кедергі арқылы конденсаторды немесе индукторды қайта-қайта зарядтайды, содан кейін оны босатады. Осциллятордың периоды конденсатордың немесе индуктордың уақыт тұрақтысына байланысты. Релаксациялық осцилляторлар төмен жиілікті сигналдарды, мысалы, жыпылықтайтын шамдарда (көрсеткіш сигналдары), электрондық сигнал беру құралдарында, кернеумен басқарылатын осцилляторларда (КБО), инверторларда, импульстік қуат көздерінде, екі еңісті аналогты-цифрлық түрлендіргіштерде және функция генераторларында қолданылады. Релаксациялық осциллятор термині сондай-ақ ғылымның көптеген салаларындағы сызықтық емес тербелістерді тудыратын динамикалық жүйелерге де қолданылады және оларды электрондық релаксациялық осцилляторлар сияқты математикалық модельдерді пайдаланып талдауға болады. Мысалы, геотермальдық гейзерлер, нейрондық желілер, байланысқан химиялық реакциялар. Релаксациялық осциллятордың периоды негізінен релаксациялық уақыт тұрақтысымен анықталады.
In electronics a relaxation oscillator is a nonlinear electronic oscillator circuit that produces a nonsinusoidal repetitive output signal, such as a triangle wave or square wave. The circuit consists of a feedback loop containing a switching device such as a transistor, comparator, relay, op amp, or a negative resistance device like a tunnel diode, that repetitively charges a capacitor or inductor through a resistance until it reaches a threshold level, then discharges it again. The period of the oscillator depends on the time constant of the capacitor or inductor circuit. Relaxation oscillators are used to produce low frequency signals for applications such as blinking lights (turn signals) and electronic beepers and in voltage controlled oscillators (VCOs), inverters and switching power supplies, dual slope analog to digital converters, and function generators. The term relaxation oscillator is also applied to dynamical systems in many diverse areas of science that produce nonlinear oscillations and can be analyzed using the same mathematical model as electronic relaxation oscillators. For example, geothermal geysers, networks of firing nerve cells, coupled chemical reactions, The period of a relaxation oscillator is mainly determined by the relaxation time constant.
Электрондық релаксациялық термошолақ
Бірінші релаксациялық тербеліс схемасы, астабельді мультивибраторды Анри Абрахам мен Юджин Блох бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде вакуумдық түтіктерді пайдаланып ойлап тапты. Балтасар ван дер Пол алғаш рет релаксациялық тербелістерді гармоникалық тербелістерден ажыратты, «релаксациялық тербеліс» терминін енгізді және 1920 жылы релаксациялық тербелістің алғашқы математикалық моделін, ықпалды Ван дер Пол тербеліс моделін жасады. Ван дер Пол релаксация терминін механикадан алды; конденсатордың разрядталуы кернеуді жеңілдету процесіне ұқсас, деформацияның біртіндеп жоғалуы мен серпімді емес ортада тепе-теңдікке оралуына. Релаксациялық тербелістерді екі классқа бөлуге болады. Олар сондай-ақ кернеуді басқаратын тербелістерде (ВКО), инверторларда және коммутациялық қуат көздерінде, екі еңісті аналогтық-цифрлық түрлендіргіштерде және шаршы және үшбұрышты толқындарды жасау үшін функция генераторларында қолданылады. Релаксациялық тербелістер кеңінен қолданылады, себебі оларды сызықтық тербелістерге қарағанда жобалау оңай, интегралды схемаларға орналастыру оңай, өйткені оларға LC тербелістері сияқты индукторлар қажет емес. Алайда, оларда фазалық шу көп немесе конденсатормен параллель қосылған унижүнді транзистор болады. Конденсатор кіріс көзімен зарядталады, нәтижесінде конденсатордағы кернеу артады. Шегіш құрылғы конденсатордың кернеуі шекті (импульстік) кернеуге жеткенше тоқ өткізбейді. Содан кейін, оң кері байланыстың арқасында өткізгіштігі күрт өседі, конденсаторды жылдам разрядтайды. Конденсатордағы кернеу төменгі шектік кернеуге жеткенде, құрылғы тоқ өткізуді тоқтатады және конденсатор қайтадан зарядталады, цикл шексіз қайталанады. Егер шегіш элемент неондық шам болса, шам конденсатордың әрбір разрядымен жарқырайды. Бұл шам мысалы төменде Бейрсон-Ансон эффектін сипаттау үшін қолданылатын стандартты схемада көрсетілген. Разрядтау ұзақтығын шегіш элементке қосымша кедергіні тізбектей қосу арқылы ұзартуға болады. Екі кедергі кернеуді бөлетін схема құрайды; сондықтан қосымша кедергінің төменгі шекке жету үшін жеткілікті түрде төмен кедергісі болуы керек.
555 таймері бар баламалы іске асыру
Осындай релаксациялық осциллятор 555 таймерлік интегралды схемасы (астабел режимінде жұмыс істейді) арқылы жоғарыдағы неон шамның орнын басады. Яғни, таңдалған конденсатор белгіленген мәнге дейін зарядталған кезде (мысалы, қуат көзі кернеуінің 2/3 бөлігі) 555 таймеріндегі салыстырғыштар транзисторлық коммутаторды ауыстырады, ол таңдалған кедергі арқылы (RC уақыт тұрақтысын анықтайтын) сол конденсаторды біртіндеп разряддайды. Конденсатор жеткілікті төмен мәнге (мысалы, қуат көзі кернеуінің 1/3 бөлігіне) түскен сәтте коммутатор ауысып, конденсаторды қайта зарядтауға мүмкіндік береді. 555 таймердің салыстырғыш дизайны 5-тен 15 вольтқа дейін немесе одан да кең диапазонмен дәл жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Басқа, салыстырғышсыз осцилляторларда қуат көзі кернеуі өзгерген жағдайда уақыт параметрлерінде қалаусыз өзгерістер болуы мүмкін.
Индуктивті тербелісші
Импульстік трансформатордың индуктивтік қасиеттерін пайдаланатын блоктаушы генератор, трансформаторды қанықтыру арқылы тіктөртбұрышты толқындарды жасауға мүмкіндік береді, одан кейін трансформатордың қуат беру тогы оның босатылып, қанықпағанша үзіледі, содан кейін қуат беру тогының келесі импульсі басталады, әдетте бір транзистор коммутациялық элемент ретінде қолданылады.
Салыстырмалы тоқтамға негізделген релаксациялық осциллятор
Конденсатор әрбір шекке жеткенде, зарядтау көзін оң қуат көзінен теріс қуат көзіне немесе керісінше ауыстыруға болады. Алдыңғы кері бұратын Шмитт триггерінің анимациялық мысалы да осы қағида бойынша жұмыс істейді (өйткені Шмитт триггері ішкі түрде салыстыру операциясын жүзеге асырады). Осы бөлімде салыстырғышты дискретті компонент ретінде пайдалана отырып, ұқсас жүзеге асыруды талдаймыз. Бұл релаксациялық осциллятор – гистерикалық осциллятор, ол салыстырғышпен іске асырылған оң кері байланыс тізбегінен туындаған гистерезис салдарынан осылай аталады (операциялық күшейткішке ұқсас). Осы гистерикалық коммутация түрін іске асыратын тізбек Шмитт триггері деп аталады. Өзінен-өзі, триггер – бистабельді мультивибратор. Дегенмен, RC тізбегінің триггерге қосылған баяу теріс кері байланысы тізбектің автоматты түрде тербелуіне себеп болады. Яғни, RC тізбегін қосу гистерикалық бистабельді мультивибраторды астабельді мультивибраторға айналдырады.
Жалпы түсінік
Егер салыстырғыштың кіріс және шығысы нөл вольтқа тең болса, жүйе тұрақсыз тепе-теңдікте болады. Кез келген түрдегі шу, болсын ол термиялық немесе электромагниттік, салыстырғыштың шығысын нөлден жоғары көтергенде (салыстырғыштың шығысы нөлден төменге түсуі де мүмкін, және осыған ұқсас аргумент қолданылады), салыстырғыштағы оң кері байланыс салыстырғыштың шығысын оң кернеу шегіне дейін қанағаттандырады. Басқаша айтқанда, салыстырғыштың шығысы оң болғандықтан, салыстырғышқа тікелей емес кіріс те оң болады және кернеу бөлігіштің әсерінен шығыс өскен сайын өсуін жалғастырады. Ұзақ уақыт өткен соң, салыстырғыштың шығысы оң кернеу шегіне жетеді.
The inverting input and the output of the comparator are linked by a series RC circuit. Because of this, the inverting input of the comparator asymptotically approaches the comparator output voltage with a time constant RC. At the point where voltage at the inverting input is greater than the non inverting input, the output of the comparator falls quickly due to positive feedback. This is because the non inverting input is less than the inverting input, and as the output continues to decrease, the difference between the inputs gets more and more negative. Again, the inverting input approaches the comparator's output voltage asymptotically, and the cycle repeats itself once the non inverting input is greater than the inverting input, hence the system oscillates.
Салыстырғыштың тікелей емес кірісі мен шығысы сериялық RC тізбегімен байланысты. Осы себепті, салыстырғыштың тікелей емес кірісі уақыт тұрақтысы RC арқылы салыстырғыштың шығыс кернеуіне асимптотикалық түрде жақындайды. Тікелей емес кірістегі кернеу тікелей кірістегі кернеуден жоғары болғанда, салыстырғыштың шығысы оң кері байланыс салдарынан тез төмендейді. Себебі тікелей емес кіріс тікелей кіріске қарағанда кіші, және шығыс азайған сайын кірістер арасындағы айырма теріс мәнге ие болады. Қайтадан, тікелей емес кіріс салыстырғыштың шығыс кернеуіне асимптотикалық түрде жақындайды, және тікелей емес кіріс тікелей кірістен үлкен болғанда цикл қайталанады, сондықтан жүйе тербеледі.
The inverting input and the output of the comparator are linked by a series RC circuit. Because of this, the inverting input of the comparator asymptotically approaches the comparator output voltage with a time constant RC. At the point where voltage at the inverting input is greater than the non inverting input, the output of the comparator falls quickly due to positive feedback. This is because the non inverting input is less than the inverting input, and as the output continues to decrease, the difference between the inputs gets more and more negative. Again, the inverting input approaches the comparator's output voltage asymptotically, and the cycle repeats itself once the non inverting input is greater than the inverting input, hence the system oscillates.
Асқындылық жиілігі
Алдымен, есептеуді жеңілдету үшін осыны қабылдайық. Конденсатордың бастапқы зарядталуын ескермеу жиілікті есептеу үшін маңызды емес, зарядталу мен разрядталу арасындағы тербелістерді ескеріңіз, және жоғарыдағы схема үшін Vss 0-ден кем болуы керек. Кезеңнің жартысы (T) Vdd-ден ауысуға қажетті уақытқа тең. Бұл V- кернеуі Vdd-ге дейін зарядталатын кезде болады. Vss, Vdd-ге кері болмаған жағдайда, асимметриялық зарядталу және разрядталу уақыттарын ескеру қажет. Бұл ескере отырып, біз мынадай формулаға жетеміз:
When Vss is not the inverse of Vdd we need to worry about asymmetric charge up and discharge times. Taking this into account we end up with a formula of the form:
Бұл жағдайда Vss = Vdd болғанда жоғарыдағы нәтижеге дейін тоғысымды.