اسیلاتور آرامش چگونه کار میکند؟ (نوسان ساز آرام با آپ امپ)

اسیلاتور به طور کلی به مداری اشاره دارد که مانند موج سینوسی یا موج مربعی، خروجی دوره ای و تکراری تولید می کند. اسیلاتور می تواند ساختاری مکانیکی یا الکترونیکی باشد که بسته به چند متغیر، نوسان ایجاد می کند. قبلاً در مورد بسیاری از اسیلاتورهای معروف مانند اسیلاتور RC Phase shift ، اسیلاتور Colpitts ، اسیلاتور Bridge و غیره اطلاعاتی کسب کردیم امروز با یک اسیلاتور Relaxation (آرامش) آشنا خواهیم شد.

اسیلاتوری اسیلاتور آرامش است که تمام شرایط زیر را داشته باشد :

• باید یک شکل موج غیر سینوسی (از ولتاژ یا پارامتر جریان) در خروجی ایجاد کند.
• باید یک سیگنال دوره ای یا سیگنال تکراری مانند مثلث، مربع یا مستطیل شکل در خروجی ارائه دهد.
• مدار یک اسیلاتور آرامش باید مداری غیرخطی باشد. این بدان معنی است که طراحی مدار باید شامل وسایل نیمه رسانایی مانند ترانزیستور، ماسفت یا آپ امپ باشد.
• طراحی مدار همچنین باید شامل یک دستگاه ذخیره انرژی مانند خازن یا انداکتور باشد که برای تولید چرخه به طور مداوم شارژ و تخلیه می شود. فرکانس یا دوره نوسان برای چنین اسیلاتوری به ثابت بودن زمان مدار خازنی یا القایی مربوطه بستگی دارد.

عملکرد اسیلاتور آرامش

برای درک بهتر اسیلاتور آرامش، ابتدا بررسی عملکرد یک مکانیزم ساده ‌ای را نشان می دهیم که در زیر نشان داده شده است.

مکانیزمی که در اینجا نشان داده شده، الا کلنگ است که احتمالاً همه در زندگی خود تجربه کرده اند. تخته بسته به نیروی جاذبه ای که جرم در هر دو انتها دارد، به عقب و جلو حرکت می کند. به زبان ساده، مقایسه گر “جرم” است و جرم اشیایی که در هر دو انتهای تخته قرار گرفته اند را مقایسه می کند. بنابراین هر کدام از اجسام که دارای جرم بیشتری هستند، به زمین میخورند در حالیکه جسمی که سبک تر است به هوا میرود.

در این تنظیم الاکلنگ، یک جرم ثابت “M” در یک انتها و یک سطل خالی در انتهای دیگر خواهیم داشت همانطور که در شکل نشان داده شده است. در این حالت اولیه، جرم ‘M’ به زمین میخورد و سطل بر اساس اصل الاکلنگی که در بالا بحث شد، به هوا میرود.

اکنون، اگر شیر آب بالای سطل خالی را باز کنید، آب شروع به پر کردن سطل خالی می کند و در نتیجه جرم کل وضعیت را افزایش می دهد.

و هنگامی که سطل کاملاً پر شد، جرم کل طرف سطل بیشتر از جرم ثابت «M» قرار گرفته در انتهای دیگر خواهد بود. بنابراین تخته در امتداد محور حرکت می کند و بدین ترتیب جرم ‘M’ را به هوا بلند می کند و سطل آب را به زمین میزند.

هنگامی که سطل به زمین برخورد کرد، آب پر شده در سطل کاملاً به زمین میریزد، همانطور که در شکل نشان داده شده است. بعد از ریختن، جرم کل در سطل دوباره در مقایسه با جرم ثابت “M” کمتر می شود. بنابراین دوباره تخته در امتداد محور حرکت می کند، در نتیجه سطل را دوباره برای پر کردن مجدد به هوا میبرد.

این چرخه پر کردن و ریختن تا جایی ادامه دارد که منبع آبی برای پر کردن سطل وجود دارد و به دلیل این چرخه، تخته در امتداد محور با فواصل دوره ای حرکت می کند، در نتیجه یک خروجی نوسانی ایجاد می کند.

حال، اگر اجزای مکانیکی را با اجزای الکتریکی مقایسه کنیم، در این صورت است :

• سطل را می توان به عنوان یک وسیله ذخیره انرژی در نظر گرفت که هم خازن است و هم انداکتور.
• الاکلنگ یک مقایسه گر یا یک آپ امپ است که برای مقایسه ولتاژ خازن و مرجع استفاده می شود.
• ولتاژ مرجع برای مقایسه اسمی مقدار خازن گرفته شده است.
• جریان آب در اینجا می تواند به عنوان یک بار الکتریکی درنظر گرفته شود.

مدار اسیلاتور آرامش

اگر مدار الکتریکی معادل را برای مکانیزم الاکلنگ در بالا ترسیم کنیم، مدار های اسیلاتور آرامش را مطابق شکل زیر بدست خواهیم آورد :

نحوه کار این اسیلاتور آرامش آپ امپ را می توان به صورت زیر شرح داد :

• وقتی شیر آب باز شد، آب به سطل می ریزد و در نتیجه آن را به آرامی پر می کند.
• بعد از پر شدن کامل سطل آب، جرم کل طرف سطل بیشتر از جرم ثابت ‘M’ قرار گرفته در انتهای دیگر خواهد بود. هنگامی که این اتفاق می افتد، تخته موقعیت های خود را به مکان سازگارتر انتقال می دهد.
• پس از ریختن کامل آب، جرم کل سطل دوباره در مقایسه با جرم ثابت “M” کمتر می شود. بنابراین حرکت، دوباره به موقعیت اولیه خود است.
• یک بار دیگر سطل پس از خالی شدن در دفعه قبل، پر از آب می شود و این چرخه تا زمانی که از شیر، آب جاری شود ادامه دارد.

اگر نمودار مورد بالا را ترسیم کنیم، چیزی شبیه به زیر خواهد بود :

در اینجا:

• در ابتدا، اگر در نظر بگیریم که خروجی مقایسه گر زیاد است، در این مدت خازن شارژ می شود. همراه با شارژ خازن ولتاژ پایانه آن به تدریج افزایش می یابد، که در نمودار مشاهده می شود.
• هنگامی که ولتاژ پایانه خازن به آستانه رسید، خروجی مقایسه گر از بالا به پایین می رود، همانطور که در نمودار نشان داده شده است و هنگامی که خروجی مقایسه گر منفی می شود، خازن شروع به تخلیه تا صفر می کند. پس از تخلیه کامل خازن به دلیل وجود ولتاژ خروجی منفی، دوباره شارژ می شود مگر در جهت مخالف. همانطور که در نمودار مشاهده می کنید به دلیل ولتاژ خروجی منفی، ولتاژ خازن نیز در جهت منفی افزایش می یابد.
• هنگامی که خازن در جهت منفی حداکثر شارژ می شود، مقایسه گر خروجی را از منفی به مثبت تغییر می دهد. هنگامی که خروجی به یک چرخه مثبت تغییر می کند، خازن در مسیر منفی تخلیه می شود و همانطور که در نمودار نشان داده شده است، در مسیر مثبت بار ایجاد می کند.
• بنابراین چرخه شارژ و تخلیه خازن در مسیرهای مثبت و منفی باعث می شود که مقایسه گر سیگنال موج مربعی‌ای را در خروجی تولید کند که در بالا نشان داده شده است.

فرکانس نوسانگر آرامش

بدیهی است که فرکانس نوسان به ثابت بودن زمان C1 و R3 در مدار بستگی دارد. مقادیر بالاتر C1 و R3 منجر به افزایش میزان شارژ و تخلیه می شود، بنابراین نوسانات فرکانس پایین تری ایجاد می کند. به همین ترتیب، مقادیر کوچکتر نوسانات فرکانس بالاتری ایجاد می کنند.

در اینجا R1 و R2 نیز نقشی اساسی در تعیین فرکانس شکل موج خروجی دارند. به این دلیل که آن ها آستانه ولتاژ مورد نیاز C1 را برای شارژ کردن کنترل می کنند. به عنوان مثال، اگر آستانه روی 5 ولت تنظیم شود، C1 به ترتیب فقط به 5 ولت و 5- ولت نیاز به شارژ و تخلیه دارد. از طرف دیگر، اگر آستانه روی 10 ولت تنظیم شده باشد، C1 برای شارژ و تخلیه به 10 ولت و 10- ولت نیاز است.

بنابراین فرمول فرکانس نوسانگر آرامش خواهد بود :

f = 1 / 2 x R3 x C1 x ln (1 + k / 1 - k)

K = R2 / R1 + R2

اگر مقاومت های R1 و R2 با یکدیگر برابر هستند، پس :

f = 1 / 2.2 x R3 x C1

کاربرد های نوسان ساز آرام

اسیلاتور ها در موارد زیر میتوانند استفاده شوند :

• ژنراتور های سیگنال
• شمارشگر ها
• مدار های حافظه
• اسیلاتور های کنترل ولتاژ
• مدار های سرگرم کننده
• اسیلاتور ها
• چند لرزاننده