Принцип роботи релаксационного генератора заснований на поведінці фізичної системи, що повертається до рівноваги після того, як воно порушиться. Тобто, динамічна система у вигляді генератора, безперервно розсіює свою внутрішню енергію. Зазвичай система повертається до свого природного рівноваги, однак, кожен раз, коли вона досягає деякого порога, що знаходиться досить близько до рівноважного стану, механізм роботи повідомляє їй додаткову енергію. Таким чином, поведінка генератора характеризується тривалими періодами розсіювання енергії, з наступними за ними короткими імпульсами. Період коливань залежить від часу, який необхідний системі, що б заспокоїться після знаходження в обурених стані до порога, при якому відбудеться наступне обурення.
Реалізація
Багато електронні релаксаційні генератори запасають енергію в конденсаторі, а потім періодично розсіюють цю енергію, в результаті чого виникають коливання. Наприклад, конденсатор може заряджатися до тих пір, поки напруга на ньому не досягне деякого порогового напруги, досить близького до напруги харчування. У цей момент конденсатор може бути швидко розряджається (наприклад, короткозамкнут). Крім того, кожен раз, коли конденсатор менша, ніж напруга заряджає джерела може бути переключено з позитивного на негативне, або навпаки. У всіх таких ємнісних релаксаційних генераторах період коливань залежить від швидкості розряду конденсатора. Реалізації цих двох типів релаксаційних генераторів буде розглянута далі, але релаксаційні генератори не обов'язково можуть бути електронними. Будь-генератор, коливання якого наводяться в дію системою, яка майже завжди розсіює енергію можна назвати релаксаційним генератором.
Релаксаційний генератор Пірсона-Ансона
Цей генератор може бути реалізований з ємнісний або резистивної-ємнісний інтегрує ланцюгом, живиться від джерела постійного струму або напруги, і граничним пристроєм з гістерезисом (неонова лампа, тиратрон, динистор або одноперехідний транзистор), підключених паралельно з конденсатором. Конденсатор заряджається від джерела напруги, що викликає зростання напруги на ньому. Граничне пристрій не проводить струм до тих пір, поки напруга на конденсаторі не досягає порогу перемикання. Як тільки поріг перемикання досягнутий, провідність порогового пристрою зростає лавиноподібно через властиву позитивного зворотного зв'язку, в результаті чого швидко розряджається конденсатор. Коли напруга на конденсаторі падає до деякого нижнього порога, пристрій не встановлюватиме проводити струм і конденсатор починає заряджатися знову, і далі цикл повторюється до нескінченності.
Рис.1. Типова схема релаксаційного генератора Пірсона-Ансона
Якщо пороговим елементом є неонова лампа, то схема також дає спалахи світла з кожним розрядом конденсатора. Приклад з неоновою лампою зображений на малюнку 1 в класичній схемі, яка описує ефект Пірсона-Ансона. Тривалість часу розрядки може бути збільшена шляхом підключення додаткового резистора послідовно з пороговим елементом. Два резистора утворюють дільник напруги, так що додатковий резистор повинен мати досить низький опір, щоб неонова лампа могла досягти нижнього порога перемикання.
Коли в якості тригера використовується неонова лампа або тиратрон, то часто послідовно з ними в схему додають другий резистор номіналом від десятків до сотень Ом для обмеження струму розряду конденсатора. Це запобігає розпилення покриття електродів неонових ламп і оберігає тиратрони від пошкоджень в результаті проходження великого струму через електроди.
Альтернативна реалізація генератора за допомогою 555 таймера (КР1006ВІ1)
Аналогічний релаксаційний генератор може бути побудований за допомогою 555 таймера (що працює в астабільном режимі), використовуваного замість неонової лампи, описаної вище. Тобто, коли конденсатор заряджається до певного значення, компаратор в 555 таймері перемикається, щоб активувати транзисторний ключ, який розряджає конденсатор через резистор на землю. Дуже швидко напруга на конденсаторі падає до досить низького значення, і далі ключ закривається, щоб дати конденсатору заряджати знову.
Рис.2. Внутрішня структура 555 таймера
Рис.3. Включення 555 таймера в астабільном режимі. Частота на виході: F = 1 / (0.7 * C * (R1 + 2R2))
Релаксаційний генератор на основі компаратора
Кожен раз, коли напруга на конденсаторі досягає одного з порогів, напруга, що подається на конденсатор може бути переключено з позитивного на негативне або навпаки. Цей варіант показаний на малюнку 4, у вигляді релаксационного генератора на основі компаратора.
Рис.4. Релаксаційний генератор на основі компаратора
Це релаксаційний генератор є генератором з гістерезисом, названий так через наявність гістерезису, створюваного позитивним зворотним зв'язком, реалізований на компараторе. Схема, в якій реалізується ця форма гістерезисного перемикання, відома як тригер Шмітта. Сам по собі тригер є бістабільності мультивібратором. Однак негативний зворотний зв'язок, додана до триггеру за допомогою RC ланцюга змушує схему працювати автоматично. Тобто, додавання RC ланцюга перетворює гістерезисний бістабільний мультивибратор в астабільний мультивибратор.
Загальна концепція
Система знаходиться в нестійкій рівновазі, якщо входи і виходи компаратора знаходяться при напрузі близько нуля. Поява будь-якого шуму, будь то тепловий або електромагнітний, встановлює на виході компаратора деяке позитивне напруга (так само можливе встановлення на виході компаратора негативного напруги), позитивний зворотний зв'язок доводить напругу на виході компаратора до напруги насичення.
Іншими словами, через те, що на виході компаратора тепер позитивне напруга, неінвертуючий вхід компаратора так само буде знаходитися при позитивному напрузі, і напруга на ньому буде продовжувати збільшуватися в міру збільшення вихідної напруги, що надходить на вхід через дільник. Через деякий час вихід компаратора досягне максимально можливого позитивного напруги, тобто увійде в насичення.
Інвертують вхід і вихід компаратора пов'язані між собою через послідовно з'єднану RC ланцюг. Через це напруга на інвертується вході компаратора асимптотично наближається до вихідній напрузі компаратора з постійною часу RC. У момент, коли напруга на вході інвертується буде більше, ніж на неінвертуючий, вихідна напруга компаратора швидко впаде через позитивного зворотного зв'язку.
Це відбувається тому, що напруга на неінвертуючий вході менше, ніж напруга на інвертується, і в міру того, як вихідна напруга продовжує зменшуватися, різниця між вхідними напругою стає все більш негативною. Знову ж, напруга на вході інвертується асимптотично підвищується до вихідного напруга компаратора, і цикл повторюється раз напруга на неінвертуючий вході більше, ніж напруга на вході інвертується, отже, система починає генерувати
Практичне застосування релаксаційних генераторів
Ці генератори були використані в якості времязадающих в ранніх моделях осцилографів і телевізійних приймачів. Різновиди цих схеми знаходять застосування в стробоскопи, використовуваних в автомайстерень і нічних клубах. Електронні фотоспалахи побудовані на моностабільний версії цієї схеми, генеруючи один пилкоподібний імпульс, передній фронт якого заряджає конденсатор, а круто падаючий задній фронт відповідно розряджає, виробляючи спалах після отримання сигналу від кнопки спуску. Використання релаксаційних генераторів в якості ланцюгів розгортки в осцилографах було припинено після появи набагато більш лінійної схеми Інтегратора Міллера.