Osciladores
Un oscilador es
un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios periódicos o cuasiperiódicos en
un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo
electromagnético (ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, rayos X, rayos gamma, rayos cósmicos).
En electrónica un
oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente
continua en una corriente que varía de forma periódica
en el tiempo (corriente
periódica); estas oscilaciones pueden ser senoidales,
cuadradas, triangulares, etc., dependiendo de la forma que tenga la onda
producida. Un oscilador de onda cuadrada suele denominarse multivibrador y
por lo tanto, se les llama osciladoressólo a los que funcionan en
base al principio de oscilación natural que constituyen una bobina L
(inductancia)
y un condensador C
(Capacitancia),
mientras que a los demás se le asignan nombres especiales.
Un oscilador
electrónico es fundamentalmente un amplificador cuya señal de entrada se toma
de su propia salida a través de un circuito de realimentación. Se puede
considerar que está compuesto por:
·
Un circuito cuyo desfase depende de la frecuencia.
Por ejemplo:
·
Oscilante eléctrico (LC) o electromecánico
(cuarzo).
·
Retardador de fase RC o puente de Wien
·
Un elemento amplificador
·
Un circuito de realimentación.
Oscilación eléctrica
Oscilador
LC.
Curvas
del oscilador LC.
A pesar de no ser
un oscilador electrónico tal y como se ha definido antes, la primera oscilación a
tener en cuenta es la producida por un alternador,
el cual, al estar compuesto por una espira que gira alrededor de su eje
longitudinal en el interior de un campo magnético, produce una corriente
eléctrica inducida en los terminales de la espiral. Esta corriente eléctrica,
si el campo magnético es homogéneo, tiene forma senoidal. Así, si la espira
gira a 3000 rpm, la frecuencia de la corriente alterna inducida es de 50 Hz.
El circuito
integrado oscilador más usado por principiantes, es el 555, también el 4069 y
otros.
En un oscilador
electrónico lo que se pretende es obtener un sistema de oscilación que sea
estable y periódico, manteniendo una frecuencia y
una forma de onda constante. Para ello se aprovecha el proceso natural de
oscilación amortiguada que poseen los circuitos compuestos por elementos capacitivos o inductivos.
Estos elementos tienen la capacidad de almacenar carga eléctrica en su interior
(cargarse eléctricamente) y descargarse cuando la carga que los alimentaba ha
desaparecido.
El ejemplo más
simple de oscilador es el compuesto por una bobina, un condensador, una batería
y un conmutador. Inicialmente el conmutador se halla en su posición izquierda,
de forma que el condensador C se carga con la corriente que proporciona la
batería V. Transcurrido cierto tiempo el conmutador se pasa a la posición
derecha. Como la bobina no posee ninguna carga y el condensador está totalmente
cargado, este último se descarga completamente hacia la bobina, una vez que el
condensador se ha descargado completamente es ahora la bobina la que se
descarga sobre el condensador, no parándose hasta que la carga en la bobina es
cero y el condensador por lo tanto vuelve a estar cargado. Este proceso se
repite hasta que la energía almacenada por uno y otro se consume en forma de
calor.
Este proceso puede
representarse gráficamente empleando un eje cartesiano X-Y en el que el eje X
representa el tiempo y el eje Y el valor de la corriente eléctrica que circula
por la bobina y las tensiones en los bornes del condensador. Si se lo dibuja se
puede apreciar como se produce un continuo intercambio de energía entre el
condensador y la bobina. La substracción de energía producida por la
resistencia de la bobina y el condensador (lo que provoca el calentamiento de
los componentes) es lo que hace que este proceso no sea infinito.
En la gráfica se
puede apreciar cómo el defase de tensiones existente entre bornes de la bobina
es siempre de sentido opuesto a la existente en el condensador. Este defase es
de 180º entre tensiones, existiendo un defase de 90º entre la corriente que
circula por la bobina y la tensión existente.
Esta señal se va
amortiguando con el tiempo, hasta que acaba extinguiéndose transcurrido un
período bastante corto. Un circuito electrónico que sea capaz de volver a
cargar eléctricamente uno de los componentes permitirá hacer un proceso de
oscilación constante.
Tipos de
ociladores
Oscilador LC
Curvas de tensión en un oscilador LC.
Un oscilador LC está formado por una bobina y un condensador en paralelo. Su
funcionamiento se basa en el almacenamiento de energía en forma de carga
eléctrica en el condensador y en forma de campo magnético en la bobina.
Funcionamiento del circuito
El condensador, en un tiempo igual a cero, ofrece
una impedancia cercana
a cero ohmios, por lo que
permite que fluya una gran corriente a través de él, la cual va disminuyendo hasta que
sus placas sean llenadas de tantas cargas positivas y
negativas como lo permita el tamaño de las mismas y la permitividad eléctrica del aislante que
hay entre ellas.
En este instante el condensador actúa como un aislante,
ya que no puede permitir más el paso de la corriente, y se crea un campo eléctrico entre
las dos placas, que es el que crea la fuerza necesaria para mantener
almacenadas las cargas eléctricas positivas y negativas, en sus respectivas
placas.
Por otra parte, en un tiempo igual a cero la bobina posee
un impedancia casi infinita, por lo que no permite el flujo de la corriente a
través de ella y, a medida que pasa el tiempo, la corriente empieza a fluir,
creándose entonces un campo magnético proporcional
a la magnitud de la misma. También la oposición que hace la bobina, al paso de
la corriente eléctrica, empieza a disminuir a medida que transcurre el tiempo.
El condensador, que en principio permitía a los electrones salir de una placa,
y entrar en la otra, va reduciendo esta capacidad con el paso del tiempo.
Al estar el condensador y la bobina en paralelo, la
energía almacenada por el campo eléctrico del condensador (en forma de cargas
electrostáticas), es absorbida por la bobina, que la almacena en su campo
magnético, pero a continuación es absorbida y almacenada por el condensador;
nuevamente en forma de campo eléctrico; para ser nuevamente absorbida por la
bobina, y así sucesivamente. Esto crea un vaivén de la corriente (cargas
eléctricas) entre el condensador y la bobina. Este vaivén constituye una
oscilación electromagnética, en la cual el campo eléctrico y el magnético son
perpendiculares entre sí, que cuando el campo magnético de la bobina esta en su
punto máximo, el campo eléctrico almacenado en el condensador es cero, y que
cuando el campo eléctrico en el condensador es máximo, no existe campo
magnético en la bobina.
Por definición, un electrón tiene un campo eléctrico asociado
a él, debido a las cargas eléctricas fundamentales que lo componen. Cuando los
electrones están almacenados en las placas del condensador, están en forma de
carga estática, o sea, una placa tiene un excedente "X" de electrones
(esta placa es la negativa), y la otra placa tiene una carencia "X"
de electrones (esta placa es la positiva). Cuando la bobina empieza a permitir
el flujo de electrones a través de ella, empiezan a moverse los electrones
desde la placa negativa (la que tiene electrones en excedencia), hacia la placa
positiva (la que tiene carencia de electrones con respecto a la negativa).
Cuando un electrón se mueve, se crea un campo magnético asociado a este,
perpendicular a la dirección del movimiento. Al tener el electrón un campo
eléctrico, y ahora al moverse, un campo magnético, se llama de esta forma, un
campo electromagnético.
El campo magnético solo existe cuando los electrones
están movimiento, partiendo desde la placa negativa del condensador, hacia la
placa positiva, a través de la bobina. Una vez que se ha movido una cierta
cantidad de electrones, haciendo que haya la misma cantidad de electrones en
ambas placas, logrando así el equilibrio; en este momento se reduce a 0 voltios
la diferencia de potencial en el condensador (y en la bobina, al estar está
conectada en paralelo). En este momento al cesar el movimiento de los
electrones, se detiene entonces la producción del campo magnético en la bobina,
por lo que el campo magnético previamente producido por dicha bobina, colapsa
sobre ella, produciendo una auto-inducción de voltaje con polaridad opuesta. En
este momento entonces, el voltaje auto-inducido por la bobina, crea una fuerza
electromotriz que provoca el movimiento de los electrones, desde la placa que
antes era la positiva (la que carecía de electrones, que luego se equilibró),
hacia la que antes era la negativa (la que tenia electrones en excedencia, que
luego los cedió y logro su equilibrio). De esta forma la bobina carga al
condensador con polaridad opuesta, hasta que ésta haya agotado y consumido por
completo su campo magnético. A partir de aquí, se repite el ciclo nuevamente.
Cabe aclarar que en cada ciclo o vaivén de carga y
descarga, hay perdidas debido a la resistencia eléctrica del conductor que
conforma la bobina, y a las fugas del dieléctrico que conforma al condensador.
Por lo que en cada ciclo, el voltaje al que se carga el condensador ira siendo
menor, hasta agotarse con el tiempo. Es por eso que se necesitan circuitos
electrónicos amplificadores, que reponen el voltaje perdido, para mantener las
oscilaciones constantes y por tiempo indefinido.
Oscilador Hartley
El oscilador Hartley es un circuito
electrónico basado en un oscilador LC. Se trata de un
oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una señal de
frecuencia determinada sin que exista una entrada.
Estructura
Oscilador
Hartley
El circuito
básico usando un transistor bipolar, considerando sólo el circuito de
oscilación, consta de un condensador entre la base y el colector (C)
y dos bobinas (L1 y L2) entre el emisor y la base y el colector
respectivamente. La carga se puede colocar entre el colector y L2.
En este tipo
de osciladores, en lugar de L1 y L2 por separado, se suele utilizar una bobina
con toma intermedia.
Para poder
ajustar la frecuencia a la que el circuito oscila, se puede usar un condensador
variable, como sucede en la gran mayoría de las radios que usan este oscilador,
o bien cambiando la relación entre L1 y L2 variando una de ellas como en los
receptores Collins; a esta última técnica se la llama "sintonía por
permeabilidad".
El circuito
de polarización se diseña de tal forma que afecte lo menos posible al circuito
de oscilación, para ello se pueden emplear condensadores de desacoplo, choques
de radiofrecuencia, etc. Esta es la razón por la cual en la imagen no se
dibujan.
Análisis
A partir de
los criterios de Barkhausen y del
modelo equivalente de parámetros h del transistor se pueden obtener las
siguientes expresiones que describen el comportamiento de un oscilador Hartley:
Frecuencia de oscilación:
Condición
arranque:
- si el transistor utilizado es un BJT:
- si el transistor utilizado es un FET:
Características
Ventajas:
- Puede tener fácilmente una frecuencia variable.
- Amplitud de salida constante.
Desventajas:
- Gran contenido en armónicos.
- No obtiene una onda senoidal pura.
Oscilador Colpitts
Oscilador Colpitts práctico.
El oscilador Colpitts es un circuito
electrónico basado en un oscilador LC diseñado por
Edwin H. Colpitts. Se trata de un oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una señal de frecuencia
determinada sin que exista una entrada. Su estabilidad es superior a la del
oscilador Hartley.
Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un
divisor de tensión formado por dos condensadores: C1 y C2. De la unión de estos condensadores 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 L1 (choke)
se utiliza para evitar que la señal alterna pase a la fuente Vcc. Este
oscilador se utiliza para bandas de VHF (Very High Frecuency), frecuencias que
van de 30 Mhz a 300 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:
La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por:
donde:
Entonces el cálculo es:
Oscilador Clapp
El oscilador
Clapp, inventado por James
Kilton Clapp en 1948,1 es
una de las numerosas configuraciones posibles de un oscilador
electrónico. Es similar al Seiler, con una modificación del Oscilador
Colpitts, en el cual se pone un condensador en serie con la
bobina del circuito resonante.
La inductancia L es
parcialmente compensada por la reactancia del condensador C0.
Eso permite inductancias más elevadas que elevan el factor Q (también
llamado factor de
calidad o factor de mérito) de la bobina, lo que permite a
su vez que el oscilador sea
más estable y tenga un ancho de banda más
estrecho.
Frecuencia de oscilación:
Condición arranque
para que el circuito empiece a oscilar espontáneamente es la siguiente:
·
si el transistor utilizado es un BJT:
Se puede
perfeccionar el oscilador Clapp sustituyendo la bobina L y el
condensador C0 por un cristal de cuarzo
Oscilador Pierce
El oscilador Pierce es un oscilador en el
cual el circuito resonante LC es
reemplazado por un cristal de cuarzo, X en la figura.
El modelo de
un cristal de cuarzo puede describirse por un circuito
equivalente, compuesto de la conexión en paralelo entre:
·
una inductancia L, a su vez en serie con una
resistencia R y un condensador C1, y
·
un condensador C2
El cristal
de cuarzo tiene un factor Q (factor de mérito o factor de calidad) sumamente
elevado. Con él se pueden obtener frecuencias estables del orden de las partes
por millón.Sus principales ventajas radican en su capacidad de trabajo en altas
frecuencias y en mantener estable su frecuencia de trabajo
Oscilador
de cambio de fase
El oscilador de cambio de fase (en
inglés phase-shift oscillator) es un circuito electrónico que
produce una salida en forma de onda senoidal.
Consiste en un amplificador inversor, o de ganancia negativa, al que se le
añade una realimentación constituida por una sección RC de tercer orden en
escalera. Esta red de realimentación introduce un desfase de 180º para ser
compatible con la ganancia negativa del amplificador que introduce a su vez
otro desfase de 180º1 el oscilador de cambio
de fase se utiliza frecuentemente como oscilador de audio a frecuencias
audibles.
Implementación
Un ejemplo de oscilador de cambio de fase
Una de la implementaciones más simples de este tipo
de oscilador utiliza un amplificador operacional, tres condensadores y
cuatro resistencias como se muestra en el diagrama
Las matemáticas para
calcular la frecuencia de oscilación y el criterio de oscilación para este
circuito son sorprendetemente complejas, debido a que cada una de las secciones
RC recibe su carga de la sección anterior Los calculos se simplifican grandemente
si se utilizan resistencias y condensadores iguales, a excepción de la
resistencia de realimentación negativa. En el esquema, si
, y
, entonces:
y el criterio de oscilación es:
Plantilla:Breakafterimages Sin la simplificación de las resistencias y condensadores sean iguales, los cálculos se vuelven mucho mas complejos:
Criterio de oscilación:
Características de un buen oscilador RF
Lo que se le pide a un oscilador RF es:
·
que arranque automáticamente al conectarlo.
·
que sea estable en frecuencia ante fenómenos
como vibraciones, cambios de temperatura, cambios en la tensión de
alimentación, etc.
·
que cuando sea de frecuencia variable, varíe
su frecuencia de manera repetitiva
·
que cuando sea de frecuencia variable, llegue
rápidamente a la nueva frecuencia
·
que cuando se le conecte otro componente
electrónico a la salida, la carga no genere un cambio en la frecuencia
·
que tenga poca distorsión
·
que tenga bajo ruido de fase.
Tipos de osciladores RFLos osciladores de radiofrecuencia pueden ser de varios tipos. Los más comunes son:
·
Osciladores Pierce, a cuarzo o cerámicos
·
Osciladores LC : Hartley, Colpitts ,
Vackar, Seiler, Clapp
·
Osciladores por frecuencia sintetizada
Cada uno tiene sus ventajas y desventajas. Los
osciladores Pierce a cuarzo utilizan un cristal de cuarzo, el cual una
vez en resonancia confiere al circuito una gran estabilidad en frecuencia, pero
exactamente por ese motivo es difícil obtener osciladores de frecuencia
variable: las excursiones de frecuencia son limitadas.Cuando el oscilador Pierce usa un componente cerámico en vez de un cristal de cuarzo, entonces las excursiones de frecuencia son algo más importantes, pero eso se logra a costa de la estabilidad en frecuencia. También son más sensibles a la temperatura.
Los osciladores LC son más sencillos, y variando la capacitancia o la inductancia de algunos componentes es posible obtener osciladores variables. Sin embargo, la construcción mecánica es delicada, y más allá de los 15 MHz son bastante inestables: la frecuencia "deriva". Algunos, como el Hartley, tienen un contenido de armónicos muy rico, lo que obliga a filtrar cuidadosamente la señal para eliminar esos armónicos. El Colpitts es sumamente utilizado. El Vackar es muy estable pero requiere en su versión original algunos componentes muy caros o difíciles de obtener. El Seiler y el Clapp son mejoras del Colpitts.
Los osciladores por frecuencia sintetizada son producidos por circuitos integrados especiales. Sin embargo, esos circuitos integrados son caros y difíciles de soldar, lo que limita su uso en los proyectos del radioaficionado menos equipado. Además, codificar una frecuencia suele requerir un microprocesador para controlarlo, lo cual complica el diseño. Finalmente, estos sintetizadores de frecuencia suelen introducir un molesto ruido de fase.
