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Il segreto dell'oscillatore di rilassamento: perché produce una forma d'onda unica?
In elettronica, un oscillatore a rilassamento è un circuito oscillatore elettronico non lineare che produce un segnale di uscita ripetitivo non sinusoidale, come un'onda triangolare o quadra. Un circuito che consiste in un anello di feedback con un dispositivo di commutazione come un transistor, un comparatore, un relè, un amplificatore operazionale o un dispositivo a resistenza negativa (come un diodo tunnel) che carica continuamente un condensatore o un induttore tramite un resistore. Fino a una certa soglia viene raggiunto, allora avrà luogo la scarica. Il periodo di un oscillatore dipende principalmente dalla costante di tempo del circuito del condensatore o dell'induttore.
"L'oscillatore di rilassamento è un potente strumento per produrre forme d'onda discrete e ripetitive. La sua caratteristica è che si basa su un rapido processo di carica e scarica per produrre un segnale."
Rispetto ad altri tipi di oscillatori elettronici, come gli oscillatori armonici o lineari, gli oscillatori a rilassamento funzionano secondo un principio completamente diverso. Sebbene gli oscillatori di rilassamento siano adatti per intervalli di bassa frequenza, le loro applicazioni sono molto varie e includono luci lampeggianti (come gli indicatori di direzione) e cicalini elettronici, oscillatori controllati in tensione (VCO), inverter, alimentatori switching, segnali analogico-digitali a doppia pendenza convertitori e generatori di funzioni, ecc. Ciò che è ancora più degno di nota è che il termine “oscillatore di rilassamento” non è limitato all’ingegneria elettronica, ma è ampiamente utilizzato in molti campi scientifici per descrivere sistemi dinamici in grado di produrre oscillazioni non lineari.
Le oscillazioni di rilassamento sono solitamente costituite da due processi che si alternano su scale temporali diverse: un lungo periodo di rilassamento, durante il quale il sistema tende a un punto di equilibrio, e un breve periodo di impulso, durante il quale si sono verificati cambiamenti nel punto di equilibrio. Speriamo che vi siate chiesti perché questi sistemi siano così onnipresenti in natura.
Storia dell'oscillatore elettronico di rilassamento
Uno dei primi circuiti dell'oscillatore a rilassamento fu il multioscillatore astabile, inventato da Henry Abraham e Eugene Bloch durante la prima guerra mondiale utilizzando tubi a vuoto. Nel 1920, Balthasar van der Pol distinse per la prima volta l'oscillazione di rilassamento dall'oscillazione armonica, e in seguito creò il concetto di oscillatore di rilassamento e progettò il famoso modello di oscillatore di van der Pol.
"Nel mondo degli oscillatori di rilassamento, il processo di carica e scarica è come il rilascio dello stress in una macchina. Questa è la sua naturalezza e bellezza."
Gli oscillatori di rilassamento possono essere classificati in diversi tipi, tra cui oscillatori a dente di sega, sweep o playback. L'energia immagazzinata in questi oscillatori viene caricata lentamente ma scaricata rapidamente tramite un dispositivo di commutazione, in modo che solo una piccola quantità di energia sia presente nel forma d'onda di uscita. Contiene una "rampa". Un altro tipo è il multioscillatore astabile, in cui il condensatore viene caricato e scaricato lentamente, per cui la sua forma d'onda in uscita è costituita da rampe crescenti e decrescenti.
Ampie applicazioni
Il campo di applicazione degli oscillatori a rilassamento comprende la generazione di segnali a bassa frequenza, come luci lampeggianti e cicalini elettronici comunemente presenti nei dispositivi elettronici. Nell'era delle valvole termoioniche, erano ampiamente utilizzate come basi temporali per organi elettronici e oscilloscopi. Con lo sviluppo della tecnologia microelettronica, gli oscillatori a rilassamento odierni sono generalmente realizzati utilizzando circuiti integrati dedicati (come i chip timer 555).
Gli oscillatori a rilassamento sono ampiamente utilizzati principalmente perché hanno una progettazione relativamente semplice e non richiedono componenti induttivi come gli oscillatori LC, il che li rende più facili da realizzare su circuiti integrati. Tuttavia, gli svantaggi dell'oscillatore rilassato sono l'elevato rumore di fase e la scarsa stabilità della frequenza.
Per quanto riguarda l'implementazione dell'oscillatore di rilassamento, ci sono molti metodi tra cui scegliere: incluso l'utilizzo di un timer 555, e molte implementazioni già pronte utilizzeranno anche comparatori come componenti per la progettazione, tutti progettati per catturare e generare Quella forma d'onda unica.
L'essenza degli oscillatori di rilassamento è la loro capacità di simulare vari fenomeni naturali, tra cui l'eruzione di un vulcano, i segnali biologici delle cellule nervose o persino il ritmo del battito cardiaco di un essere vivente. Per questo motivo, con l'avanzare della tecnologia, gli oscillatori di rilassamento continuano a svolgere un ruolo fondamentale in molti campi emergenti. Siete curiosi di sapere come questi sistemi complessi ma meravigliosi continueranno a influenzare le nostre vite?
