Oscilador 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 osciladores sólo 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: o
Oscilante eléctrico (LC) o electromecánico (cuarzo).
o
Retardador de fase RC o puente de Wien
Un elemento amplificador
Un circuito de realimentación.
¿Cómo funciona un oscilador? Los osciladores son importantes en muchos tipos diferentes de equipos electrónicos. Por ejemplo, un reloj de cuarzo usa un oscilador de cuarzo para mantener un seguimiento de la hora que es. Un radio transmisor AM usa un oscilador para crear la onda portadora para la estación, y la radio receptora AM
usa un oscilador especial llamado resonador para poder sintonizar. Existen osciladores en ordenadores, detectores de metales, o incluso en ciertos tipos de armamento. Para entender como funcionan los osciladores en formato electrónico, es aconsejable ver ejemplos del mundo real, lo cual podremos ver a continuación. Conceptos básicos Uno de los osciladores más comúnmente usados es el péndulo de un reloj. Si empujas un péndulo para que empiece a moverse, oscilará hacia delante a una cierta frecuencia, y a continuación volverá hacía atrás de nuevo y así sucesivamente varias veces por segundo. La longitud del péndulo es el principal factor que controla la frecuencia. Para que algo oscile, la energía debe ir adelante y atrás en dos formas. Por ejemplo, en un péndulo, la energía se mueve entre la energía potencial y la energía cinética. Cuando el péndulo está en uno de los puntos finales de su viaje, su energía es toda potencial y está preparada para caer. Cuando está en la mitad de su ciclo, toda esa energía potencial se convierte en energía cinética, y el péndulo se está moviendo lo más rápido que puede. Según el péndulo se mueve al final de su movimiento, toda esa energía cinética se vuelve a convertir en energía potencial. Este movimiento de energía entre las dos formas es lo que causa la oscilación. Eventualmente, cualquier oscilador físico se para de mover debido a la fricción. Para mantenerlo, se debe añadir un poco de energía en cada ciclo. En un péndulo de reloj, la energía que mantiene al péndulo moviéndose es el muelle. Recibe un pequeño empuje en cada vuelta para compensar la energía que pierde debido a la fricción. Un oscilador electrónico trabaja sobre el mismo principio.
Osciladores electrónicos La energía se debe mover entre dos formas continuamente para que un oscilador funcione correctamente. Puedes crear un simple oscilador conectando juntos un capacitador y un inductor. Estos dos dispositivos tienen la capacidad de almacenar energía. Un capacitador almacena energía en la forma de un campo electroestático, mientras que un inductor usa un campo magnético. Si cargas el capacitador con una batería, y luego insertas el inductor en el mismo circuito en el que se encuentra el capacitador, ocurrirá que: El capacitador empezará a descargarse a través del inductor. Según lo haga, el inductor creará un campo magnético. Una vez que el capacitador se descarga, el inductor intentará mantener la corriente moviéndose por el circuito lo cual cargará el otro extremo del capacitador. Una vez que el campo del inductor desaparece, el capacitador volverá a estar cargado (pero con distinta polaridad), por lo que se descargará de nuevo por el inductor. Esta oscilación continuará hasta que el circuito se quede sin energía debido a la resistencia del cable. Oscilará a una frecuencia que dependerá del tamaño del inductor y el capacitador. Osciladores sinusoidales Los osciladores sinusoidales juegan un papel importante en los sistema electrónicos que utilizan señales armónicas. A pesar de que en numerosas ocasiones se les denomina osciladores lineales, es preciso utilizar alguna característica no-lineal para generar una onda de salida sinusoidal.
De hecho, los osciladores son esencialmente no-lineales lo que complica las técnicas de diseño y análisis de este tipo de circuitos. El diseño de osciladores se realiza en dos fases: una lineal, basado en métodos en el dominio frecuencial que utilizan análisis de circuitos realimentados, y otra no-lineal, que utiliza mecanismos no lineales para el control de la amplitud. Un oscilador es básicamente un circuito autónomo, es decir, es capaz de generar una señal periódica sinusoidal sin necesidad de aplicar ninguna entrada. Una diferencia fundamental respecto a los circuitos multivibradores es que estos últimos son circuitos no lineales (basados en comparadores, disparadores de Schmitt, ...) frente a los circuitos cuasi-lineales de los osciladores.
Oscilador de cambio de fase El oscilador de cambio de fase consiste en un amplificador de ganancia negativa con 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 180º. Oscilador de puente de Wien
Oscilador de puente de Wien clásico En electrónica un oscilador de puente de Wien es un tipo de oscilador que genera ondas sinusoidales sin necesidad de ninguna señal de entrada. Puede generar un amplio rango de frecuencias. El puente está compuesto de cuatro resistencias y dos condensadores. El circuito está basado en un puente originalmente desarrollado por Max Wien en 1891. El circuito moderno está derivado de la tesis final de William Hewlett, para obtener el máster en la Universidad de Stanford. Hewlett, junto con David Packard fundaron la empresa Hewlett-Packard. Su primer producto fue el HP 200A, un oscilador de ondas sinusoidales de precisión basado en el puente de Wien. El 200A se convirtió en un instrumento electrónico clásico conocido por su baja distorsión. La frecuencia de oscilación está dada por:
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:
donde:
Entonces el cálculo es:
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. [editar] 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. Oscilador de cristal
Varios resonadores piezoeléctricos. Un oscilador de cristal es aquel oscilador que incluye en su realimentación un resonador piezoeléctrico. Características El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase, dada por el resonador.
La frecuencia es estable frente a variaciones de la tensión de alimentación. La dependencia con la temperatura depende del resonador, pero un valor típico para cristales de cuarzo es de 0' 005% del valor a 25 °C, en el margen de 0 a 70 °C. Estos osciladores admiten un pequeño ajuste de frecuencia, con un condensador en serie con el resonador, que aproxima la frecuencia de este, de la resonancia serie a la paralela. Este ajuste se puede utilizar en los VCO para modular su salida. Oscilador Vackar
El Oscilador Vackar es un oscilador LC mejorado y diseñado para ser estable en frecuencia. Su descripción puede encontrarse en los ARRL Handbook posteriores al año 2000.
Se parece al oscilador Colpitts o bien al oscilador Clapp en que utiliza una red complicada de circuitos LC como oscilador tanque. Difiere en que su nivel de salida es relativamente estable sobre el rango de frecuencias, y en que tiene un mayor ancho de banda, comparado con el oscilador Clapp. Oscilador Seiler
El Oscilador Seiler es un oscilador Colpitts mejorado pero más difícil a poner a punto. En este oscilador se agrega una capacidad en paralelo y una capacidad en serie entre la bobina y la realimentación del oscilador. Como la capacidad en serie con la bobina le substrae reactancia, por lo tanto la bobina puede tener una inductancia más alta, y por lo tanto, tener un factor Q mayor. Con esta mejora, la estabilidad mejora un poco. El oscilador Seiler es preferible al Oscilador Clapp cuando se usan varicaps como elementos de control, porque la bobina está conectada a la masa. Sin embargo, el bajo valor de capacidad de acople en el oscilador Seiler puede provocar una deriva en frecuencia. Los osciladores Colpitts, Clapp y Seiler cuando usan un MOSFET o FET como elemento de ganancia, pueden requerir una bobina de reactancia suficiente en la puerta S (source). Oscilador Clapp
Oscilador Clapp.
El oscilador Clapp 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 mas 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 Co por un cristal de cuarzo. Oscilador Pierce
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.
Generador de Onda cuadrada
Se conoce por onda cuadrada a la onda de corriente alterna (CA) que alterna su valor entre dos valores extremos sin pasar por los valores intermedios (al contrario de lo que sucede con la onda senoidal y la onda triangular, etc.) Se usa principalmente para la generación de pulsos eléctricos que son usados como señales (1 y 0) que permiten ser manipuladas fácilmente, un circuito electrónico que genera ondas cuadradas se conoce como generador de pulsos, este tipo de circuitos es la base de la electrónica digital Multivibradores Los multivibradores son en realidad osciladores, pero su forma de onda de salida no es una señal senoidal, sino que generan una onda cuadrada. Existen dos clases de multivibradores: -De funcionamiento continuo, también llamados libres, recurrentes o astables, mucho más conocidos por éste último nombre, que generan ondas sin la necesidad de más excitación exterior que la propia fuente de alimentación. -De funcionamiento excitado, que requieren una tensión exterior de disparo o de excitación para salir de unas condiciones estáticas o de reposo.
Multivibrador astable. Un multivibrador astable es un oscilador de relajación; su frecuencia de salida depende de la carga y descarga de condensadores. Estas cargas y descargas son provocadas por la conmutación de sendos transistores. Si dividimos un multivibrador astable en dos verticalmente, se puede observar que es un circuito simétrico, desde el punto de vista geométrico. Si hacemos T1=T2, R1=R4, R2=R3 y C1=C2, la forma de onda de cualquiera de las salidas será simétrica, es decir, la duración de ambos niveles de tensión de cada ciclo será idéntica. La frecuencia de salida viene determinada por los valores de C1, C2, R2 y R3; si se rompe la igualdad, expuesta anteriormente, entre dichos componentes, la forma de onda de salida será asimétrica. Las formas de onda de salida Vo1 y Vo2 está desfasadas 180º; mientras una está en su nivel superior la otra está en el inferior. Esto es debido a la situación de T1 en corte y T2 en saturación, y viceversa. Funcionamiento Si consideramos un instante en el que T2 esté en saturación y T1 en corte, C1 se empezará a cargar a través de T2 y R1, y, como el punto de unión de C1 y R2 está conectado a la base de T2, llegará un momento en que la tensión en la base de T2 es insuficiente para que T2 permanezca saturado, con lo que al conducir menos la tensión Vo2 aumentará, iniciando el proceso descrito anteriormente pero en sentido contrario, es decir, llevando a T1 a saturación y T2 al corte. Mientras C1 adquiría carga para provocar tal cambio, C2 se va descargando. Este proceso se mantiene mientras estemos suministrando tensión al circuito de esta forma: Las condiciones iniciales son estas: C1 estaba prácticamente descargado. C2 estaba totalmente cargado.
T1 estaba en corte T2 estaba en saturación En estas circunstancias, C2 encuentra un camino de descarga a través de R3 y T2 y C1 se carga a través de la unión base-emisor de T2 y de R1. Momentáneamente, la base de T1 se encuentra sometida a un potencial de -Vcc, aproximadamente, respecto a masa. Obsérvese la polaridad con que se había cargado C2, al conectar su terminal positivo a masa a través de T2, al inicio de la descarga, en la base de T1 se reflejan -Vcc voltios, aproximadamente, que es la carga de C2. A partir del instante en que T2 pasa a saturación, C2 se empieza a descargar; tardará un tiempo T2 = 0.69 · C2 · R3 En un tiempo menor se habrá cargado C1, ya que C1 = C2 y R1 << R3 Una vez que C2 se ha descargado totalmente empezará a cargarse en sentido contrario, esto es, el punto de unión de C2 y R3 será ligeramente positivo, por lo que también se aplicará polarización directa a la base de T1, que provocará el basculamiento del circuito y que sitúa a T1 en saturación y a T2 en corte, comenzado entonces C2 a cargarse a través de su circuito de carga y C1 a descargarse a través de R2 y T1. De forma análoga al proceso anterior, la base de T2 se encuentra en el instante de la conmutación sometida a un potencial negativo próximo a -Vcc que va disminuyendo según se descarga C1; lo hará en un tiempo T1 = 0.69 · R2 · C1 Por la razón expuesta anteriormente, C2 se cargará en un tiempo menor que T1.
Una vez extinguida la carga de C1, éste adquiere una pequeña carga en sentido contrario, que hará de nuevo conmutar al circuito, pasando T2 a saturación y T1 a corte, con lo que se inicia un nuevo ciclo. Por todo esto se deduce que un ciclo tendrá un periodo T = t2 + t1 como C1 = C2 y R2 = R3, tendremos que t = 2 · (0.69 · R2 · C1) = 1.38 · R2 · C1 Esta expresión es cierta sólo en el caso de circuitos simétricos; en caso contrario, la duración de un ciclo será T = t1 + t2 = 0.69 · R2 · C1 + 0.69 · R3 · R2 por lo que, en cualquiera de los casos, la frecuencia de oscilación es conocida con facilidad.
Multivibrador astable. Generador de diente de sierra
Un generador de diente de sierra es un circuito encargado de generar un tipo de señal particular que se repite en el tiempo. También se lo conoce como circuito “generador de rampa”. Como en muchos casos que vemos a diario, en la electrónica hay diversas formas de lograr una rampa acorde a nuestras necesidades. Podemos generar una rampa con un crecimiento
abrupto y una caída lenta o viceversa. Podemos ver este caso en las imágenes inferiores donde t1 es mayor a t2 y donde se encuentra la situación contraria. También podemos generar una señal resultante que tenga el mismo tiempo de subida que de bajada o descenso (t1 = t2). Es decir, las posibilidades dentro del mundo de los generadores de diente de sierra o de rampa son muy variadas, y nosotros trabajaremos sólo sobre una en especial que será el punto de partida de un desarrollo que promete ser el mejor del año.
Una señal triangular, "diente de sierra" o rampa puede adoptar variadas formas Para nuestra aplicación principal debemos obtener una rampa de lento y continuo crecimiento que posea la mayor y mejor linealidad que se pueda lograr desde un valor mínimo hasta alcanzar un máximo y que, por supuesto, mantenga la frecuencia de oscilación en forma constante. Luego de ese lento crecimiento, señalado en el gráfico anterior como “t1”, la
señal debe finalizar (“t2”) en una rampa descendente tan rápida como sea posible. Todos estos parámetros o consignas serán fundamentales para lograr un buen desempeño final en la aplicación principal. Para cumplir con las premisas enunciadas podríamos haber recorrido una infinidad de circuitos osciladores pero, como bien dijimos en el sumario del artículo, el NE555 ha demostrado tener la calidad suficiente como para brindarnos una señal diente de sierra estable en forma y frecuencia, con muy pocos componentes discretos a su alrededor. Observa cómo debe ser la señal que necesitamos.
El crecimiento de la rampa "debe" ser tan lineal como sea posible Una suave rampa ascendente con crecimiento lineal es posible, de manera muy sencilla y sin necesidad de recurrir a componentes especiales. Sólo el capacitor electrolítico C1, ubicado desde los pines 2 - 6 y 7 respecto a GND, debe ser de Tantalio para asegurar una carga lineal. El resto de los componentes son tres resistencias de carbón y un transistor PNP del tipo A1015, como utilizamos en todos nuestros desarrollos. Por supuesto, un BC558 es el reemplazo ideal para esta aplicación. Por último, un buffer o seguidor formado por una sección de un amplificador operacional TL082 completan el circuito que hoy te presentamos. Por supuesto, es de vital importancia que puedas comprobar el funcionamiento que te expresamos en este artículo observándolo en un osciloscopio. Con él podrás “jugar”
alterando valores de las resistencias y del capacitor C1 antes mencionado para ensayar cómo evoluciona la frecuencia y la linealidad de la onda resultante.
Circuito propuesto para el generador de diente de sierra La frecuencia obtenida es baja y el período de la señal debe estar entre los 60 y 70 milisegundos para un funcionamiento correcto. Pero, como te dijimos antes, tú puedes variar la frecuencia “jugando” con los valores de C1 – R2 y R3. A C1 puedes bajarlo de valor para obtener mayor frecuencia, objetivo que lograrás si incrementas el valor de R2 a 47K, por ejemplo, o si aumentas R3 a valores de hasta 470K. Esta práctica no sólo te ayudará a encontrar la mejor linealidad de la rampa en toda su extensión sino que también te será muy útil para cuando pongas a punto el desarrollo final del cual este generador de diente de sierra es una de las partes iniciales a construir. Recuerda, esto es sólo una parte de un gran equipo final que te sorprenderá. Además, y como es lógico, también puedes ensayar la versión CMOS del 555 y luego puedes contarnos qué resultados has logrado, abriendo un nuevo tema en el foro NeoTeo o participando del debate que ya se encuentre abierto. Recuerda que allí estamos siempre
presentes para ayudarte a lograr los mejores resultados de los montajes vistos aquí. Oscilador controlado por tensión Un Oscilador controlado por tensión o VCO (Voltage-controlled oscillator) es un dispositivo electrónico que usa amplificación, realimentación y circuitos resonantes que da a su salida una señal eléctrica de frecuencia proporcional a la tensión de entrada. Típicamente esa salida es una señal senoidal, aunque en VCOs digitales es una señal cuadrada. Cuando la entrada es 0V, el VCO tiene una señal con una frecuencia llamada frecuencia libre de oscilación y ante variaciones de la entrada, sube o baja la frecuencia de su salida de forma proporcional. Una aplicación típica de los VCO es generar señales moduladas en frecuencia (FM). También son usados como parte de Bucles de enganche de fase. Suelen emplearse en aplicaciones electrónicas de comunicaciones. En su construcción pueden emplearse distintos dispositivos, siendo los más habituales los diodos varicap y los cristales de cuarzo. Este tipo de osciladores suele presentar problemas debido a que los cambios de temperatura (humedad) afectan a la afinación del mismo.