Oscilador de relaxamento usando op

O amplificador operacional é parte integrante da Eletrônica, e aprendemos anteriormente sobre op-amps em vários circuitos baseados em op-amp e também construímos muitos circuitos de oscilador usando op-amp e outros componentes eletrônicos.

Oscilador geralmente se refere ao circuito que produz uma saída periódica e repetitiva como uma onda senoidal ou uma onda quadrada. Um oscilador pode ser uma construção mecânica ou eletrônica que produz oscilação dependendo de algumas variáveis. Anteriormente, aprendemos sobre muitos osciladores populares, como oscilador de deslocamento de fase RC, oscilador Colpitts, oscilador ponte wein, etc. Hoje vamos aprender sobre um Oscilador de relaxamento.

Um oscilador de relaxamento é aquele que satisfaz todas as condições abaixo:

• Ele deve fornecer uma forma de onda não senoidal (de tensão ou parâmetro de corrente) na saída.
• Deve fornecer um sinal periódico ou sinal repetitivo como onda triangular, quadrada ou retangular na saída.
• O circuito de um oscilador de relaxação deve ser não linear. Isso significa que o projeto do circuito deve envolver dispositivos semicondutores como Transistor, MOSFET ou OP-AMP.
• O projeto do circuito também deve envolver um dispositivo de armazenamento de energia como um capacitor ou indutor que carrega e descarrega continuamente para produzir um ciclo. A frequência ou período de oscilação de tal oscilador depende da constante de tempo de seu respectivo circuito capacitivo ou indutivo.

Trabalho de um oscilador de relaxamento

Para uma melhor compreensão do Oscilador de Relaxamento, vamos primeiro examinar o funcionamento de um mecanismo simples mostrado abaixo.

O mecanismo mostrado aqui é uma gangorra que provavelmente todos experimentaram na vida. A prancha se move para frente e para trás dependendo da força gravitacional experimentada pelas massas em ambas as extremidades. Em termos simples, a gangorra é um comparador de 'Massa' e compara a massa de objetos colocados em ambas as extremidades da prancha. Portanto, qualquer objeto que tenha massa maior é nivelado ao solo enquanto o objeto de massa mais baixa é elevado ao ar.

Nesta configuração de gangorra, teremos uma massa fixa 'M' em uma extremidade e um balde vazio na outra extremidade, conforme mostrado na figura. Nesse estado inicial, a massa 'M' será nivelada ao solo e a caçamba será suspensa no ar com base no princípio da gangorra discutido acima.

Agora, se abrir a torneira colocada acima do balde vazio, a água começa a encher o balde vazio e, assim, aumentar a massa de todo o conjunto.

E assim que o balde ficar completamente cheio, toda a massa do lado do balde será maior do que a massa fixa 'M' colocada na outra extremidade. Assim, a prancha se move ao longo do eixo, levantando a massa 'M' por ar e aterrando o balde de água.

Assim que o balde atinge o solo, a água dentro do balde é derramada completamente no solo, conforme mostrado na figura. Após o derramamento, a massa total no lado do balde será novamente menor em comparação com a massa fixa 'M'. Então, novamente a prancha se move ao longo do eixo, deslocando o balde para o ar novamente para outro enchimento.

Este ciclo de enchimento e derramamento continua subindo até que a fonte de água esteja presente para encher o balde. E por causa desse ciclo, a prancha se move ao longo do eixo com intervalos periódicos, dando assim uma saída de oscilação.

Agora, se compararmos os componentes mecânicos com os componentes elétricos, então temos.

• O balde pode ser considerado como um dispositivo de armazenamento de energia que pode ser um capacitor ou um indutor.
• Gangorra é um comparador ou um amplificador operacional usado para comparar as tensões do capacitor e da referência.
• A tensão de referência é considerada para comparação nominal do valor do capacitor.
• O fluxo de água aqui pode ser denominado como uma carga elétrica.

Circuito Oscilador de Relaxamento

Se desenharmos o circuito elétrico equivalente para o mecanismo de gangorra acima, obteremos o circuito oscilador de relaxamento conforme mostrado abaixo :

O funcionamento deste Oscilador de Relaxamento Op-amp pode ser explicado da seguinte forma:

• Assim que a torneira é aberta, a água corre para um balde, enchendo-o lentamente.
• Depois que o balde de água estiver completamente cheio, toda a massa no lado do balde será maior do que a massa fixa 'M' colocada na outra extremidade. Quando isso acontece, a prancha muda de posição para um local mais comprometedor.
• Depois que a água é completamente derramada, a massa total no lado do balde será novamente menor em comparação com a massa fixa 'M'. Portanto, o eixo se moverá novamente para sua posição inicial.
• Mais uma vez o balde fica cheio de água após a dissipação anterior e este ciclo continua para sempre até que haja água fluindo da torneira.

Se desenharmos o gráfico para o caso acima, ele terá a seguinte aparência:

Aqui,

• Inicialmente, se considerarmos que a saída do comparador é alta, então, durante esse tempo, o capacitor estará carregando. Com o carregamento do capacitor, sua tensão terminal aumentará gradativamente, o que pode ser visto no gráfico.
• Assim que a tensão do terminal do capacitor atingir o limite, a saída do comparador irá de alta para baixa, conforme mostrado no gráfico. E quando a saída do comparador fica negativa, o capacitor começa a descarregar para zero. Após o capacitor descarregar completamente devido à presença de uma tensão de saída negativa, ele carrega novamente, exceto na direção oposta. Como você pode ver no gráfico, por causa da tensão de saída negativa, a tensão do capacitor também sobe na direção negativa.
• Uma vez que o capacitor carrega ao máximo em uma direção negativa, o comparador muda a saída de negativa para positiva. Uma vez que a saída muda para um ciclo positivo, o capacitor descarrega no caminho negativo e acumula cargas no caminho positivo, conforme mostrado no gráfico.
• Portanto, o ciclo de carga e descarga do capacitor em caminhos positivos e negativos aciona o comparador e produz um sinal de onda quadrada na saída que é mostrado acima.

Oscilador de frequência de relaxamento

Obviamente, a frequência de oscilação depende da constante de tempo de C1 e R3 no circuito. Valores mais altos de C1 e R3 levarão a taxas de carga e descarga mais longas, produzindo oscilações de frequência mais baixas. Da mesma forma, valores menores produzirão oscilações de frequência mais altas.

Aqui, R1 e R2 também desempenham um papel crítico na determinação da frequência da forma de onda de saída. Isso ocorre porque eles controlam os limites de tensão que o C1 precisa para carregar. Por exemplo, se o limite for definido para 5 V, então C1 só precisa carregar e descarregar até 5 V e -5 V, respectivamente. Por outro lado, se o limite for definido para 10 V, então C1 é necessário para carregar e descarregar para 10 V e -10 V.

Portanto, a fórmula de frequência do oscilador de relaxamento será:

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

Aqui, K = R ₂ / R ₁ + R ₂

Se os resistores R1 e R2 forem iguais um ao outro, então

f = 1 / 2,2 x R ₃ x C ₁

Aplicação do Oscilador de Relaxamento

O oscilador de relaxamento pode ser usado em:

• Geradores de sinal
• Contadores
• Circuitos de memória
• Osciladores de controle de tensão
• Circuitos divertidos
• Osciladores
• Multi-vibradores.