Oscillateur de relaxation utilisant op

L'amplificateur opérationnel fait partie intégrante de l'électronique, et nous avons déjà appris sur les amplificateurs opérationnels dans divers circuits basés sur l'amplificateur opérationnel et avons également construit de nombreux circuits d'oscillateur à l'aide d'un amplificateur opérationnel et d'autres composants électroniques.

L'oscillateur fait généralement référence au circuit qui produit une sortie périodique et répétitive comme une onde sinusoïdale ou une onde carrée. Un oscillateur peut être une construction mécanique ou électronique qui produit une oscillation en fonction de quelques variables. Auparavant, nous avons découvert de nombreux oscillateurs populaires tels que l'oscillateur à décalage de phase RC, l'oscillateur Colpitts, l'oscillateur à pont Wein, etc. Aujourd'hui, nous allons découvrir un oscillateur à relaxation.

Un oscillateur à relaxation est celui qui satisfait toutes les conditions ci-dessous:

• Il doit fournir une forme d'onde non sinusoïdale (du paramètre de tension ou de courant) à la sortie.
• Il doit fournir un signal périodique ou un signal répétitif comme une onde triangulaire, carrée ou rectangulaire en sortie.
• Le circuit d'un oscillateur à relaxation doit être non linéaire. Cela signifie que la conception du circuit doit impliquer des dispositifs semi-conducteurs tels que Transistor, MOSFET ou OP-AMP.
• La conception du circuit doit également impliquer un dispositif de stockage d'énergie comme un condensateur ou un inducteur qui se charge et se décharge en continu pour produire un cycle. La fréquence ou la période d'oscillation d'un tel oscillateur dépend de la constante de temps de leur circuit capacitif ou inductif respectif.

Fonctionnement d'un oscillateur de relaxation

Pour une meilleure compréhension de l'oscillateur de relaxation, examinons d'abord le fonctionnement d'un mécanisme simple illustré ci-dessous.

Le mécanisme montré ici est une bascule que tout le monde a probablement expérimentée dans sa vie. La planche se déplace d'avant en arrière en fonction de la force gravitationnelle ressentie par les masses aux deux extrémités. En termes simples, la bascule est un comparateur de «masse» et compare la masse d'objets placés aux deux extrémités de la planche. Ainsi, n'importe quel objet ayant une masse plus élevée est nivelé au sol tandis que l'objet de masse inférieure est soulevé dans les airs.

Dans cette configuration de balançoire, nous aurons une masse fixe «M» à une extrémité et un seau vide à l'autre extrémité, comme indiqué sur la figure. À cet état initial, la masse «M» sera nivelée au sol et le godet sera suspendu en l'air sur la base du principe de bascule discuté ci-dessus.

Maintenant, si vous ouvrez le robinet placé au-dessus du seau vide, l'eau commence à remplir le seau vide et augmente ainsi la masse de l'ensemble de l'installation.

Et une fois que le godet est complètement plein, la masse entière du côté du godet sera supérieure à la masse fixe «M» placée à l'autre extrémité. Ainsi, la planche se déplace le long de l'axe, soulevant ainsi la masse «M» et mettant à la terre le seau d'eau.

Une fois que le seau touche le sol, l'eau remplie dans le seau se répand complètement sur le sol, comme indiqué sur la figure. Après le déversement, la masse totale du côté du godet redeviendra inférieure par rapport à la masse fixe «M». Donc, à nouveau, la planche se déplace le long de l'axe, déplaçant ainsi le godet à l'air pour un autre remplissage.

Ce cycle de remplissage et de déversement continue jusqu'à ce que la source d'eau soit présente pour remplir le seau. Et à cause de ce cycle, la planche se déplace le long de l'axe avec des intervalles périodiques, donnant ainsi une sortie d'oscillation.

Maintenant, si nous comparons les composants mécaniques avec les composants électriques, alors nous avons.

• Le seau peut être considéré comme un dispositif de stockage d'énergie qui est soit un condensateur, soit une inductance.
• La bascule est un comparateur ou un ampli-op utilisé pour comparer les tensions du condensateur et de la référence.
• La tension de référence est prise pour la comparaison nominale de la valeur du condensateur.
• Le débit d'eau ici peut être qualifié de charge électrique.

Circuit oscillateur de relaxation

Si nous dessinons le circuit électrique équivalent pour le mécanisme de bascule ci-dessus, nous obtiendrons le circuit de l'oscillateur de relaxation comme indiqué ci-dessous :

Le fonctionnement de cet oscillateur de relaxation ampli-op peut être expliqué comme suit:

• Une fois le robinet ouvert, l'eau s'écoule dans un seau d'eau, le remplissant ainsi lentement.
• Une fois le seau à eau complètement rempli, la masse entière du côté du seau sera supérieure à la masse fixe «M» placée à l'autre extrémité. Une fois que cela se produit, la planche déplace ses positions vers un endroit plus compromettant.
• Une fois l'eau complètement déversée, la masse totale du côté du godet redeviendra inférieure par rapport à la masse fixe «M». L'arbre se remettra donc à sa position initiale.
• Une fois de plus, le seau se remplit d'eau après la dissipation précédente et ce cycle se poursuit indéfiniment jusqu'à ce qu'il y ait de l'eau qui coule du robinet.

Si nous dessinons le graphique pour le cas ci-dessus, il ressemblera à quelque chose comme ci-dessous:

Ici,

• Au départ, si nous considérons que la sortie du comparateur est élevée, alors pendant ce temps, le condensateur se chargera. Avec la charge du condensateur, sa tension aux bornes augmentera progressivement, ce qui peut être vu sur le graphique.
• Une fois que la tension aux bornes du condensateur atteint le seuil, la sortie du comparateur passera de haut en bas comme indiqué dans le graphique. Et lorsque la sortie du comparateur devient négative, le condensateur commence à se décharger à zéro. Une fois que le condensateur s'est complètement déchargé en raison de la présence d'une tension de sortie négative, il se charge à nouveau sauf dans la direction opposée. Comme vous pouvez le voir sur le graphique en raison de la tension de sortie négative, la tension du condensateur augmente également dans une direction négative.
• Une fois que le condensateur se charge au maximum dans une direction négative, le comparateur commute la sortie du négatif au positif. Une fois que la sortie passe à un cycle positif, le condensateur se décharge dans le chemin négatif et accumule des charges dans le chemin positif comme indiqué sur le graphique.
• Ainsi, le cycle de charge et de décharge du condensateur dans les chemins positifs et négatifs déclenchent le comparateur produit un signal d'onde carrée à la sortie qui est illustré ci-dessus.

Fréquence de l'oscillateur de relaxation

Evidemment, la fréquence d'oscillation dépend de la constante de temps de C1 et R3 dans le circuit. Des valeurs plus élevées de C1 et R3 entraîneront des taux de charge et de décharge plus longs, produisant ainsi des oscillations de fréquence plus basses. De même, des valeurs plus petites produiront des oscillations de fréquence plus élevées.

Ici, R1 et R2 jouent également un rôle critique dans la détermination de la fréquence de la forme d'onde de sortie. En effet, ils contrôlent les seuils de tension auxquels le C1 doit se charger. Par exemple, si le seuil est réglé sur 5V, alors C1 n'a besoin de charger et de décharger que jusqu'à 5V et -5V respectivement. D'autre part, si le seuil est réglé sur 10V, alors C1 est nécessaire pour charger et décharger à 10V et -10V.

Ainsi, la formule de fréquence de l'oscillateur de relaxation sera:

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

Ici, K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Si les résistances R1 et R2 sont égales l'une à l'autre, alors

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Application de l'oscillateur de relaxation

L'oscillateur de relaxation peut être utilisé dans:

• Générateurs de signaux
• Compteurs
• Circuits de mémoire
• Oscillateurs de contrôle de tension
• Circuits ludiques
• Oscillateurs
• Multi-vibrateurs.