Oscilador autosostenido
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El oscilador
Meissner Como hemos visto hay muchos tipos de Osciladores y cada uno suele llevar el Nombre de quien lo diseñó. Comenzaremos con el oscilador Meissner Que está compuesto por un circuito Oscilante LC, una etapa amplificadora y Una realimentación positiva. Una de las Carácterísticas de este oscilador es que la Realimentación se produce por medio de Un acoplo inductivo, es decir, entre una bobina auxiliar y la bobina que compone El circuito tanque. En estos osciladores la oscilación desacoplada y Amplificada debe ser introducida de nuevo en el circuito oscilante, y Para conseguir que la oscilación que entró en un principio al circuito Sea reforzada, la oscilación de la realimentación debe estar en fase Con ella. Para conseguir este efecto tenemos que cuidar que los Arrollamientos del transformador estén correctamente conectados Porque, de lo contrario, no conseguiríamos ningún tipo de oscilación. Para que se produzca una frecuencia de oscilación estable hay que Tener en cuenta todos los datos del transistor, es decir, cómo actúa Frente a las diferentes tensiones, intensidades y con los cambios de Temperatura. La etapa amplificadora del oscilador está formada por el Transistor que, en esta clase de montajes, se coloca en base común. El circuito oscilante se conecta al colector. Existe otro tipo de Oscilador muy parecido al de Meissner que se denomina oscilador de Armstrong. El oscilador Hartley La principal carácterística de estos circuitos Osciladores es que no utilizan una bobina Auxiliar para la realimentación, sino que Aprovechan parte de la bobina del circuito Tanque, dividíéndose ésta en dos mitades, L1 Y L2. Colocamos dos resistencias para Polarizar adecuadamente el transistor. Hay Dos formas de alimentar al transistor: en Serie y en paralelo. La alimentación serie se Produce a través de la bobina, L2, circulando por ella una corriente Continua. La alimentación en paralelo se efectúa a través de la resistencia del colector, quedando en este caso perfectamente Aislados el componente de continua y el componente de alterna de Señal. La reacción del circuito se obtiene a través de la fuerza Electromotriz que se induce en la bobina, L1, y que se aplica a la Base del transistor a través de un condensador.
En estos circuitos la Frecuencia de oscilación depende de la capacidad C y de las dos Partes de la bobina, L1 y L2, del circuito oscilante. Según donde se 5 Osciladores
Sistemas de Telecomunicación e Informáticos Profesor: Juan Mª Gómez Aranda Coloque la toma intermedia de la bobina se va a producir una Amplitud de tensión u otra; pudiendo llegar a conectarse o Desconectarse el circuito. El oscilador Colpitts Este oscilador es bastante parecido al Oscilador de Hartley. La principal diferencia Se produce en la forma de compensar las Pérdidas que aparecen en el circuito tanque Y la realimentación, para lo cual se realiza Una derivación de la capacidad total que Forma el circuito resonante. Una parte de la Corriente del circuito oscilante se aplica a la Base del transistor a través de un Condensador, aunque también se puede Aplicar directamente. La tensión amplificada Por el transistor es realimentada hasta el circuito oscilante a través Del colector. Como en todos los circuitos que tengan transistores Necesitamos conectar resistencias para polarizarlos. La tensión de Reacción se obtiene de los extremos de uno de los condensadores Conectados a la bobina en paralelo. El oscilador en puente de Wien Hasta ahora hemos visto los Osciladores tipo LC, vamos a ver Ahora un oscilador tipo RC, el Denominado oscilador en puente de Wien. Cuando trabajemos en bajas Frecuencias no vamos a poder usar Los osciladores tipo LC, debido a Que el tamaño de la bobina y de la resistencia tendrían que ser Demasiado grandes y caros. Para sustituirlos vamos a usar una red Desfasadora formada por RC, es decir, resistencias y condensadores, Como es el caso del ya mencionado oscilador en puente de Wien. Está Constituido por una etapa oscilante, dos etapas amplificadoras, Formadas por dos transistores. El circuito está conectado en emisor Común y al tener dos etapas en cascada la señal es desfasada 360º y Después vuelve a ser realimentada al circuito puente. La señal de Salida del segundo transistor se aplica al circuito puente constituido Por dos resistencias y también es aplicada a la entrada del puente de Wien, que es el circuito oscilante formado por una resistencia y un Condensador. La frecuencia de oscilación viene determinada por los Valores de la resistencia y del condensador que forman el puente de Wien. Este tipo de circuitos presenta una gran estabilidad a la Frecuencia de resonancia. A parte de ésta tiene como ventajas su fácil Construcción, un gran margen de frecuencias en las que trabaja Perfectamente y la posibilidad de obtención de una onda sinusoidal 6 Osciladores Sistemas de Telecomunicación e Informáticos Profesor: Juan Mª Gómez Aranda Pura cuando tienen la suficiente ganancia como para mantener las Oscilaciones. Dentro de sus inconvenientes podemos mencionar que Se pueden producir pérdidas en las resistencias y una salida variable Con la frecuencia de resonancia. El cuarzo
Muchas son las veces que hemos Oído hablar del cristal de cuarzo Como elemento imprescindible en Gran variedad de aparatos Electrónicos. Así, por ejemplo, raro Es encontrarse un reloj que no lleve En su interior tan preciado cristal. La razón de la utilización masiva del Cuarzo radica en una propiedad electromecánica, conocida como Efecto "piezoeléctrico", la cual es, como veremos, de una gran Utilidad en los osciladores. El cuarzo tiene la propiedad de deformarse Mecánicamente, es decir, aumentar o disminuir su volumen, cuando Se le aplica una diferencia de potencial entre sus extremos. Además, Este efecto piezoeléctrico es reversible, por lo que, si de alguna forma Somos capaces de oprimir un cristal de cuarzo, podríamos observar Cómo, durante el tiempo en que el cristal está reduciendo su tamaño, Produciría una diferencia de potencial entre sus caras opuestas. Este Efecto reversible es parecido al de un motor eléctrico, el cual, si le Aplicamos una diferencia de polaridad comienza a girar pero si, por el Contrario, lo hacemos girar manualmente, se produciría una Diferencia de potencial entre sus dos conexiones. El cuarzo es uno de los minerales más abundantes en la Naturaleza formado por anhídrido de silicio. Se encuentra en la Naturaleza en diferentes formas, principalmente como "cuarzo a", que Se obtiene a alta temperatura y es hexagonal, y como "cuarzo b", que Existe a temperatura ordinaria. Sin embargo, para su utilización en Circuitos, la única variedad que nos interesa es la formada por Cristales prismáticos hexagonales. Volviendo al efecto piezoeléctrico, diremos que un cristal de Cuarzo tiene una frecuencia natural de oscilación. Supongamos que Conectemos un cristal de cuarzo a una diferencia de potencial Provocando, por tanto, que este se deforme; si, a continuación, Dejamos de aplicarle la diferencia de potencial, el cristal tenderá a su Forma original ya que ha cesado la causa que lo deformaba. Durante Su "vuelta" al estado original, el cristal, comienza a oscilar Aumentando y disminuyendo su tamaño hasta que, al cabo de cierto Tiempo, se detendrá definitivamente. Este aumento y disminución de Tamaño son oscilaciones propias del cristal y a una frecuencia fija que Depende exclusivamente del cristal y es lo que llamamos frecuencia Natural de oscilación. 7 Osciladores Sistemas de Telecomunicación e Informáticos Profesor: Juan Mª Gómez Aranda Para comprender mejor esta oscilación del cristal de cuarzo, Pensemos en el clásico globo inflado de aire. Supongamos que Cogemos de un extremo del globo y lo estiramos cierta cantidad sin Llegar a explotarlo. El globo se deforma. Pues bien, si, a continuación, Lo soltamos, el globo evidentemente, va a volver a su posición Original. Pero esta "vuelta" a su posición original no es instantánea Sino que, aunque apenas se aprecie debido a la velocidad con que Ocurre, el globo, una vez que hemos dejado de estirarlo, vuelve a su Posición oscilando, es decir, primero se hace más pequeño que Inicialmente, luego más grande, de nuevo más pequeño y así Sucesivamente hasta que termina por adoptar su tamaño original. Esto lo hace en un tiempo que podría ser del orden de 0,2 segundos y Depende del material con que esté hecho el globo. Para hacernos una Idea aproximada de las oscilaciones del cristal de cuarzo pensemos Que este puede oscilar con frecuencias del orden de MHz, es decir, de Millones de veces por segundo. Oscilador de cristal Con lo visto sobre el efecto piezoeléctrico parece lógico poder Aplicar las propiedades de este material, el cuarzo, para producir Oscilaciones. En efecto, si a un cristal de cuarzo le aplicamos sobre Sus caras opuestas una diferencia de potencial, y el dispositivo está Montado adecuadamente, comenzarían a producirse fuerzas en las Cargas del interior del cristal. Estas fuerzas entre sus cargas Provocarían deformaciones en el cristal y darían lugar a un sistema Electromecánico que comenzaría a oscilar. Sin embargo, vuelve a Ocurrir lo mismo que en los circuitos formados por un condensador y Por una inductancia. Esto es, las oscilaciones del cristal no duran Indefinidamente, ya que se producen rozamientos en la estructura Interna que hacen que se vayan amortiguando hasta llegar a Desaparecer. Por tanto, necesita de un circuito externo que mantenga Las oscilaciones, compensando las pérdidas producidas por el Rozamiento. A) representación de un Cristal de cuarzo. B)equivalente eléctrico de un oscilador Piezoeléctrico El comportamiento eléctrico del cuarzo se puede asemejar al de una inductancia, Una resistencia y un condensador conectados en paralelo con otro condensador. Por lo Tanto, es equivalente colocar un circuito con estos componentes que poner un cristal de Cuarzo
Meissner Como hemos visto hay muchos tipos de Osciladores y cada uno suele llevar el Nombre de quien lo diseñó. Comenzaremos con el oscilador Meissner Que está compuesto por un circuito Oscilante LC, una etapa amplificadora y Una realimentación positiva. Una de las Carácterísticas de este oscilador es que la Realimentación se produce por medio de Un acoplo inductivo, es decir, entre una bobina auxiliar y la bobina que compone El circuito tanque. En estos osciladores la oscilación desacoplada y Amplificada debe ser introducida de nuevo en el circuito oscilante, y Para conseguir que la oscilación que entró en un principio al circuito Sea reforzada, la oscilación de la realimentación debe estar en fase Con ella. Para conseguir este efecto tenemos que cuidar que los Arrollamientos del transformador estén correctamente conectados Porque, de lo contrario, no conseguiríamos ningún tipo de oscilación. Para que se produzca una frecuencia de oscilación estable hay que Tener en cuenta todos los datos del transistor, es decir, cómo actúa Frente a las diferentes tensiones, intensidades y con los cambios de Temperatura. La etapa amplificadora del oscilador está formada por el Transistor que, en esta clase de montajes, se coloca en base común. El circuito oscilante se conecta al colector. Existe otro tipo de Oscilador muy parecido al de Meissner que se denomina oscilador de Armstrong. El oscilador Hartley La principal carácterística de estos circuitos Osciladores es que no utilizan una bobina Auxiliar para la realimentación, sino que Aprovechan parte de la bobina del circuito Tanque, dividíéndose ésta en dos mitades, L1 Y L2. Colocamos dos resistencias para Polarizar adecuadamente el transistor. Hay Dos formas de alimentar al transistor: en Serie y en paralelo. La alimentación serie se Produce a través de la bobina, L2, circulando por ella una corriente Continua. La alimentación en paralelo se efectúa a través de la resistencia del colector, quedando en este caso perfectamente Aislados el componente de continua y el componente de alterna de Señal. La reacción del circuito se obtiene a través de la fuerza Electromotriz que se induce en la bobina, L1, y que se aplica a la Base del transistor a través de un condensador.
En estos circuitos la Frecuencia de oscilación depende de la capacidad C y de las dos Partes de la bobina, L1 y L2, del circuito oscilante. Según donde se 5 Osciladores
Sistemas de Telecomunicación e Informáticos Profesor: Juan Mª Gómez Aranda Coloque la toma intermedia de la bobina se va a producir una Amplitud de tensión u otra; pudiendo llegar a conectarse o Desconectarse el circuito. El oscilador Colpitts Este oscilador es bastante parecido al Oscilador de Hartley. La principal diferencia Se produce en la forma de compensar las Pérdidas que aparecen en el circuito tanque Y la realimentación, para lo cual se realiza Una derivación de la capacidad total que Forma el circuito resonante. Una parte de la Corriente del circuito oscilante se aplica a la Base del transistor a través de un Condensador, aunque también se puede Aplicar directamente. La tensión amplificada Por el transistor es realimentada hasta el circuito oscilante a través Del colector. Como en todos los circuitos que tengan transistores Necesitamos conectar resistencias para polarizarlos. La tensión de Reacción se obtiene de los extremos de uno de los condensadores Conectados a la bobina en paralelo. El oscilador en puente de Wien Hasta ahora hemos visto los Osciladores tipo LC, vamos a ver Ahora un oscilador tipo RC, el Denominado oscilador en puente de Wien. Cuando trabajemos en bajas Frecuencias no vamos a poder usar Los osciladores tipo LC, debido a Que el tamaño de la bobina y de la resistencia tendrían que ser Demasiado grandes y caros. Para sustituirlos vamos a usar una red Desfasadora formada por RC, es decir, resistencias y condensadores, Como es el caso del ya mencionado oscilador en puente de Wien. Está Constituido por una etapa oscilante, dos etapas amplificadoras, Formadas por dos transistores. El circuito está conectado en emisor Común y al tener dos etapas en cascada la señal es desfasada 360º y Después vuelve a ser realimentada al circuito puente. La señal de Salida del segundo transistor se aplica al circuito puente constituido Por dos resistencias y también es aplicada a la entrada del puente de Wien, que es el circuito oscilante formado por una resistencia y un Condensador. La frecuencia de oscilación viene determinada por los Valores de la resistencia y del condensador que forman el puente de Wien. Este tipo de circuitos presenta una gran estabilidad a la Frecuencia de resonancia. A parte de ésta tiene como ventajas su fácil Construcción, un gran margen de frecuencias en las que trabaja Perfectamente y la posibilidad de obtención de una onda sinusoidal 6 Osciladores Sistemas de Telecomunicación e Informáticos Profesor: Juan Mª Gómez Aranda Pura cuando tienen la suficiente ganancia como para mantener las Oscilaciones. Dentro de sus inconvenientes podemos mencionar que Se pueden producir pérdidas en las resistencias y una salida variable Con la frecuencia de resonancia. El cuarzo
Muchas son las veces que hemos Oído hablar del cristal de cuarzo Como elemento imprescindible en Gran variedad de aparatos Electrónicos. Así, por ejemplo, raro Es encontrarse un reloj que no lleve En su interior tan preciado cristal. La razón de la utilización masiva del Cuarzo radica en una propiedad electromecánica, conocida como Efecto "piezoeléctrico", la cual es, como veremos, de una gran Utilidad en los osciladores. El cuarzo tiene la propiedad de deformarse Mecánicamente, es decir, aumentar o disminuir su volumen, cuando Se le aplica una diferencia de potencial entre sus extremos. Además, Este efecto piezoeléctrico es reversible, por lo que, si de alguna forma Somos capaces de oprimir un cristal de cuarzo, podríamos observar Cómo, durante el tiempo en que el cristal está reduciendo su tamaño, Produciría una diferencia de potencial entre sus caras opuestas. Este Efecto reversible es parecido al de un motor eléctrico, el cual, si le Aplicamos una diferencia de polaridad comienza a girar pero si, por el Contrario, lo hacemos girar manualmente, se produciría una Diferencia de potencial entre sus dos conexiones. El cuarzo es uno de los minerales más abundantes en la Naturaleza formado por anhídrido de silicio. Se encuentra en la Naturaleza en diferentes formas, principalmente como "cuarzo a", que Se obtiene a alta temperatura y es hexagonal, y como "cuarzo b", que Existe a temperatura ordinaria. Sin embargo, para su utilización en Circuitos, la única variedad que nos interesa es la formada por Cristales prismáticos hexagonales. Volviendo al efecto piezoeléctrico, diremos que un cristal de Cuarzo tiene una frecuencia natural de oscilación. Supongamos que Conectemos un cristal de cuarzo a una diferencia de potencial Provocando, por tanto, que este se deforme; si, a continuación, Dejamos de aplicarle la diferencia de potencial, el cristal tenderá a su Forma original ya que ha cesado la causa que lo deformaba. Durante Su "vuelta" al estado original, el cristal, comienza a oscilar Aumentando y disminuyendo su tamaño hasta que, al cabo de cierto Tiempo, se detendrá definitivamente. Este aumento y disminución de Tamaño son oscilaciones propias del cristal y a una frecuencia fija que Depende exclusivamente del cristal y es lo que llamamos frecuencia Natural de oscilación. 7 Osciladores Sistemas de Telecomunicación e Informáticos Profesor: Juan Mª Gómez Aranda Para comprender mejor esta oscilación del cristal de cuarzo, Pensemos en el clásico globo inflado de aire. Supongamos que Cogemos de un extremo del globo y lo estiramos cierta cantidad sin Llegar a explotarlo. El globo se deforma. Pues bien, si, a continuación, Lo soltamos, el globo evidentemente, va a volver a su posición Original. Pero esta "vuelta" a su posición original no es instantánea Sino que, aunque apenas se aprecie debido a la velocidad con que Ocurre, el globo, una vez que hemos dejado de estirarlo, vuelve a su Posición oscilando, es decir, primero se hace más pequeño que Inicialmente, luego más grande, de nuevo más pequeño y así Sucesivamente hasta que termina por adoptar su tamaño original. Esto lo hace en un tiempo que podría ser del orden de 0,2 segundos y Depende del material con que esté hecho el globo. Para hacernos una Idea aproximada de las oscilaciones del cristal de cuarzo pensemos Que este puede oscilar con frecuencias del orden de MHz, es decir, de Millones de veces por segundo. Oscilador de cristal Con lo visto sobre el efecto piezoeléctrico parece lógico poder Aplicar las propiedades de este material, el cuarzo, para producir Oscilaciones. En efecto, si a un cristal de cuarzo le aplicamos sobre Sus caras opuestas una diferencia de potencial, y el dispositivo está Montado adecuadamente, comenzarían a producirse fuerzas en las Cargas del interior del cristal. Estas fuerzas entre sus cargas Provocarían deformaciones en el cristal y darían lugar a un sistema Electromecánico que comenzaría a oscilar. Sin embargo, vuelve a Ocurrir lo mismo que en los circuitos formados por un condensador y Por una inductancia. Esto es, las oscilaciones del cristal no duran Indefinidamente, ya que se producen rozamientos en la estructura Interna que hacen que se vayan amortiguando hasta llegar a Desaparecer. Por tanto, necesita de un circuito externo que mantenga Las oscilaciones, compensando las pérdidas producidas por el Rozamiento. A) representación de un Cristal de cuarzo. B)equivalente eléctrico de un oscilador Piezoeléctrico El comportamiento eléctrico del cuarzo se puede asemejar al de una inductancia, Una resistencia y un condensador conectados en paralelo con otro condensador. Por lo Tanto, es equivalente colocar un circuito con estos componentes que poner un cristal de Cuarzo