LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS OSCILADORES DISCRETOS
INTRODUCCIÓN:
Los osciladores son dispositivos capaces de repetir dos acciones opuestas en un período regular. Ejemplo: movimiento de un péndulo. Un caso especial son los osciladores electrónicos.
Un ejemplo de oscilador en el área de la electrónica, es la variación del voltaje o corriente en un punto específico de un circuito. Por ejemplo, un circuito LC (inductor – capacitor) es capaz de producir esta oscilación a su frecuencia natural de resonancia.
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:
Oscilante eléctrico (LC) o electromecánico (cuarzo).
Retardador de fase RC o puente de Wien.
Un elemento amplificador.
Un circuito de realimentación.
OBJETIVOS:
Conocer cómo funcionan y que aplicaciones tienen los osciladores discretos en la electrónica.
Distinguir los distintos tipos de osciladores discretos.
Definir las características principales de cada tipo de oscilador discreto.
En que mayormente son usados los osciladores discretos.
MARCO TEÓRICO:
Oscilador es un circuito que genera una señal periódica, es decir, que produce una señal periódica a la salida sin tener ninguna entrada periódica. Los osciladores se clasifican en armónicos, cuando la salida es sinusoidal, o de relajación, si generan una onda cuadrada.
Un oscilador a cristal es un oscilador armónico cuya frecuencia está determinada por un cristal de cuarzo o una cerámica piezoeléctrica.
Los sistemas de comunicación suelen emplean osciladores armónicos, normalmente controlados por cristal, como oscilador de referencia. Pero también osciladores de frecuencia variable. La frecuencia se puede ajustar mecánicamente (condensadores o bobinas de valor ajustable) o aplicando tensión a un elemento, estos últimos se conocen como osciladores controlados por tensión o VCO, es decir, osciladores cuya frecuencia de oscilación depende del valor de una tensión de control. Y también es posible hallar osciladores a cristal controlados por tensión o VCXO.
Los osciladores y la realimentación positiva:
Vi = Tensión de entrada
Vo = Tensión de salida
B = Ganancia del circuito de realimentación
Ao = Ganancia del amplificador con lazo abierto Ao = Vo/Vi (no se toma en cuenta la realimentación). Ver el gráfico.
Vf = Tensión de realimentación
Ac = Ganancia en lazo cerrado
BAo = Este producto (B x Ao) se llama ganancia de lazo
Para realimentación positiva, la ganancia de lazo cerrado es: Ac = Ao / [1-BAo]. Si el producto B x Ao se aproxima a "1", el denominador de la fórmula anterior tiende a "0" y como consecuencia la ganancia de lazo cerrado Ac, tiende al infinito. Estas ganancias tan altas producen oscilaciones.
Tipos de osciladores electronicos:
Oscilador por corrimiento de fase
Los osciladores por corrimiento de fase utilizan generalmente en la red de realimentación (B) compuesta de componentes pasivos (resistencia y condensadores). En la etapa amplificadora (A), hay un amplificador inversor implementado con un amplificador operacional, con lo que la señal a su entrada es desplazada 180º.
Entonces se puede utilizar una red (B) de tres etapas RC (R1C1, R2C2, R3C3. cada red RC desplaza 60º) para obtener los restantes 180º y así sumar los 360º necesarios. Ver Circuitos RC. En el gráfico se ve un amplificador A1, que se utiliza para evitar que la red de desplazamiento de fase cargue la entrada del amplificador inversor A2.
Esto es así, debido a que el amplificador A1 tiene una alta impedancia de entrada. La salida de A1 tiene la misma fase que su entrada (no desfasa). La frecuencia de oscilación está por la siguiente fórmula:
El amplificador A2 da la ganancia necesaria para mantener la oscilación y puede ser calculada con la fórmula: Ganancia = – R5 / R4, donde el signo menos significa inversión de fase. Con R2 = 36K y R1=1K, la ganancia es 36.
Si la atenuación causada por la red RC, es menor a la esperada, la ganancia de lazo es mayor que 1 (la ganancia en lazo abierto deseable es 1). La señal de salida entonces crece hasta que el amplificador amplifica con distorsión. Como la entrada no inversora del amplificador A2 está a tierra y la entrada inversora del mismo amplificador es una tierra virtual, la entrada inversora se mantiene cerca de los 0 voltios. Para evitar que la ganancia sea mayor que 1, se incluyen dos diodos (D1 y D2) que conducen cuando la salida senoidal de A2 en sentido positivo es mayor de 0.7V, y en sentido negativo menor a – 0.7V.
Cuando la salida de A2 es aproximadamente 0.7 V, D1 conduce poniendo las resistencias R5 y R6 en paralelo. Lo mismo sucede cuando la señal es de aproximadamente de -0.7, D2 conduce poniendo en paralelo las mismas resistencias. Entonces la ganancia de A2 será = (R5//R6)/R4 = (36k//8.2K)/1K = 6.5. Ganancia que es menor a 36 anteriores. Así la tensión de salida será aproximadamente 1.4V pico-pico.
Oscilador Armstrong (no muy utilizado debido a su inestabilidad)
El oscilador Armstrong, también conocido como el oscilador Meissner, es un circuito oscilador electrónico que utiliza un inductor y un capacitor para determinar la frecuencia de oscilación; un oscilador LC. Es ocasionalmente llamado como un oscilador tickler (de recordatorio, de reacción) debido a que su característica distintiva es que la señal de retroalimentación necesaria para producir oscilaciones está magnéticamente acoplada al depósito inductor en el circuito de entrada por una "bobina de reacción" (L2, derecha) en el circuito de salida. Asumiendo que el acoplamiento es débil, pero suficiente para sostener la oscilación, la frecuencia de oscilación f está determinada principalmente por el circuito de depósito (L1 y C, derecha) y está dada aproximadamente por:
f=12πLC
Este circuito fue ampliamente utilizado en el receptor de radio regenerativo, popular hasta los años 1940. En esa aplicación, la señal de frecuencia de radio de entrada de la antena está acoplada magnéticamente dentro del circuito de depósito por un bobinado adicional, y la retroalimentación es reducida con un control de ganancia ajustable en el ciclo de retroalimentación, así el circuito es solo corto de oscilación. El resultado es un filtro y amplificador de radio-frecuencia de banda estrecha. La característica no lineal del transistor o tubo también desmodula la señal de RF para producir la señal de audio.
Nótese que en la variante de Meissner, el circuito (depósito) resonante LC es cambiado por la bobina de retroalimentación, esto es, en el camino de salida (placa de tubo de vacío, desagüe de transistor de efecto campo, o colector de transistor bipolar) del amplificador, por ejemplo, Grebennikov.
Oscilador Hartley
Estructura
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 entre el emisor y la base y el colector respectivamente. Este montaje fue presentado por el inventor estadounidense Alois Rack el 26 de abril de 1949. 2 La carga se puede colocar entre el colector y L2. En este tipo de osciladores, en lugar de dos bobinas separadas, se suele utilizar una bobina con toma intermedia.
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 o bobinas de choque de radiofrecuencia.
Análisis
A partir de los criterios de Barkhausen y del modelo equivalente de parámetros del transistor, se pueden obtener expresiones que describen el comportamiento de un oscilador Hartley. La frecuencia de oscilación del dispositivo es aquella en la cual el valor de la reactancia capacitiva total es igual a la reactancia inductiva. Esta frecuencia tiene el valor de:
ω0=1CL1+L2rad/s
f0=12πCL1+L2Hz
Para que el oscilador comience a funcionar, debe darse una de estas condiciones dependiendo del elemento activo usado.
Si el transistor utilizado es un BJT:
hfe>L1L2
Si el transistor utilizado es un JFET:
gm>0
Oscilador Colpits
El oscilador Colpitts es un circuito electrónico basado en un oscilador LC (L: bobina, C: condensador) 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, a diferencia de otros circuitos electrónicos, que necesitan de una entrada de señal. 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, los cuales se encuentran conectados en serie. De la unión de estos condensadores sale una conexión a tierra. De esta manera las tensiones en los terminales superior de C1 e inferior de C2 serán opuestas. La realimentación positiva se obtiene del terminal inferior de C2 y es llevada a la base del transistor a través de una resistencia R2 y un condensador C3. 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:
f0=12πLC
Donde:
C=C1.C2C1+C2
L=L1
Entonces el cálculo es:
f0=12πL.C1.C2C1+C2
APLICATIVOS:
Simular el siguiente circuito:
R1 = 20k R2 = 43k R= 6.6k C = 10uF
CONCLUSIONES:
Como hemos leído en el informe estos tipos de circuitos son utilizados para convertir la corriente continua en corriente alterna.
Nos damos cuenta que haya distintos tipos de oscilaciones es debido a que cada uno de ellos es utilizado para distintos procesos.
Dependiendo del tipo de señal que entre varia el tipo de señal de salida.
Hay distintas maneras de diseñar un oscilador con diversos componentes electrónicos.
OBSERVACIONES:
Nos percatamos que la señal de salida es mayor a la señal de entrada esto es debido a que el OPAMP aumenta la señal de entrada.
También podemos deducir que hay una ganancia de voltaje debido a que la señal de salida es mayor a la de entrada.
La señal de salida depende de qué tipo es la señal de entrada en este caso la señal era de forma senoidal, pero podría variar si es que fuera una señal cuadrada.
