Los osciladores son dispositivos capaces de repetir dos acciones opuestas en un período regular. Ejemplo: movimiento de un péndulo.
Un ejemplo de oscilador en el área de la electrónica, es la variación de la tensión o corriente en un punto específico.
Un circuito LC (inductor– capacitor) es capaz de producir esta oscilación a su frecuencia natural de resonancia.
Aplicaciones de los osciladores:
- Circuitos digitales (reloj)
- Transmisión y recepción de radio
Hay un tipo de oscilador llamado oscilador realimentado y para que éste oscile debe haber en el circuito una realimentación positiva.
Las características de los osciladores realimentados
1.- Amplificación
2.- Lazo de realimentación positiva
3.- Circuito para controlar la frecuencia
Un oscilador realimentado es un circuito que usa un amplificador para suministrar la energía necesaria al oscilador y un circuito de realimentación para mantener la oscilación. Es en este circuito de realimentación donde se pierde la energía que tiene que suministrar el amplificador para el continuo funcionamiento del oscilador.
Como empieza la oscilación?
La tensión de arranque es generada por los mismos componentes del oscilador. Los resistores generan una tensión de ruido que tiene frecuencias senoidales mayores a los 10.000.000.000.000 hertz. Cuando el circuito arranca todas las frecuencias generadas son amplificadas y aparecen a la salida excitando el circuito resonante que responde sólo una de ellas, la cual es realimentada a la entrada del circuito con la fase adecuada para que se inicie la operación.
Tipos de osciladores:
- Oscilador por corrimiento de fase
- Oscilador Armstrong (no muy utilizado debido a su inestabilidad)
- Oscilador Hartley
- Oscilador Colpits
La realimentación positiva
- Vi = Tensión de entrada
- Vo = Tensión de salida
- B = Ganancia del circuito de realimentación
- Ao = Ganancia del amplificador con lazo abierto Ao = Vo / Vi (no se toma en cuenta la realimentación). Ver el gráfico
- Vf = Tensión de realimentación
- Ac = Ganancia en lazo cerrado
- BAo = Este producto (B x Ao) se llama ganancia de lazo
Para realimentación positiva, la ganancia de lazo cerrado es:
Ac = Ao / [1-BAo]
Si el producto B x Ao se aproxima a "1", el denominador de la fórmula anterior tiende a "0" y como consecuencia la ganancia de lazo cerrado Ac, tiende al infinito. Estas ganancias tan altas producen oscilaciones.
Osciladores por corrimiento de fase
Los osciladores por corrimiento de fase utilizan generalmente en la red de realimentación (B) compuesta de componentes pasivos (resistencia y condensadores). Ver el gráfico.
En la etapa amplificadora (A), hay un amplificador inversor con amplificador operacional A2, con lo que la señal a su entrada es desplazada 180º.
Entondes se puede utilizar una red (B) de tres etapas RC (R1C1, R2C2, R3C3. cada red RC desplaza 60º) para obtener los restantes 180º y así sumar los 360º necesarios.
En el gráfico se ve un amplificador A1, que se utiliza para evitar que la red de desplazamiento de fase cargue la entrada del amplificador inversor A2. Esto es así, debido a que el amplificador A1 tiene una alta impedancia de entrada. La salida de A1 tiene la misma fase que su entrada (no desfasa).
La frecuencia de oscilación está dada por la siguiente fórmula:
El amplificador A2 da la ganancia necesaria para mentener la oscilación y puede ser calculada con la fórmula: Ganacia = - R5 / R4, donde el signo menos significa inversión de fase. Con R2 = 36K y R1=1K, la ganacia es 36.
Si la atenuación causada por la red RC, es menor a la esperada, la ganancia de lazo es mayor que 1 (la ganancia en lazo abierto desable es 1). La señal de salida entonces crece hasta que el amplificador amplifica con distorsión.
Como la entrada no inversora del amplificador A2 está a tierra y la entrada inversora del mismo amplificador es una tierra virtual, la entrada inversora se mantiene cerca de los 0 voltios.
Para evitar que la ganancia sea mayor que 1, se incluyen dos diodos (D1 y D2) que conducen cuando la salida senoidal de A2 en sentido positivo es mayor de 0.7V, y en sentido negativo menor a - 0.7V.
Cuando la salida de A2 es aproximadamente 0.7 V, D1 conduce poniendo las resistencias R5 y R6 en paralelo, lo mismo sucede cuando la señal es de aproximadamente de -0.7, D2 conduce poniendo en paralelo las mismas resistencias. Entoces la ganacia de A2 será = (R5//R6)/R4 = (36k//8.2K)/1K = 6.5. Ganancia que es menor a 36 anteriores. Así la tensión de salida será aproximadamente 1.4V pico-pico.
Nota:
- // significa: en paralelo
- A1, A2: amplificadores operacionales de propósito general TI LM348N (4 operacionales)
Oscilador Puente Wein: Ganancia, red realimentación
Ganancia, realimentación
El oscilador puente de Wien es un oscilador utilizado para generar ondas sinusoidales que van desde los 5 Hz a los 5 Mhz.
A diferencia del oscilador por corrimiento de fase, tiene menos componentes y el ajuste de la frecuencia de oscilación es más fácil, motivo por el cual es más utilizado.
El circuito básico consta de un amplificador y una red de adelando/atrazo compuesto de dos redes RC, una serie y otra paralelo. Los dos valores de resistencias y condensadores son iguales.
Ganancia
La ganancia del amplificador está dada por las resistencias R1 y R2.
La ganancia que debe tener este amplificador debe compensar la atenuación causada por las redes RC (red de realimentación positiva conectada a la patilla no inversora del amplificador operacional). Esta ganancia debe estar por encima de 1 para asegurar la oscilación.
La ganancia se obtiene con la primera fórmula. Como la ganancia debe ser mayor que 1, la ecuación se simplifica y se obtiene la segunda fórmula:
Ver que para que esto se dé el cociente de R2 y R1 debe ser igual o mayor que 2.
Red de realimentación y desfase
La salida de la red de realimentación se comporta de la siguiente manera:
- Para frecuencias por debajo la frecuencia de oscilación la atenuación es grande y la fase se adelanta 90°
- A la frecuencia de resonancia la ganancia de tensión es de 1/3 (máxima) y no hay corrimiento de fase.
- Para frecuencias por encina de la frecuencia de oscilación, la atenuación es grande y la fase se atrasa 90°.
Oscilador Puente de Wein
Frecuencia de oscilación
Para lograr la oscilación, es necesario que el desfase o desplazamiento de fase sea 360° o lo que es lo mismo, que el desfase sea 0°.
Para deducir la fórmula de oscilación, se siguen los pasos mostrados en la figura.
En la primera ecuación se ve que para que esta sea igual a 0, el contenido del paréntesisi debe ser igual a 0.
La igualdad de la segunda ecuación permite despejar w y después la frecuencia f. Al final de la simplificación se ve que la frecuencia depende los valores del condensador C y la resistencia R. Recordar que w = 2Pif
Un oscilador puente de Wien real
Los valores de las resistencias y condensadores de las redes RC, R3 = R4 = 16.2K y C3 = C4 = 0.01uF.
También se ve el amplificador inversor con las resistencias R1 y R2 que establecen la ganancia del amplificador. R1 = 10K y R2 está compuesto de una resistencia en serie con un potenciómetro R2 = R + P. La resistencia R = 18K y el potenciómetro P = 5K.
El potenciómetro se conecta como resistencia variable y cuando este tiene su valor mínimo, (0 ohmios), el valor de R2 = 18K. Cuando el potenciómetro tiene su valor máximo (5K), R2 = 23K.
Con los datos anteriores la ganancia del amplificador varía de 1.8 a 2.3 (mayor a 1)
El recuadro formado por el puente de diodos y el diodo zener tiene como objetivo limitar la salida del amplificador operacional a un máximo positivo de 7 voltios y negativo de -7 voltios.
El puente de diodos suministra una tensión de 5.6 voltios tanto para el ciclo negativo como para el positivo.
Esta tensión sumada a dos caídas de tensión de dos diodos (0.7+0.7=1.4), suman los 7 voltios mencionados.
Oscilador Hartley
El Oscilador Hartley es un tipo de oscilador muy utilizado en receptores de radio con transistores adaptándose con facilidad a una gran gama de frecuencias. Para su funcionamiento este circuito utiliza una bobina con derivación central.
Analizando el diagrama, se ve que el punto de derivación D de la bobina L1, estará puesto a tierra para corriente alterna (c.a.) (a la frecuencia de oscilación) a través del condensador C4.
De esta manera se logra que los extremos A y B de la bobina estén 180° fuera de fase (funciona como un inversor).
El extremo B se realimenta a la base del transistor a través de C1, haciendo que éste (el transistor) cambie de estado, esto a su vez cambia las polaridades en los extremos de la bobina, repitiéndose el proceso y produciéndose así la oscilación.
La función de la bobina L2 es de choque de R.F. y evita que la señal del oscilador pase a la fuente de alimentación.
Analizando el funcionamiento de la bobina con derivación y tomando en cuenta que la conexión D (derivación central) está puesta a tierra a través del capacitor C4, las formas de onda en los extremos de la bobina serán:
La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por la fórmula:
fo = 1 / [2π x ( LC)1/2].
Notas:
- C3 puede ser un capacitor variable para ajustar la frecuencia de oscilación
- El exponente 1/2 equivale a una raíz cuadrada
Oscilador Colpitts
El oscilador Colpitts es un tipo de oscilador es muy utilizado en generadores de frecuencia de alta calidad y se usa principalmente para obtener frecuencia por encima de 1 Mhz. Su estabilidad es superior a la del oscilador Hartley.
Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos capacitores: C1 y C2.
De la unión de estos capacitores sale una conexión a tierra. De esta manera la tensión en los terminales superior de C1 e inferior de C2 tendrán tensiones opuestas.
La realimentación positiva se obtiene del terminal inferior de C2 y es llevada a la base del transistor a través de una resistencia y un condensador
La bobina L2 (choke) se utiliza para evitar que la señal alterna no pase a la fuente Vcc
Este oscilador se utiliza para bandas de VHF (Very High Frecuency), frecuencias que van de 1 Mhz a 30 Mhz.
A estas frecuencias sería muy difícil utilizar el oscilador Hartley debido a que las bobinas a utilizar serían muy pequeñas.
La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por:
fo = 1 / [2π x ( LC)1/2]
donde:
- C = C1xC2 / [C1+C2]
- L = L1
Notas:
- R1 puede ser un resistor variable (potenciómetro) para ajustar la magnitud de la señal de la salida que se realimenta a la entrada.
- El exponente 1/2 equivale a una raíz cuadrada.
Mario Dominguez Zambrano
EES
Sección: 02
Filtro activo paso bajo con Amplificador Operacional
