Inductieve relaxatieoscillator

Joel Uddén

Bastiaan Welmers

Jan Stolze

Adilson Morais

Opdracht

Opdracht: ontwerp een inductieve relaxatieoscillator

Defenitie relaxatieoscillator

Er bestaan twee typen oscillatoren: relaxatieoscillator en harmonische oscillator

- Relaxatieoscillator: één energieresevoir die telkens op- en ontladen wordt dmv van een actief circuit met referentieinstellingen

- Harmonische oscillator: twee of meerdere energieresevoirs die energie met elkaar uitwisselen, actief circuit alleen voor verliescompensatie

Specificaties oscillator

Spoel van 680µH

Frequentie 50kHz

Voedingsspanning 5V

Minimaal vermogensgebruik

Gebaseerd op twee-transistor balansschakeling

Twee-transistor balansschakeling

Twee-transistor balanssschakeling

Twee-transistor balansschakeling

Hoe werkt deze schakeling?

Wat is de UI karakterastiek aan de twee klemmen?

Balansschakeling: UI grafiek

Balansschakeling: IU grafiek

Balansschakeling: stroomgestuurd

Welke karakterestiek krijgen we met een stroombron?

Balansschakeling IU grafiek

Balansschakeling IU grafiek

Koppeling spoel aan circuit

Simuleer schakeling met MATLAB

Mathematische Analyse met behulp van MATLAB

Transistormodel:

Transistormodel:

Ubc > -Vt

Ubc ≤ -Vt

De drie vergelijkingen

Spoel aan circuit koppelen

Vergelijkingen vormen samen met spoelvergelijking U = L di/dt de werking van het circuit

Voor MATLAB omschrijven naar di = -u dt/L

MATLAB script schrijven om voor elk tijdstip de stroom uit te rekenen, en bij Io en -Io om te klappen

Oscillatie: resultaat

Effect Io op oscillatie

Een grotere Io: omklappunten verder uit elkaar

Spanningen blijven bijna hetzelfde, dus langere oplaadtijd -> lagere frequentie

Effect Io op oscillatie

PSPICE simulaties

Resultaat

Met spoel van 680 µH en Io 1mA: 250kHz

Voor 50kHz hebben we een Io van 10mA nodig.

Optimalisatie

Hoe kunnen we nog meer de frequentie naar 50kHz krijgen?

De stroom verhogen betekent meer dissipatie

Doel: de spoel moet minder snel 'leeglopen' zonder dat er extra stroom aan te pas komt

Optimalisatie

- Spoel minder snel leeg laten lopen: weerstand gekoppeld aan de spoel verlagen: minder ontlaadspanning bij dezelfde stroom

- Dus: extra parallelweerstand aan spoel koppelen

Optimalisatie

Circuit bouwen en meten: bleek effectief

Twee variabele weerstanden, Io varieren met voedingspanning

Optimalisatie

Resultaat:

R2 verslechtert eigenschappen: moet 0 blijven

R1 brengt frequentie omlaag maar verkleint amplitude. Maximaal resultaat R1: frequentie wordt gehalveerd.

Waarden voor ons: R1 = 68 ohm bij Io van 2,36mA, frequentie 50kHz.

Nadeel: R1 verlaagt de amplitude van de trilling en de vorm wordt raar.

Circuit met weerstand

Circuit met weerstand

Circuit met weerstand

Omschrijven naar u als functie van i met de Lambert functie

Circuit met weerstand

Voor MATLAB wordt dit dus:

(voor omklappunt)

(omklappunt)

(na omklappunt)

Circuit met weerstand

Circuit met weerstand

Uiteindelijk circuit

Bovenste Io (actieve) stroombronnen kunnen worden vervangen door weerstanden

Onderste Io (passieve) stroombronnen kunnen worden weggelaten, omdat de emittorspanning niet varieert

Uiteindelijk circuit

Berekening weerstand:

Udrop circuit: gemiddeld 450mV

(helft periode 0V, andere helft 700mV)

Blijft over voor weerstanden:

5Vdd- 450mV=4,55V

R = V/Io dus 4.55V/2,35mA = 1,9k,

afgerond 1k8

Keuze transistor:

Klein-signaaltransistor: 2N3904, of BC547

2004-06-02T11:30:27