Osciladores senoidales

OSCILADORES SENOIDALES

1.  Introducción

Un oscilador es un circuito que produce una oscilación propia de frecuencia, forma de onda y amplitud determinadas.

Figura 1. Estructura básica de realimentación para lograr un oscilador

1.1.  Enfoque intuitivo

Suponiendo que hemos encontrado una frecuencia para la cual, al abrir el lazo e inyectar a la entrada una señal xi de dicha frecuencia, resulta que a su salida obtendremos xr = −xi

 (figura 2a). Entonces puede reemplazarse xr por –xi sin que modifique el

funcionamiento (figura 2b). Por lo tanto el circuito sigue oscilando sin entrada.

Para frecuencias menores que 100 Khz., se trata de evitar el uso de bobinas, surgiendo así el oscilador con puente de Wien [2].

Osciladores LC

Todos los osciladores involucran uno o más elementos almacenadores de energía.

En forma general se pueden clasificar según el tipo de almacenadores. Tenemos, así, los osciladores LC, que utilizan capacitores e inductores, y los osciladores RC, que utilizan capacitores y resistores. En esta sección trataremos los LC.

Esquema general de osciladores LC

Muchos osciladores LC responden a un diagrama circuital como el indicado en la figura 10, formado por dos impedancias en paralelo con la entrada y salida de un dispositivo amplificador  y una tercera impedancia en la cadena de realimentación.

Tipos de osciladores según la ubicación de las reactancias capacitivas e inductivas

En estas figuras se muestran estas dispocisiones para la configuración de emisor común, en forma simplificada (omitiendo polarizaciones)

Para frecuencias menores que 100 kHz, se trata de evitar el uso de bobinas, surgen así los osciladores RC.

a) Osciladores con puente de Wien

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 senoidales sin necesidad de ninguna señal de entrada. Puede generar un amplio rango de frecuencias. El puente está compuesto de cuatro resistencias y dos condensadores.

Formula para calcular la frecuencia de oscilación   

Estabilización de amplitud

La clave del oscilador de baja distorsión de Hewlett es una efectiva estabilización de amplitud. La amplitud de los osciladores electrónicos tienden a aumentar hasta que la señal es recortada o se alcanza alguna limitación de ganancia. Esto lleva a una distorsión de los armónicos de frecuencias altas, lo que en la mayoría de los casos es un efecto indeseado.

Hewlett usó una lámpara incandescente en la realimentación del oscilador para limitar la ganancia. La resistencia de las lámparas incandescentes (así como otros elementos similares que producen calor) aumenta a medida que su temperatura aumenta. Si la frecuencia de oscilación es significativamente superior que la constante térmica del elemento que produce calor, la potencia irradiada será proporcional a la potencia del oscilador. Debido a que los elementos que producen calor son cuerpos negros, estos siguen la Ley de Stefan-Boltzmann. La potencia irradiada es proporcional a T4, por lo que la resistencia aumenta a una mayor proporción que la amplitud de la señal. Si la ganancia es inversamente proporcional a la amplitud de la oscilación, la ganancia del oscilador alcanza un estado estable en dónde opera como un amplificador de clase A casi ideal, logrando de esta manera una baja distorsión.

Condición de oscilación

La relación entre la resistencia de realimentación y la resistencia de entrada es:

donde Ad es la ganancia del operacional, Rf es la resistencia de realimentación y Ri es la resistencia de entrada.

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 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.

Ejemplo de astable con transistores

Multivibrador monoestable.

El monoestable es un circuito multivibrador que realiza una función secuencial consistente en que al recibir una excitación exterior, cambia de estado y se mantiene en él durante un periodo que viene determinado por una constante de tiempo. Transcurrido dicho período, la salida del monoestable vuelve a su estado original. Por tanto, tiene un estado estable (de aquí su nombre) y un estado casi estable.

En la Figura 1 se representa el esquema de un circuito multivibrador monoestable, realizado con componentes discretos, cuyo funcionamiento es el siguiente:

Al aplicar la tensión de alimentación (Vcc), los dos transistores iniciarán la conducción, ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las resistencias R-2 y R-3, pero como los transistores no serán exactamente idénticos, por el propio proceso de fabricación y el grado de impurezas del material semiconductor, uno conducirá antes o más rápido que el otro.

Supongamos que es TR-2 el que conduce primero. El voltaje en su colector estará próximo a 0 voltios (salida Y a nivel bajo), por lo que la tensión aplicada a la base de TR-1 a través del divisor formado por R-3, R-5, será insuficiente para que conduzca TR-1. En estas condiciones TR-1 permanecería bloqueado indefinidamente.
Pero si ahora aplicamos un impulso de disparo de nivel alto por la entrada T, el transistor TR-1 conducirá y su tensión de colector se hará próxima a 0 V, con lo que C-1, que estaba cargado a través de R-1 y la unión base-emisor de TR-2, se descargará a través de TR-1 y R-2 aplicando un potencial negativo a la base de TR-2 que lo llevará al corte (salida Y a nivel alto) . En esta condición la tensión aplicada a la base de TR-1 es suficiente para mantenerlo en conducción aunque haya desaparecido el impulso de disparo en T.
Seguidamente se inicia la carga de C-1 a través de R-2 y TR-1 hasta que la tensión en el punto de unión de C-1 y R-2 (base de TR-2) sea suficiente para que TR-2 vuelva a conducir y TR-1 quede bloqueado. La duración del periodo cuasi estable viene definido por los valores de C-1 y R-2.


Ejemplo de monoestable: