- Hoạt động của một bộ dao động thư giãn
- Mạch dao động thư giãn
- Tần số dao động thư giãn
- Ứng dụng của bộ dao động thư giãn
Bộ khuếch đại hoạt động là một phần không thể thiếu của Điện tử, và trước đây chúng ta đã tìm hiểu về Op-amp trong các mạch dựa trên op-amp khác nhau và cũng đã chế tạo nhiều mạch dao động sử dụng op-amp và các thành phần điện tử khác.
Bộ tạo dao động thường dùng để chỉ mạch tạo ra đầu ra tuần hoàn và lặp lại như sóng sin hoặc sóng vuông. Bộ tạo dao động có thể là một cấu trúc cơ học hoặc điện tử tạo ra dao động tùy thuộc vào một vài biến số. Trước đây chúng ta đã tìm hiểu về nhiều bộ dao động phổ biến như Bộ dao động dịch pha RC, Bộ dao động Colpitts, Bộ dao động cầu wein,… Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về Bộ dao động Thư giãn.
Một dao động thư giãn là một trong đó đáp ứng tất cả các điều kiện dưới đây:
- Nó phải cung cấp dạng sóng không phải hình sin (của một trong hai thông số điện áp hoặc dòng điện) ở đầu ra.
- Nó phải cung cấp tín hiệu định kỳ hoặc tín hiệu lặp lại như sóng Tam giác, hình vuông hoặc hình chữ nhật ở đầu ra.
- Mạch của một dao động thư giãn phải là một mạch phi tuyến. Điều đó có nghĩa là việc thiết kế mạch phải liên quan đến các thiết bị bán dẫn như Transistor, MOSFET hay OP-AMP.
- Thiết kế mạch cũng phải liên quan đến một thiết bị lưu trữ năng lượng như Tụ điện hoặc Cuộn cảm, chúng sạc và phóng điện liên tục để tạo ra một chu kỳ. Tần số hoặc chu kỳ dao động của một dao động như vậy phụ thuộc vào hằng số thời gian của mạch điện dung hoặc mạch cảm ứng tương ứng của chúng.
Hoạt động của một bộ dao động thư giãn
Để hiểu rõ hơn về Bộ dao động thư giãn, trước tiên chúng ta hãy xem xét hoạt động của một cơ chế đơn giản được hiển thị bên dưới.
Cơ chế hiển thị ở đây là một trò chơi bập bênh mà có lẽ ai cũng từng trải qua trong đời. Ván chuyển động qua lại phụ thuộc vào lực hấp dẫn của khối lượng tác dụng lên hai đầu. Nói một cách dễ hiểu, bập bênh là một bộ so sánh của 'Khối lượng' và nó so sánh khối lượng của các vật thể được đặt ở cả hai đầu của tấm ván. Vì vậy, vật nào có khối lượng lớn hơn sẽ được san bằng với mặt đất trong khi vật có khối lượng thấp hơn được nâng lên không trung.
Trong thiết lập bập bênh này, chúng ta sẽ có một khối lượng cố định 'M' ở một đầu và một thùng rỗng ở đầu kia như trong hình. Ở trạng thái ban đầu này, khối lượng 'M' sẽ được đặt ngang bằng với mặt đất và cái xô sẽ được treo trên không dựa trên nguyên tắc bập bênh đã thảo luận ở trên.
Bây giờ, nếu bật vòi đặt phía trên thùng rỗng, thì nước sẽ bắt đầu đổ đầy thùng rỗng và do đó làm tăng khối lượng của toàn bộ thiết bị.
Và một khi cái xô đầy hoàn toàn, thì toàn bộ khối lượng ở mặt bên của chiếc xô sẽ nhiều hơn khối lượng cố định 'M' được đặt ở đầu kia. Vì vậy, tấm ván chuyển động dọc theo trục do đó làm bay khối lượng 'M' và tiếp đất xô nước.
Khi xô chạm đất, nước trong xô sẽ tràn hoàn toàn xuống đất như trong hình. Sau khi đổ, tổng khối lượng của thành xô sẽ lại nhỏ hơn so với khối lượng cố định 'M'. Vì vậy, một lần nữa tấm ván lại di chuyển dọc theo trục, do đó lại chuyển xô lên không khí để làm đầy một lần nữa.
Chu trình làm đầy và đổ này tiếp tục tăng lên cho đến khi có nguồn nước đến đầy xô. Và bởi vì chu kỳ này, tấm ván di chuyển dọc theo trục với những khoảng thời gian tuần hoàn, do đó tạo ra một đầu ra dao động.
Bây giờ, nếu chúng ta so sánh các thành phần cơ khí với các thành phần điện, thì chúng ta có.
- Xô có thể được coi là một thiết bị lưu trữ năng lượng là tụ điện hoặc cuộn cảm.
- Seesaw là một bộ so sánh hoặc một op-amp được sử dụng để so sánh điện áp của tụ điện và tham chiếu.
- Điện áp chuẩn được lấy để so sánh danh định của giá trị tụ điện.
- Dòng nước ở đây có thể được gọi là điện tích.
Mạch dao động thư giãn
Nếu vẽ mạch điện tương đương cho cơ chế bập bênh trên, chúng ta sẽ được Mạch dao động thư giãn như hình dưới đây :
Hoạt động của Bộ dao động thư giãn Op-amp này có thể được giải thích như sau:
- Sau khi bật vòi, nước chảy vào thùng nước, do đó làm đầy nó từ từ.
- Sau khi xô đầy nước, toàn bộ khối lượng ở mặt bên của xô sẽ nhiều hơn khối lượng cố định 'M' đặt ở đầu kia. Một khi điều này xảy ra, tấm ván sẽ chuyển vị trí của nó đến một nơi dễ gây tổn hại hơn.
- Sau khi nước tràn hoàn toàn, tổng khối lượng của thành xô lại nhỏ hơn so với khối lượng cố định 'M'. Vì vậy trục sẽ chuyển động trở lại vị trí ban đầu.
- Một lần nữa xô lại được đổ đầy nước sau lần đổ trước đó và chu trình này tiếp tục mãi cho đến khi có nước chảy ra từ vòi.
Nếu chúng ta vẽ biểu đồ cho trường hợp trên, nó sẽ giống như bên dưới:
Đây,
- Ban đầu, nếu chúng ta coi đầu ra của bộ so sánh là cao, thì trong thời gian này tụ điện sẽ được sạc. Với việc sạc tụ điện, điện áp đầu cuối của tụ điện sẽ tăng dần, có thể thấy trong biểu đồ.
- Khi điện áp đầu nối của tụ điện đạt đến ngưỡng, đầu ra của bộ so sánh sẽ đi từ cao xuống thấp như được hiển thị trong biểu đồ. Và khi đầu ra của bộ so sánh chuyển sang âm, tụ điện bắt đầu phóng điện về không. Sau khi tụ điện phóng điện hoàn toàn vì sự xuất hiện của điện áp đầu ra âm, nó lại tích điện trừ ngược chiều. Như bạn có thể thấy trong đồ thị vì điện áp đầu ra âm, điện áp tụ điện cũng tăng theo chiều âm.
- Khi tụ điện tích điện cực đại theo chiều âm, bộ so sánh sẽ chuyển đầu ra từ âm sang dương. Khi đầu ra chuyển sang chu kỳ dương, tụ điện phóng điện theo đường âm và tích tụ điện tích theo đường dương như được hiển thị trong đồ thị.
- Vì vậy, chu kỳ tích điện và phóng điện của tụ điện theo đường dương và âm kích hoạt bộ so sánh tạo ra tín hiệu sóng vuông ở đầu ra được hiển thị ở trên.
Tần số dao động thư giãn
Rõ ràng tần số của dao động phụ thuộc vào hằng số thời gian của C1 và R3 trong mạch. Giá trị C1 và R3 cao hơn sẽ dẫn đến tốc độ sạc và phóng điện lâu hơn, do đó tạo ra dao động tần số thấp hơn. Tương tự, giá trị nhỏ hơn sẽ tạo ra dao động tần số cao hơn.
Ở đây R1 và R2 cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tần số của dạng sóng đầu ra. Điều này là do chúng kiểm soát các ngưỡng điện áp mà C1 cần sạc đến. Ví dụ, nếu ngưỡng đặt là 5V, thì C1 chỉ cần sạc và xả tối đa 5V và -5V tương ứng. Mặt khác, nếu ngưỡng được đặt thành 10V, thì C1 là cần thiết để sạc và xả xuống 10V và -10V.
Vì vậy, Công thức Tần số Dao động Thư giãn sẽ là:
f = 1/2 x R 3 x C 1 x ln (1 + k / 1 - k)
Ở đây, K = R 2 / R 1 + R 2
Nếu các điện trở R1 và R2 bằng nhau thì
f = 1 / 2,2 x R 3 x C 1
Ứng dụng của bộ dao động thư giãn
Bộ dao động thư giãn có thể được sử dụng trong:
- Máy phát tín hiệu
- Bộ đếm
- Mạch bộ nhớ
- Bộ dao động điều khiển điện áp
- Mạch vui nhộn
- Dao động
- Nhiều bộ rung.