Oscilador

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