Oscilador
En electrónica, un oscilador es un circuito electrónico que genera formas de onda de frecuencia , forma y amplitud de múltiples tipos sin una señal de entrada . Algunos están diseñados para poder generar frecuencia, forma y amplitud variables a través de sistemas de control como voltajes o potenciómetros .
Descripción
Los osciladores se pueden dividir en dos categorías principales:
- armónicos o sinusoidales (o más propiamente casi sinusoidales );
- a la relajación o bloqueado.
Los osciladores en su inmensidad se utilizan en innumerables aplicaciones que van desde la sincronización de circuitos digitales y no digitales , hasta la generación de portadoras para telecomunicaciones , instrumentos electromédicos, etc.
Para cualquier oscilador, también se aplican las siguientes nomenclaturas notables:
- si actúa una fuerza externa proporcional a la velocidad de amortiguación ( fricción ) F S que tendrá su propia frecuencia variable ω S , hablamos de oscilador amortiguado ; de lo contrario, es simple;
- si actúa una fuerza externa que varía sinusoidalmente con el tiempo F F con frecuencia constante ω F , hablamos de oscilador forzado ; de lo contrario, es gratis.
Osciladores armónicos eléctricos
Los osciladores armónicos producen una señal de tendencia sinusoidal (o lo más cerca posible de ella).
Esencialmente, es un amplificador donde la salida se retroalimenta a la entrada con retroalimentación positiva a través de un filtro de paso de banda estrecho. Cuando se enciende el circuito, el amplificador produce inevitablemente ruido en la salida. El bucle de retroalimentación retroalimenta los componentes de ruido de la frecuencia del filtro de paso de banda que se amplifican. El ciclo se repite hasta que se alcanza la velocidad de funcionamiento.
Los osciladores sinusoidales se pueden dividir en tres categorías principales según los elementos del circuito utilizados.
- Osciladores RC : utilizan, además de elementos activos, exclusivamente resistencias y condensadores ( circuito RC ). Entre ellos hay que mencionar: el oscilador de puente de Wien , el oscilador de cambio de fase, el oscilador Double T , el oscilador de cuadratura.
- Osciladores LC : utilizan, además de los elementos activos, circuitos de reacción con resistencias, condensadores e inductancias. Su peculiaridad es aprovechar un resonador RLC para asegurar la estabilidad a las oscilaciones. Vale la pena mencionar: oscilador de Van der Pol , oscilador de Colpitts , oscilador de Hartley , oscilador de Meissner .
- Osciladores de cuarzo : esta última categoría de osciladores utiliza un cristal de cuarzo piezoeléctrico cuyo comportamiento es similar al de un circuito LC . Estos osciladores tienen cualidades sobresalientes de estabilidad de frecuencia y estabilidad de temperatura dadas por las excelentes cualidades de oscilador mecánico de los cristales piezoeléctricos de cuarzo. El más conocido es el oscilador Pierce .
Las principales soluciones de circuito utilizadas en electrónica para crear osciladores armónicos son:
Hartley
El oscilador Hartley es del tipo LC en el que la retroalimentación es del tipo acoplado inductivamente a través de un transformador sintonizado (para altas frecuencias son dos bobinas enrolladas en el aire). Alternativamente, se utiliza una sola bobina que actúa como un autotransformador sintonizado, como en el ejemplo de la figura.
La frecuencia de resonancia se puede variar actuando sobre el condensador variable, manteniendo la amplitud de la señal producida relativamente constante. Las desventajas de esta solución son la producción de armónicos no deseados y, por lo tanto, una forma de onda que no es perfectamente sinusoidal.
Normalmente se utiliza en frecuencias superiores a 100 MHz para superar los problemas de inestabilidad de la relación de capacitancia entre los 2 condensadores de los Colpitts.
Colpitts
El oscilador Colpitts lleva el nombre de su creador, Edwin H. Colpitts. Es una solución simple y confiable, capaz de generar señales de buena calidad sin un esfuerzo de diseño excesivo.
El circuito Colpitts es similar al circuito Hartley con la diferencia de que la reacción se produce a través de un filtro que consta de un inductor y dos condensadores . Normalmente se utiliza en frecuencias inferiores a 100 MHz.
Seiler
El oscilador de Seiler es un Colpitts de reacción de emisor de base (o cátodo de rejilla o fuente de puerta) en el que el acoplamiento al resonador paralelo se produce a través de un pequeño condensador Esto produce una amplificación de voltaje e impedancia cuadrática [ no está claro ] , esto trae una cantidad insignificante de energía transferida al resonador y la estabilidad (incluso mejor que la del oscilador Vackar ) es muy alta, pero el tiempo de estabilización se vuelve muy largo que el Equivalente de Colpitts.
Vackar
Vackar creó una versión modificada de los Colpitts con la simple interposición de un pequeño condensador que aumenta enormemente la estabilidad del oscilador. Dado que la energía transferida es particularmente pequeña, esta mejora se produce a expensas del tiempo de asentamiento.
Clapp
En el oscilador Clapp, la red de retroalimentación consta de una sola bobina y tres condensadores, dos de los cuales (C1 y C2 en la figura) constituyen un divisor de voltaje que determina la cantidad de retroalimentación al componente activo.
El oscilador Clapp es esencialmente un Colpitts más un condensador en serie para la bobina. La frecuencia de oscilación en hercios para el circuito de la figura es:
El circuito Clapp ofrece un mejor desempeño que los Colpitts en la construcción de osciladores de frecuencia variable (VFOs), ya que es posible variar la capacitancia del capacitor en serie con la bobina sin alterar la magnitud de la retroalimentación y por ende la estabilidad de la señal. . En modo astable, desplaza la salida 90 ° hacia la derecha.
Meissner
Es un oscilador con realimentación obtenida por acoplamiento de transformador inventado por Alexander Meissner , particularmente utilizado con tubos de vacío .
En el puente de Viena
Este oscilador basa su funcionamiento en el circuito puente de Viena desarrollado por Max Wien en 1891 . En la época de Viena aún no se habían inventado dispositivos activos, es decir, capaces de amplificar, y el oscilador no se podía realizar. La idea moderna se debe a William Hewlett , cofundador de Hewlett Packard , quien la presentó en su tesis de graduación en la Universidad de Stanford . No es una coincidencia que el circuito, capaz de producir una señal sinusoidal óptima, se haya utilizado por primera vez en el oscilador de precisión HP 200A.
La frecuencia de oscilación es (R = R 1 = R 2 y C = C 1 = C 2 ):
La clave de la distorsión limitada del oscilador de Hewlett radica en la estabilización de amplitud. La amplitud de la señal en un oscilador tiende a aumentar hasta que los extremos superior e inferior de la sinusoide se aplanan debido a la saturación. Hewlett utilizó una lámpara incandescente para limitar la ganancia del amplificador de forma no lineal. La resistencia del filamento aumenta con el aumento de temperatura, a su vez aumentada por la corriente debido al efecto Joule . El circuito está diseñado para que un aumento en la resistencia producido por un aumento en el nivel de la señal conduzca a una reducción en la ganancia.
Hoy en día se utilizan transistores o fotocélulas FET para el mismo fin, obteniendo distorsiones inferiores al 0.0008% (8 partes por millón ) con pequeñas variaciones respecto al circuito original mientras que los sistemas LED / fotoresistor CdS permiten distorsiones inferiores a 3 ppm.
Osciladores de relajación
Los osciladores de relajación son tipos particulares de osciladores capaces de emitir impulsos o señales eléctricas de diversas formas no sinusoidales, por ejemplo, ondas cuadradas , ondas en diente de sierra y pulsos de corta duración seguidos de un tiempo de recuperación más largo.
Consisten en un componente no lineal que periódicamente descarga la energía almacenada en un condensador o inductor, provocando un cambio brusco en la salida. Entre los elementos no lineales que se pueden utilizar se encuentran: transistores de unión bipolar , lámparas diac y neón .
Por simplicidad, considere una lámpara de neón. El gas contenido permanece aislante hasta que el voltaje en sus extremos excede un valor crítico, después de lo cual se activa una conducción de avalancha y el voltaje en los extremos del tubo colapsa a valores mucho más bajos. La conducción de gas cesa cuando el voltaje cae por debajo de un umbral mínimo. Coloque un condensador en paralelo al tubo y una resistencia en serie con los dos elementos. Al aplicar voltaje, el capacitor comienza a cargarse con un período τ = RC. Cuando el voltaje excede el valor de activación del tubo, el condensador se descarga inmediatamente hasta el voltaje de desconexión del tubo y el ciclo se reanuda. El circuito así constituido produce en la salida, o en los extremos del condensador, una señal aproximadamente en dientes de sierra.
Las señales de onda cuadrada o de pulso producidas por un oscilador de relajación se pueden utilizar para impulsar circuitos digitales como contadores, temporizadores e incluso microprocesadores. Sin embargo, a menudo se prefieren los osciladores de cuarzo por razones de estabilidad de frecuencia .
Las formas de onda triangulares y de diente de sierra se utilizan en la deflexión del cepillo de electrones en los tubos de imagen de los osciloscopios analógicos y televisores .
Un tipo particular de oscilador de relajación es el multivibrador astable . Como todos los multivibradores, es un circuito que puede estar en uno de dos estados posibles. En el multivibrador astable ningún estado es estable, por lo que el circuito continúa pasando de una condición a otra con un período determinado por los valores de los condensadores y resistencias presentes.
El multivibrador astable normalmente produce una onda cuadrada con un ciclo de trabajo que depende del grado de simetría del circuito.
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enlaces externos
- ( ES ) Artículo sobre osciladores , en electronixandmore.com . Consultado el 25 de marzo de 2008 (archivado desde el original el 23 de agosto de 2007) .
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