Oscilador de relajación usando op

El amplificador operacional es una parte integral de la electrónica, y anteriormente aprendimos sobre los amplificadores operacionales en varios circuitos basados ​​en amplificadores operacionales y también construimos muchos circuitos de oscilador utilizando amplificadores operacionales y otros componentes electrónicos.

Oscilador generalmente se refiere al circuito que produce una salida periódica y repetitiva como una onda sinusoidal o una onda cuadrada. Un oscilador puede ser una construcción mecánica o electrónica que produce oscilación dependiendo de algunas variables. Anteriormente aprendimos acerca de muchos osciladores populares como el oscilador de cambio de fase RC, el oscilador de Colpitts, el oscilador de puente wein, etc. Hoy aprenderemos sobre un oscilador de relajación.

Un oscilador de relajación es aquel que satisface todas las condiciones siguientes:

• Debe proporcionar una forma de onda no sinusoidal (de voltaje o parámetro de corriente) en la salida.
• Debe proporcionar una señal periódica o una señal repetitiva como onda triangular, cuadrada o rectangular en la salida.
• El circuito de un oscilador de relajación debe ser no lineal. Eso significa que el diseño del circuito debe involucrar dispositivos semiconductores como Transistor, MOSFET u OP-AMP.
• El diseño del circuito también debe involucrar un dispositivo de almacenamiento de energía como un condensador o inductor que se carga y descarga continuamente para producir un ciclo. La frecuencia o período de oscilación para tal oscilador depende de la constante de tiempo de su circuito capacitivo o inductivo respectivo.

Funcionamiento de un oscilador de relajación

Para comprender mejor el oscilador de relajación, veamos primero el funcionamiento de un mecanismo simple que se muestra a continuación.

El mecanismo que se muestra aquí es un vaivén que probablemente todos experimentaron en su vida. La tabla se mueve hacia adelante y hacia atrás dependiendo de la fuerza gravitacional experimentada por las masas en ambos extremos. En términos simples, el balancín es un comparador de 'Masa' y compara la masa de objetos colocados en ambos extremos de la tabla. Entonces, cualquier objeto que tenga mayor masa se nivela al suelo mientras que el objeto de menor masa se eleva al aire.

En esta configuración de balancín, tendremos una masa fija 'M' en un extremo y un cubo vacío en el otro extremo, como se muestra en la figura. En este estado inicial, la masa 'M' se nivelará al suelo y el cubo se colgará en el aire según el principio de balancín discutido anteriormente.

Ahora, si abre el grifo colocado sobre el balde vacío, entonces el agua comienza a llenar el balde vacío y por lo tanto aumenta la masa de toda la instalación.

Y una vez que el balde se llene por completo, toda la masa del lado del balde será mayor que la masa fija 'M' colocada en el otro extremo. Entonces, la tabla se mueve a lo largo del eje, transportando por aire la Masa 'M' y conectando a tierra el cubo de agua.

Una vez que el balde toca el suelo, el agua que se llena en el balde se derrama completamente en el suelo como se muestra en la figura. Después del derrame, la masa total en el lado del balde volverá a ser menor en comparación con la masa fija 'M'. Entonces, nuevamente, la tabla se mueve a lo largo del eje, desplazando así el cubo al aire nuevamente para otro llenado.

Este ciclo de llenado y derrame continúa aumentando hasta que la fuente de agua está presente para llenar el balde. Y debido a este ciclo, la tabla se mueve a lo largo del eje con intervalos periódicos, dando así una salida de oscilación.

Ahora, si comparamos los componentes mecánicos con los componentes eléctricos, entonces tenemos.

• El balde se puede considerar como un dispositivo de almacenamiento de energía que puede ser un condensador o un inductor.
• El balancín es un comparador o un amplificador operacional que se utiliza para comparar los voltajes del condensador y la referencia.
• La tensión de referencia se toma para la comparación nominal del valor del condensador.
• El flujo de agua aquí se puede denominar como una carga eléctrica.

Circuito del oscilador de relajación

Si dibujamos el circuito eléctrico equivalente para el mecanismo de balancín anterior, obtendremos el circuito del oscilador de relajación como se muestra a continuación :

El funcionamiento de este oscilador de relajación de amplificador operacional se puede explicar de la siguiente manera:

• Una vez que se abre el grifo, el agua fluye a un balde de agua, llenándolo lentamente.
• Una vez que el balde de agua esté completamente lleno, toda la masa del lado del balde será mayor que la masa fija 'M' colocada en el otro extremo. Una vez que esto sucede, la tabla cambia de posición a un lugar más comprometido.
• Una vez que el agua se haya derramado por completo, la masa total en el lado del balde volverá a ser menor en comparación con la masa fija 'M'. Entonces el eje se moverá nuevamente a su posición inicial.
• Una vez más, el cubo se llena de agua después de la disipación anterior y este ciclo continúa para siempre hasta que sale agua del grifo.

Si dibujamos el gráfico para el caso anterior, se verá algo como a continuación:

Aquí,

• Inicialmente, si consideramos que la salida del comparador es alta, entonces durante este tiempo el capacitor se estará cargando. Con la carga del condensador, su voltaje terminal aumentará gradualmente, lo que se puede ver en el gráfico.
• Una vez que el voltaje del terminal del capacitor alcanza el umbral, la salida del comparador pasará de mayor a menor como se muestra en el gráfico. Y cuando la salida del comparador se vuelve negativa, el capacitor comienza a descargarse a cero. Después de que el capacitor se descarga completamente debido a la presencia de un voltaje de salida negativo, se carga nuevamente, excepto en la dirección opuesta. Como puede ver en el gráfico debido al voltaje de salida negativo, el voltaje del capacitor también aumenta en una dirección negativa.
• Una vez que el capacitor se carga al máximo en una dirección negativa, el comparador cambia la salida de negativo a positivo. Una vez que la salida cambia a un ciclo positivo, el capacitor se descarga en la ruta negativa y acumula cargas en la ruta positiva como se muestra en el gráfico.
• Entonces, el ciclo de carga y descarga del capacitor en caminos positivos y negativos dispara el comparador produce una señal de onda cuadrada en la salida que se muestra arriba.

Oscilador de frecuencia de relajación

Obviamente, la frecuencia de oscilación depende de la constante de tiempo de C1 y R3 en el circuito. Los valores más altos de C1 y R3 conducirán a tasas de carga y descarga más largas, produciendo así oscilaciones de frecuencia más bajas. Del mismo modo, valores más pequeños producirán oscilaciones de frecuencia más altas.

Aquí, R1 y R2 también juegan un papel crítico en la determinación de la frecuencia de la forma de onda de salida. Esto se debe a que controlan los umbrales de voltaje que el C1 necesita cargar. Por ejemplo, si el umbral se establece en 5 V, entonces C1 solo necesita cargar y descargar hasta 5 V y -5 V respectivamente. Por otro lado, si el umbral se establece en 10 V, entonces se necesita C1 para cargar y descargar a 10 V y -10 V.

Entonces, la fórmula de frecuencia del oscilador de relajación será:

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

Aquí, K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Si las resistencias R1 y R2 son iguales entre sí, entonces

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Aplicación del oscilador de relajación

El oscilador de relajación se puede utilizar en:

• Generadores de señal
• Contadores
• Circuitos de memoria
• Osciladores de control de voltaje
• Circuitos divertidos
• Osciladores
• Multivibradores.