Manual de Circuitos Osciladores 1a Etapa

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL

ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

Circuitos Osciladores Compilación de Lectura, Manual de Aprendizaje

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Universidad Autónoma de Nuevo León Escuela Industrial y Preparatoria Técnica Álvaro Obregón

Circuitos Osciladores

ELABORACION Y CAPTURA: M.C. NETZAHUALCÓYOTL HERNÁNDEZ RODRÍGUEZ M.C. JUAN ANTONIO HERNÁNDEZ PÉREZ. ING: JUAN MANUEL PADRÒN ROCHA REVISIÓN TÉCNICA: M.C. JUAN ANTONIO GONZÁLEZ GUEVARA CAPTURA: SS IRVING ESTRADA MOLINA AUTORIZACION: MADO. RAYMUNDO CARRIZALES GARZA SECRETARIO ACADEMICO FECHA DE ACTUALIZACION DICIEMBRE DE 2014

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL CONTENIDO ........................................................................... ..................................................... ................................................. ....................... 3 CONTENIDO ................................................ Presentación....................... Presentación ................................................. ..................................................... ..................................................... ................................................. ....................... 6 ETAPA 1 OSCILADORES Y SUS CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS .................................................... ......................................................... ...... 7 Competencia profesional ......................... profesional .................................................... ..................................................... .................................................... ............................ .. 7 1.1 Osciladores .................................................. ............................................................................ .................................................... ......................................... ............... 9 1.1.1 Concepto Básicos de Osciladores Oscilado res ................................................ .......................................................................... ............................ .. 9 1.1.2 Circuito oscilante ...................................................................... ............................................................................................... .............................. ..... 11 1.1.3 Simbología de Osciladores .................................................. ............................................................................. ................................... ........ 14 Actividad práctica No. 1 ................................................... .............................................................................. ................................................ ..................... 20 Actividad práctica No. 2 ................................................... .............................................................................. ................................................ ..................... 29 1.1.4 Osciladores Senoidales ........................................... ..................................................................... ............................................... ..................... 35 1.1.5 Oscilador Simple a transistor ................................................... .............................................................................. ............................... .... 42 Actividad práctica No. 3 ................................................... .............................................................................. ................................................ ..................... 44 1.2 Oscilador LC................................................. LC........................................................................... .................................................... ....................................... ............. 49 1.2.1 Análisis de un oscilador LC.................................................................... LC..................................................................................... ................. 50 1.2.2 Funcionamiento .............................................................. ......................................................................................... ........................................ ............. 51 1.2.3 Construcción Co nstrucción de un oscilador o scilador LC ................................. .......................................................... ........................................... .................. 54 Actividad práctica No. 4 ................................................... .............................................................................. ................................................ ..................... 57 ETAPA 2 OSCILADORES CLÁSICOS ...................................... ...................................... ¡Error! Marcador no definido. Competencia profesional ......................... profesional .................................................... .................................. ....... ¡Error! Marcador no definido. 2.1 Osciladores RC ............................................ ................................................................ .................... ¡Error! Marcador no definido. 2.1.1 Oscilador RC de desplazamiento de fase .................. ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 5 ................................................... ...................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 2.1.2 Oscilador en Puente de Wien .................................... .................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.2 Osciladores de Alta Frecuencia........................ Fre cuencia........................................ ................ ¡Error! Marcador no definido. 2.2.1 Oscilador Armstrong .................................. .................................................. ................ ¡Error! Marcador no definido. 2.2.2 Oscilador Hartley ............................................ ....................................................... ........... ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 6 ................................................... ...................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 2.2.3 Oscilador Colppits................................................... ...................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 7 ................................................... ...................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 2.2.4 Oscilador Clapp .............................................. ......................................................... ........... ¡Error! Marcador no definido. 2.2.5 Oscilador Os cilador Vackar .................................................... ....................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 2.2.6 El oscilador Meissner................................................. ................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 2.2.7 Oscilador Seiler ......................................................... ......................................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.3 Osciladores Controlados a Cristal. ................................... ................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.3.1 Características de operación .................................... .................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.3.2 Oscilador Colpitts controlado por cristal. ................... ¡Error! Marcador no definido. 2.3.3 Oscilador a cristal y varicap. vari cap. ...................................... ...................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.3.4 Oscilador Pierce a cristal .......................................... .......................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.3.5 Oscilador LC controlado por un Cristal en Sobretono ¡Error! Marcador no definido. 2.3.6 Oscilador Controlado por Voltaje (VCO) .................... ¡Error! Marcador no definido. 2.3.7 Oscilador PLL ............................................ ............................................................ ................ ¡Error! Marcador no definido. 2.3.8 Oscilador a cristal típico ............................................. ............................................. ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 8 ................................................... ...................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. ETAPA 3 APLICACIONES DEL OCILADOR ...................... OCILADOR ............................. ....... ¡Error! Marcador no definido. Competencia profesional ......................... profesional .................................................... .................................. ....... ¡Error! Marcador no definido. 3.1 Etapas del receptor r eceptor superheterodino ............................... ¡Error! Marcador no definido. 3.1.1 Demodulación ........................................ ............................................................ .................... ¡Error! Marcador no definido. 3.1.2 Etapas de d e audio preamplificadora, pr eamplificadora, intermedia y de salida ......... ¡Error! Marcador no definido. 3.1.3 Segunda etapa amplificadora de fi de un superheterodino ........ ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 9 ................................................... ...................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 3.1.4 Primera etapa amplificadora de fi de un superheterodino ......... ¡Error! Marcador no definido. 3.1.5 Detector superheterodino superhetero dino y etapa de CAV ................ ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 10 ................................................. .................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 3.1.6 Circuito de sintonización de RF superheterodino ...... ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 11 ................................................. .................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 3.1.7 Circuito oscilador local de un superheterodino superhe terodino .......... ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 12 ................................................. .................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 3.1.8 Etapa convertidora de un u n superheterodino ................ ¡Error! Marcador no definido. 3.1.9 Alineación de un u n receptor superheterodino ............... ¡Error! Marcador no definido. 3.2 Radiocomunicaciones ...................................................... ...................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.2.1 Amplificador de RF ......................................... .................................................... ........... ¡Error! Marcador no definido. 3.2.2 Modulación en Amplitud ............................................ ............................................ ¡Error! Marcador no definido. 3.2.3 Antena de d e transmisión ............................................... ............................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.2.4 Principios Prin cipios de frecuencia de ritmo ............................... ............................... ¡Error! Marcador no definido.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 3.2.5 Principios de la Modulación en Frecuencia................ Fre cuencia................ ¡Error! Marcador no definido. ................................................. ¡Error! Marcador no definido. ETAPA 4 MULTIVIBRADORES ................................................. Competencia profesional ......................... profesional .................................................... .................................. ....... ¡Error! Marcador no definido. 4.1 Temporizadores. .............................................................. .............................................................. ¡Error! Marcador no definido. 4.1.1 Temporizador Sencillo. ................................... .............................................. ........... ¡Error! Marcador Marcador no definido. definido . 4.1.2 El temporizador 555................................................ ................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 4.1.2 El circuito integrado CD4551 ..................................... ..................................... ¡Error! Marcador no definido. 4.1.2 El circuito integrado CD4047 ..................................... ..................................... ¡Error! Marcador no definido. 4.2 Multivibradores ................................................. ................................................................. ................ ¡Error! Marcador no definido. 4.2.1 Multivibrador básico b ásico con transistores CMOS ............. ¡Error! Marcador no definido. 4.2.2 Multivibrador Astable ................................................. ................................................. ¡Error! Marcador no definido. 4.2.3 Multivibrador Astable con LED................................... .................................. ¡Error! Marcador no definido. 4.2.4 Multivibrador Astable con IC 555 ............................ ............................... ... ¡Error! Marcador no definido. 4.2.5 Diseño del multivibrador astable. as table. ............................... ............................... ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 13 ................................................. .................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 4.2.6 Multivibrador Monoestable. ........................................ ........................................ ¡Error! Marcador no definido. 4.2.7 Multivibrador Monoestable con Transistores Bipolares. ............ ¡Error! Marcador no definido. 4.2.8 Multivibrador Monoestable con IC 555 ...................... ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 14 ................................................. .................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. 4.2.9 Multivibrador Mul tivibrador Biestable. ............................................. ............................................. ¡Error! Marcador no definido. 4.2.10 Multivibrador Biestable con Transistores Bipolares. ¡Error! Marcador no definido. 4.2.11 Multivibrador Biestable con IC 555 .......................... .......................... ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 15 ................................................. .................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. Actividad práctica No. 16 ................................................. .................................................... ... ¡Error! Marcador no definido. .............................................................................. ............................. ... ¡Error! Marcador no definido. Bibliografía .................................................... Anexos ................................................. ............................................................................ ...................................... ........... ¡Error! Marcador no definido. ........................................... ¡Error! Marcador no definido. 1.1 Listas de cotejo y rúbricas. ........................................... ................................ ¡Error! Marcador no definido. 1.2 Reporte de actividades (ejemplo). ................................ 1.3 Formato para la co-evaluación de Actividad (ejemplo). ............. ¡Error! Marcador no definido.


Presentación En la actualidad y sin duda en el futuro la tendencia en las aplicaciones electrónicas es que se realicen mediante rutinas automatizadas a control remoto o mandos a distancia y con señales que viajan en nuestro medio ambiente en señales de radiofrecuencia. Los osciladores son circuitos fundamentales en las ramas de las comunicaciones; telefonía (celulares), radio, televisión, etc., en general todos los aparatos que transmiten señales de radio en diferentes frecuencias, ya sean señales inaudibles o que se escuchan a través de aparatos electrónicos, es por eso que su estudio es de gran importancia, de tal manera que el curso se basa en el tratado de los osciladores que engloban los multivibradores. Para dar cumplimiento a esta unidad de aprendizaje es necesario dar seguimiento al curso de

“La electrónica analógica ”, ya que l os contenidos preliminares son la base y preparación a esta unidad de aprendizaje, pero lo más significativo es que los alumnos realicen constantemente ejercicios y actividades prácticas en su taller o laboratorio para poder alcanzar los objetivos de este curso, ya que se pretende desarrollar competencias básicas y profesionales. Una de las más importantes es el reconocimiento de fallas mediante el uso de aparatos de medición en los circuitos osciladores y poder garantizar su adecuado desempeño corrigiendo las fallas encontradas. Así mismo, notificamos que este curso es previo al del siguiente nivel; “Circuitos de electrónica de potencia y amplificadores operacionales” Las competencias que desarrolla el estudiante en esta unidad de aprendizaje favorecen hábitos de estudio y trabajo, conocimientos, habilidades, destrezas, actitudes actitudes y valo valores res que conlleven a aprendizajes significativos, además también tiene como objetivo que al estudiante conozca la importancia de su entorno y la aplicación de la tecnología para un desarrollo sustentable. La academia de la especialidad de Electrónica Industrial y su Coordinador en un esfuerzo conjunto con el Departamento de Especialidades Técnicas hacen posible este trabajo. De la misma manera reconocemos el apoyo y asesoría permanente de las autoridades de esta Institución, particularmente la de nuestro director; el Ingeniero Fernando Rodríguez


ETAPA ETAPA 1 O SCILADORE SCILADO RE S Y S US CAR ACTER ÍSTICAS ÍST ICAS C ompete ompetenci ncia a profes i onal onal 

Aplicar las características y parámetros de operación que que actúan sobre los circuitos osciladores para comprobar su funcionamiento mediante mediciones de voltaje, corriente y señales, en circuitos que varían la forma de onda en el tiempo.

Elementos de la competencia profesional a1. Identificar el funcionamiento del oscilador para distinguir su función en aplicaciones que contienen el mismo en aparatos de la vida cotidiana. a2. Armar circuitos de los diferentes tipos de osciladores para determinar sus características de operación y funcionamiento, mediante mediciones en el taller de electrónica.

Competencias genéricas RIEMS 

 

Escucha, interpreta y emite mensa mensajes jes pertinentes en distintos distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados Desarrolla innovaciones y propone soluciones soluciones a partir de métodos métodos establecidos. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos

Atributos: Expresa ideas y conceptos conceptos mediante representaciones lingüísticas, lingüísticas, matemáticas o gráficas. Identifica las ideas clave en un texto texto o discurso oral e infiere conclusiones a partir de ellas. Maneja las tecnologías de de la información información y la comunicación comunicación para obtener información y expresar ideas. Sigue instrucciones y procedimientos procedimientos de manera reflexiva, reflexiva, comprendiendo comprendiendo como cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. Construye hipótesis hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. Sintetiza evidencias obtenidas mediante la experimentación para producir conclusiones y formular nuevas preguntas Utiliza las tecnologías de la información información y comunicación para procesar e interpretar información. Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.





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Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Rasgos: 1. Comunicación Maneja y comprende las Tecnologías Tecnologías de la Información y Comunicación para aplicarlas de manera crítica y objetiva, en las diferentes áreas del conocimiento. Usa códigos lingüísticos lingüísticos en distintos contextos lógicos y matemáticos matemáticos que le permiten expresar ideas con sentido ético. 2. Creatividad Diseña, analiza y explica proyectos aplicando creatividad e innovación en la resolución de problemas tomando como base los principios, leyes y conceptos 3. Cooperación Participa en tareas asignadas, tanto de de manera manera individual como grupal con respeto a la diversidad de ideas. 



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Competencias generales del ME 



Maneja las tecnologías de la información información y la comunicación comunicación como herramienta para el el acceso a la información y su transformación en conocimiento, así como para el aprendizaje y trabajo colaborativo con técnicas de vanguardia que le permitan su participación constructiva en la sociedad Utiliza los métodos y técnicas de investigación tradicionales y de vanguardia para el desarrollo de su trabajo académico, el ejercicio de su profesión y la generación de conocimientos.

Atributos: 

   

 

Expresa conceptos e ideas, de manera correcta de forma forma oral y escrita en su lengua materna Elige los procedimientos adecuados en la resolución de un problema Procesa información utilizando las tecnologías de la información y comunicación Formula y concluye resultados a partir de las evidencias obtenidas Identifica los rumbos a seguir en el el desarrollo de cualquier problema a través través del trabajo colaborativo Propone sus puntos de vista vista a la vez que respeta los de sus compañeros compañeros Trabaja y participa con una actitud positiva en los diferentes diferentes roles de las tareas asignadas.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 1.1 Osciladores 1.1.1 Concepto Básicos de Osciladores Un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia, se clasifican en armónicos, cuando la salida es sinusoidal, o de relajación, si generan una onda cuadrada. A) onda sinusoidal. B) onda cuadrada. C) onda tipo diente de sierra sierra Figura 1.1 Ondas o Señales del Oscilador.

La mayoría de los equipos electrónicos utiliza para su funcionamiento señales eléctricas de uno de estos tres tipos: ondas sinusoidales, ondas cuadradas y ondas tipo diente de sierra. Los osciladores son circuitos electrónicos generalmente alimentados con corriente continua capaces de producir ondas sinusoidales con una determinada frecuencia. Existe una gran variedad de tipos de osciladores que, por lo general, se conocen por el nombre de su creador. Igualmente, los multivibradores son circuitos electrónicos que producen ondas cuadradas. Este tipo de dispositivos, es utilizado ampliamente en conmutación. Los generadores de frecuencia son, junto con los amplificadores y las fuentes de alimentación, la base de cualquier circuito electrónico analógico. Son utilizados para numerosas aplicaciones entre las que podemos destacar las siguientes: como generadores de frecuencias de radio y de televisión en los emisores de estas señales, osciladores maestros en los circuitos de sincronización, en relojes automáticos, como osciladores locales en los receptores, como generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos y de televisores, etc. El oscilador tiene un papel importante en el campo de la electrónica. Los osciladores se utilizan en los transmisores, receptores y equipo de prueba para generar señales de CA, desde menor a un ciclo (1 Hz) hasta miles de millones de ciclos por segundo (GHz). Un oscilador es un dispositivo que convierte la corriente directa a corriente alterna. Para que un oscilador produzca una onda senoidal se deben de satisfacer determinados requisitos, que son: 

Una fuente de energía de CD.



Un amplificador.



Una red que determine la frecuencia.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 

Retroalimentación regenerativa (en fase) o positiva.

Se puede considerar que un oscilador es un amplificador que suministra su propia señal de entrada y al igual que un amplificador necesita una fuente de poder de CD. Cuando se aplica esta energía ocurre una elevación de voltaje y se amplifica. La señal amplificada se vuelve a alimentar y actúa como soporte a la señal de entrada. Cuando se ha retroalimentado suficiente señal, el oscilador se vuelve autosuficiente o automático. Para que un oscilador se proporcione energía a sí mismo, la retroalimentación debe ser regenerativa (positiva), o sea, estar en fase con la señal de entrada. Un oscilador práctico utiliza una red o dispositivo de fijación de frecuencia para hacer que oscile a una frecuencia predeterminada. La red que determina la frecuencia puede ser un circuito tanque LC resonante o una red de corrimiento de fase de RC. El dispositivo que determina la frecuencia puede ser un cristal de cuarzo o un resonador mecánico tal como un diapasón. Los osciladores son generadores que suministran ondas sinusoidales y existen multitud de ellos. Generalmente, un circuito oscilador está compuesto por: un "circuito oscilante", "un amplificador" y una "red de realimentación". Figura 1.2 Diagrama general de un oscilador

Aplicaciones de los osciladores  

Circuitos digitales (reloj) Transmisión y recepción de radio

Los osciladores pueden usarse como generadores de frecuencias de radio y de televisión, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos, etc. 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.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 1.1.2 Circuito oscilante El circuito oscilante suele estar compuesto por una bobina (o inductancia) y por un condensador. El funcionamiento de los circuitos osciladores (osciladores de ahora en adelante) suele ser muy similar en todos ellos; el circuito oscilante produce una oscilación, el amplificador la aumenta y la red de realimentación toma una parte de la energía del circuito oscilante y la introduce de nuevo en la entrada produciendo una realimentación positiva.

Figura 1.3 Diagrama de un circuito oscilante

Hay que tener cuidado y no confundir "circuito oscilante" con "oscilador". El circuito oscilante es el encargado de producir las oscilaciones deseadas; sin embargo, no es capaz de mantenerlas por sí solo. El oscilador es el conjunto que forman el circuito oscilante, el amplificador y la red de realimentación juntos.

Circuito oscilante serie En los experimentos de laboratorio anteriores aprendió que el voltaje en un circuito puramente inductivo se adelanta con respecto a la corriente en 90 grados y que el voltaje en un circuito puramente capacitivo se atrasa con respecto a la corriente en 90 grados. Si conecta una bobina y un capacitor en serie a través de una fuente de CA de frecuencia variable, la misma corriente debe fluir a través de ambos debido a que el flujo de comente es el mismo en todas partes de un circuito en serie sin importar las componentes que lo forman. Es verdad que puede haber un desfasamiento entre el voltaje y la corriente, lo que no cambia el que la corriente sea la misma en todas partes. Debido a ello, se puede considerar que los dos voltajes reactivos a través de L y C adelantan y atrasan la misma corriente del circuito. Ya que una adelanta y la otra atrasa, los dos efectos tenderían a cancelarse mutuamente dejando un voltaje reactivo neto. Esto exactamente es lo que sucede ante la fuente, que "ve" una carga reactiva neta con la corriente y voltaje desplazados en la cantidad de adelanto o atraso del ángulo de fase entre ambos. Que el voltaje resultante sea inductivo o capacitivo depende de la componente que tenga la mayor reactancia: la bobina o el capacitor. Ya que la caída de voltaje a través de cada componente es proporcional a IX L o IXc, sus caídas de voltaje dependen del valor de cada componente y de la frecuencia del voltaje aplicado. Si la frecuencia es tal que X L es igual a Xc, haciendo con ello que IX L sea igual a IX c, las dos reactancias se cancelan completamente y la fuente ve un voltaje reactivo neto a través de las dos componentes, igual a cero. A esta condición se le conoce como resonancia en serie. La única oposición al flujo de corriente en

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL la resonancia es la resistencia del circuito, que es relativamente pequeña si sólo tiene un inductor y capacitor y no tiene resistencia (siempre hay cierta resistencia en las espiras de la bobina). Así, la impedancia es mínima en un circuito resonante en serie, ya que sólo consiste en resistencia, y el flujo de corriente es máximo. Con relación a la fuente, la corriente y voltaje están en fase bajo esta condición. Las caídas de voltaje a través de las dos reactancias que están en resonancia son máximas, ya que el flujo de corriente es un máximo, pero su valor neto es cero ya que ambos se oponen y cancelan entre sí cuando se consideran juntos. La fórmula para calcular la frecuencia de resonancia se obtiene de las fórmulas para X L y Xc y del hecho que son iguales en la resonancia. La fórmula de la frecuencia de resonancia es como sigue: f r

=

1/(2π √  ) √ 

La potencia en un circuito RLC en serie es máxima en la resonancia y sólo la consume la resistencia del circuito. La potencia resistiva se define como la potencia verdadera o potencia real; en la resonancia, la potencia verdadera es igual a I 2 R. La potencia reactiva (I 2XL o I2Xc) que parecería absorber las componentes reactivas del circuito está contenida dentro del circuito o se devuelve a la fuente, por lo que no se consume o utiliza. Los circuitos LC y RLC en serie se utilizan extensamente como filtros y circuitos sintonizados en televisión, radio, radar, sonar y otros equipos de comunicación electrónica debido a su capacidad para manejar grandes corrientes a la frecuencia resonante mientras suministran una elevada oposición al flujo de la corriente a las demás frecuencias.

Circuito oscilante paralelo Cuando se conecta una bobina y capacitor en paralelo y luego aplica un voltaje de CA a través de ellos, la corriente en la rama inductiva atrasa el voltaje en 90 grados, mientras que la corriente en la rama capacitiva lo adelanta en 90 grados. Si ambas reactancias son desiguales fluye una corriente mayor en la rama que tenga la menor reactancia. Ya que las dos corrientes están desfasadas 180° entre sí, el flujo de corriente neto en el circuito es la suma vectorial, o diferencia entre las dos corrientes de rama. A este flujo de corriente neto se le conoce como la corriente total y es la que fluye entre la fuente de CA y el circuito LC conectado en paralelo. La fase de esta corriente con respecto al voltaje aplicado se determina por la mayor de las dos corrientes de rama. El flujo de corriente entre las dos ramas (bobina y capacitor) se conoce como corriente circulante. Si cambia la frecuencia del voltaje aplicado a través del circuito LC en paralelo al punto donde X L y X C C son iguales, las dos corrientes de rama serán iguales. En este caso, las corrientes de rama tienden a anularse completamente, produciendo una corriente total mínima. El circuito LC en paralelo en resonancia afecta la fuente de energía como una resistencia relativamente

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL grande. A esta condición se le conoce como resonancia en paralelo. La fórmula matemática para calcular la frecuencia de resonancia aproximada de un circuito resonante en paralelo es la misma que para la resonancia en serie. f r

=

1/(2π √  ) √ 

Lo que se expresó anteriormente, junto con esta ecuación para la resonancia, son ciertos para circuitos con Q alta. Este enfoque no es muy bueno cuando la Q del circuito es menor de 10. Por lo que se acaba de explicar, puede verse que el voltaje es el mismo a través de todas las ramas de un circuito LC en paralelo Si hay resistencia a través del circuito en paralelo lo que lo hace un circuito RLC, tiene el efecto de disminuir la impedancia global del circuito. La impedancia del circuito LC en paralelo disminuye arriba y abajo de la resonancia, debido a la frecuencia. En ambos casos fluye más corriente total, pero la corriente total del circuito RLC tiene una componente resistiva igual que otra reactiva. Las aplicaciones prácticas de los circuitos LC y RLC en paralelo son casi ilimitadas en electrónica. Se utilizan mucho en radio comunicación, radar, sonar y equipo de comunicaciones para utilizar una banda determinada de frecuencias y discriminar todas las demás frecuencias fuera de ese ancho de banda. Cuando están conectados en serie con una fuente de señales como filtro, los circuitos resonantes en paralelo tienen muy buenas características de rechazo de banda; conectados en paralelo actúan como filtros de paso de banda. Sustituyendo el capacitor fijo de un circuito resonante en paralelo por un capacitor variable, se puede "sintonizar" el circuito a un rango de frecuencias de resonancia, de esta manera, este tipo de circuito se hace muy útil en aplicaciones de radio frecuencia (RF). Debido a las grandes corrientes de circulación en resonancia, se puede utilizar al circuito resonante en paralelo para acoplamiento inductivo entre las etapas en equipo electrónico. En el actividad práctica 1 de laboratorio se llamará al circuito LC en paralelo con su término más conocido de "circuito tanque". En esta actividad de laboratorio se calcula y luego se mide la frecuencia de resonancia de un circuito RC en paralelo. Se verifica que la corriente total es un mínimo en la resonancia. Luego se mide el voltaje del tanque y la corriente total en resonancia y el incremento de 5kHz por arriba y por abajo del valor de resonancia aplicando un voltaje fijo. Se ve que la impedancia es máxima en resonancia y decae mucho por arriba y por abajo del valor de resonancia. Se aprende que aunque la corriente total es mínima en resonancia, aumenta mucho por arriba y por abajo de la resonancia. Mediante cálculos se determina X determina X L, X C C, I L e I C C y se verifica que l C C es mayor que I L arriba del valor de resonancia e I L mayor que I C C abajo del valor de resonancia. También se calcula la Q del circuito tanque, el ancho de banda, los puntos de media potencia y los límites de frecuencia superior e inferior. Finalmente, se grafica una curva de respuesta de impedancia usando las mediciones del circuito.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 1.1.3 Simbología A continuación se muestran algunos dispositivos que son importantes y de gran ayuda al estudiar el curso de Circuitos Osciladores.

Resistencias Resistencia, resistor símbolo general Resistencia variable

Resistencia ajustable

Potenciómetro

Termistor ( NTC )

Termistor

LDR - Fotoresistor

Resistencia con tomas fijas

Resistencia preajustada

Atenuador

Bobinas, inductores Bobina variable Bobina, inductor*

Bobina núcleo Fe-Si

Bobina ajustable

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Solenoide Bobina de choque Bobina / electroimán Condensadores, capacitores Condensador / capacitor no polarizado

Condensador ajustable

Condensador variable Trimer

Condensador electrolítico múltiple

Condensador electrolítico

Condensador diferencial

Condensador polarizado

Transformadores Transformador núcleo aire

Transformador

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Transformador

Transformador variable

monofásico Autotransformador

Transformador con núcleo ajustable

Osciladores

Oscilador Etapa mezcladora Oscilador de tensión

Schmitt-trigger

Oscilador piezoeléctrico Oscilador variable

Cristales Cristal piezoeléctrico Resonador Relevadores Relé con bobina y contacto

Mando electromagnético

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Relé de temperatura Termostato

Relé de láminas Reed

Diodos Diodo de corriente constante

Fotodiodo bidireccional NPN

Fotodiodo de dos segmentos cátodo común PNP

Fotodiodo de dos segmentos cátodo común PNP

Diodo Pin

Diodo sensible a la temperatura

Transistores Transistor NPN

Transistor PNP

Transistor NPN colector unido a la cubierta

UJT-P Uniunión

UJT-N Uniunión

Fototransistor NPN

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL PUT Uniunión Programable

Darlington NPN

Transistor NPN con colector unido a la cubierta

Transistor NPN túnel

UJT-n Uniunión

UJT-p Uniunión

Darlington NPN

Multiemisor NPN

De avalancha NPN

Transistor Schottky NPN

Tipo empobrecimiento sustrato unido al surtidor 3 terminales

Tipo enriquecimiento 4 terminales



Tipo empobrecimiento 4 terminales

Tipo empobrecimiento 2 puertas, 5 terminales

Tipo empobrecimiento 2 puertas, 5 terminales

Tipo enriquecimiento 2 puertas, 5 terminales

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Amplificadores Amplificador Símbolo genérico

Amplificador AF ( Alta frecuencia )

Amplificador FI ( Frecuencia intermedia )

Amplificador BF ( Baja frecuencia )

Amplificador Norton

Amplificador operacional

Instrumentos Medidor símbolo genérico

Voltímetro

Vatímetro

Amperímetro Amperímetro

Vúmetro

Frecuencímetro

Ohmímetro / Óhmetro

Osciloscopio

Tabla 1.1 Simbología electrónica

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Actividad práctica No. 1

R es esonanci onancia a en parale paralelo lo OBJETIVO: a) Calcular y medir medir la frecuencia de resonancia de un circuito LC en paralelo b) Determinar el "ancho de banda" de un circuito tanque LC paralelo graficando una curva de respuesta. Material requerido Fuente de energía Multímetro Osciloscopio Generadores de AF multímetro Capacitor de 0.002 µf, Mylar Bobina de 10 µH Resistencia de 10 k ohm, 1 watt Interruptor Simple Simple Polo Doble Tiro (SPDT), módulo de componentes.        

Conceptos básicos 1. La impedancia de un circuito en paralelo en resonancia es máxima y la corriente total es mínima. 2. Por debajo de la resonancia, un circui circuito to LC en paralelo parece inductivo en la fuente; arriba de la resonancia parece capacitivo. 3. La corriente que circula circula dentro de un circuito tanque es máxima máxima en la resonancia. 4. La corriente total total es igual a la diferencia diferencia entre las corrientes corrientes de las ramas. Procedimiento de la práctica. Objetivo A. Calcular y medir la frecuencia de resonancia de un circuito LC en paralelo. 1. Calcule la frecuencia de resonancia de Cl (0.002µF) conectado en paralelo con Ll (10mH). f r ( c a l c u l a d a )

=

1/(2π 1/(2π √  ) √ 

_______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 2. Monte el circuito circuito como se muestra en la figura 1.4. El El circuito tanque consiste en Cl y Ll en paralelo. Note que el multímetro se usa como microamperímetro y voltímetro. El cable de la terminal negativa del microamperímetro y el cable común del voltímetro deben conectarse a la punta de tierra del generador de AF. Fije el interruptor SI en la posición B. Figura 1.4 Circuito resonante paralelo

3. Fije el generador de AF a la frecuencia de resonancia resonancia calculada en el paso (1). 4. Ajuste el generador de AF para salida máxima. 5. Ajuste la frecuencia superior e inferior a la frecuencia de resonancia mientras mientras observa el microamperímetro. 6. La verdadera frecuencia de resonancia será aquella que produzca la más más baja indicación de corriente en el microamperímetro. Registre la verdadera frecuencia de resonancia del indicador del generador de AF y úsela para todas las mediciones y cálculos durante esta actividad de laboratorio. f r ( m e d i d a ) = ______________ k H z

Debe medir dentro del 20% de su valor calculado 7. Ajuste el voltaje voltaje de salida a cero. No cambie el el ajuste de frecuencias frecuencias del generador de AF. ¿Por qué se obtiene una corriente nula en la frecuencia de resonancia? _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ 8. El voltaje voltaje a través del circuito resonante en paralelo paralelo es (máximo, mínimo) en resonancia. _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ 9. Determinar la impedancia impedancia de un circuito LC en paralelo en resonancia, utilizando utilizando mediciones del voltaje del circuito tanque y de la corriente total. 10. Fije el interruptor SI en la posición A. 11. Ajuste la salida del generador de AF a 1 v (rango del medidor de 5 volts). 12. Fije el interruptor SI en la posición B.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 13. Mida y registre el voltaje E T T a través del circuito tanque. Registre este valor como el voltaje de la frecuencia de resonancia en la tabla 1.2. 1.2 . E T T

= _________________

Vca

14. e) Mida y registre la corriente total I I TOTAL TOTAL que fluye en el circuito. Registre este valor como la corriente total a la frecuencia de resonancia en la tabla 1.2. I total total = ________________ Aca

15. Mida y registre el voltaje a través del circuito tanque y la corriente total en incremento, de 5kHz superiores e inferiores a la resonancia como lo indica la tabla 1.1. Para cambios en la frecuencia del generador de AF, repita los pasos (1), (2) y (3. Asegúrese de que el voltaje de salida esté ajustado a 1 volt antes de hacer sus mediciones. 16. Calcule la impedancia del circuito tanque en la resonancia utilizando sus valores medidos del voltaje del tanque y corriente total. Anote el valor en la tabla 1.2. Z T T /I / I total T = E T total ZT

= ______________ k Ω

17. Observe la tabla 1.2 ¿Aumenta la corriente total al variar la frecuencia arriba y abajo del valor de resonancia? ________ Explique ¿Por qué? __________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ 18. ¿Disminuye el voltaje a través del circuito tanque al variar la frecuencia arriba y abajo de la resonancia? _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________ _______________________________ ________________________________________ ________________________ 19. En resonancia, ¿La impedancia del circuito tanque es alta o baja en comparación con un circuito resonante en serie? ________________ ¿Explique el efecto? _______________ ____________________________________________________________ _________________________________________ ___________________ ____________ ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________

Objetivo B. Determinar el "ancho de banda" de un circuito tanque LC paralelo graneando una curva de respuesta. 20. Use el valor de L1 y Calcule el valor de X L para su frecuencia de resonancia. Anote el valor en la tabla 1.2.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL X L 2 π f L _____________________________________________________ __________________________ _______________________________________________________ _____________________________ _ =

21. Use el valor de C1 y calcule Xc para su frecuencia de resonancia. Anote el valor en la tabla 1.2. X c = 1 / (2 π f C) _____________________________________________________ __________________________ _______________________________________________________ _____________________________ _

22. Calcule la corriente inductiva I L y la corriente capacitiva I C C . Anote el valor en la tabla 1.2. I L = E T / X L _____________________________________________________ __________________________ _______________________________________________________ _____________________________ _ Ic = E T / X C C _____________________________________________________ __________________________ _______________________________________________________ _____________________________ _

23. Calcule el factor de calidad (Q) del circuito tanque. Use el valor valor de X L calculado en el paso 20 y el valor medido de resistencia nominal en CD de L1. L1. Q = X L / R _____________________________________________________ __________________________ _______________________________________________________ _____________________________ _

24. El ancho de banda de un circuito resonante en paralelo es la banda de frecuencias superior e inferior al valor de resonancia que hace que el circuito LC en paralelo desarrolle una impedancia igual a, o mejor que ±0.707 por la máxima impedancia en resonancia. Calcule el ancho de banda y los límites de frecuencia superior e inferior de su circuito usando el valor sin carga de Q. AB fr / Q _____________________________________________________ __________________________ __________________________________________________ _____________________________ ______ =

f superior = fr + (AB / 2)

25. Calcule los puntos de media potencia de la impedancia. Z T 0.707 Z T T = T _____________________________________________________ __________________________ _______________________________________________________ _____________________________ _

26. Indique si X si X L y X C C calculados en los pasos (20) y (21) son iguales en resonancia _______ ¿Por qué? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 27. ¿Son iguales I L e I C C del paso (22)? ___________ ¿Por qué? ______________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ TOTAL en resonancia? ____________________ 28. ¿Por qué I L e I C son mucho mayores que I TOTAL _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ __________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _____________________ 29. Si baja la Q de su circuito circuito resonante en paralelo, ¿aumenta o disminuye el ancho de banda? __________________ ¿Por qué? _____________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________

Complete las anotaciones de la tabla 1.2 para X L, X C C, I L, I C C y Z T T para cada una de las frecuencias superiores e inferiores a la resonancia. Frecuencia (khz)

VT

I total

XL

XC

IL

IC

ZT

(volts)

(µA)

(K ohm)

(K ohm)

(µA)

(µA)

(K ohm)

f r r -25 -25 f r r -20 -20 f r r -15 -15 f r r -10 -10 f r r -5 -5 f r f r r +5 +5 f r r +10 +10 f r r +15 +15 f r r +20 +20 f r r +25 +25 Tabla 1.2 Llenado de valores XL, Xc, IL, Ic y ZT

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 30. Construya una gráfica de la impedancia del circuito tanque en función de la frecuencia en la figura 1.5 graficando los valores anotados en la tabla 1.2. Trace una curva suave entre los puntos. Indique si su curva muestra una respuesta marcada, característica de su circuito tanque ___________ ¿Qué concluye de esta grafica? ____________________________ ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ Señale los valores de impedancias calculados para los puntos de media potencia en su gráfica. 31. Dibuje líneas verticales desde los puntos de media potencia a la escala de frecuencias a lo largo de la parte interior de la gráfica. 32. Indique si el ancho de banda de la gráfica concuerda con el ancho de banda calculado en el punto 24. ____________ 33. Indique si concuerdan los límites de frecuencia inferior y superior ____________

Figura 1.5 Gráfica de frecuencia contra impedancia

34. Examine los valores de X de X L, X C C, I L e I C C de la tabla 1.2. ¿Cual reactancia es más pequeña por debajo de la resonancia? ________________ ¿Arriba del valor de resonancia?________________ ¿Cuál corriente de rama es mayor abajo del valor de resonancia? __________________ ¿Arriba del valor de resonancia? ___________________ 35. Subraye las respuestas. Abajo de la resonancia, un circuito LC en paralelo afecta la fuente como un circuito (inductivo, capacitivo), mientras que arriba del valor de resonancia lo afecta como un circuito (inductivo, capacitivo).

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Preguntas 1. Como es la impedancia, en un circuito en resonancia paralelo. ¿Por qué? ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ 2. En resonancia, ¿Como es la corriente total en un circuito en paralelo? ________________________________________________________________________ _____________________ ___________________________________________________ ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ 3. Ante la fuente de señales, ¿como aparece un circuito en paralelo en resonancia? ____________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ ____________________ 4. Abajo del valor de resonancia, ¿Cómo es la impedancia impedancia de un circuito LC en paralelo? ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ 5. Se conectan en paralelo una reactancia X C capacitiva de 35 ohms y una reactancia X L inductiva de 400 ohms a través de una fuente de 120 volts y 60Hz. ¿Qué tipo de impedancia afecta a la fuente?

6. Un circuito tanque resonante en paralelo desarrolla 15 volts a través del mismo. La corriente total es de 3.5uA. ¿Qué impedancia presenta el circuito tanque a la fuente?

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Circuito oscilante con diodo varactor Todos los diodos semiconductores polarizados inversamente exhiben bastante capacitancia a través de sus terminales. Los diodos varactores son los diodos de estado sólido diseñados y fabricados para el uso específico como condensadores y tienen una característica de capacitancia vs voltaje dentro de límites razonables. La figura 1.6 muestra algunas similitudes entre un diodo de estado sólido y un condensador. Debido a la recombinación de portadoras de corriente en el diodo, en la unión o juntura se forma una región de agotamiento. Los cristales semiconductores agotados actúan como aislantes ya que no disponen de portadoras de carga para mantener el flujo de la corriente. En consecuencia se puede considerar la región de agotamiento como un aislante. En las áreas fuera de la región de agotamiento hay portadores de carga. Se puede considerar a estas áreas como semiconductores. No es demasiado difícil visualizar la formación de un condensador por el diodo: dos materiales semiconductores separados por un aislante.

Figura 1.6 Similitud de un diodo con un capacitor

Se puede extender la profundidad de agotamiento hasta las regiones de semiconducción aumentando la polarización inversa del diodo con una fuente externa, lo que aumenta efectivamente el espesor del aislante y aparta las regiones semiconductoras, que a su vez disminuye la capacitancia. En consecuencia, la capacitancia es en función de la polarización inversa aplicada al diodo. Conforme aumenta la polarización inversa, disminuye la capacitancia; al disminuir la polarización inversa, aumenta la capacitancia.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL A los diodos varactores se les conoce como diodos de sintonía y diodos varicap. Son pequeños los que los hace ideales para la construcción en miniatura. También son muy confiables y físicamente robustos. Ya que están controlados por voltaje, constituyen excelentes dispositivos de sintonía cuando se requiere seguir (sintonizar simultáneamente) a varios circuitos. Como parte del circuito sintonizado de un oscilador, proporcionan un medio simple de modulación en frecuencia. Se les puede utilizar con retroalimentación de voltaje para corregir derivas u otros errores de frecuencias en un oscilador, a lo que generalmente se conoce como control automático de frecuencia (CAF). Al experimentar en el laboratorio se examina la operación de d e un diodo varactor, va ractor, su capacidad para cambiar la sintonización de un amplificador y variando la polarización inversa a través del varactor, se observa un cambio en el voltaje de salida desarrollado a través del circuito tanque sintonizado. Se determina que la disminución en el voltaje de salida es el resultado de un cambio en la frecuencia de resonancia del circuito tanque provocado por el cambio en la capacitancia del varactor. Luego se mide la capacidad de sintonización de rango de frecuencias. Se varia el voltaje de control y se grafica una curva de frecuencia vs voltaje para el diodo varactor. Se determina que la capacitancia del varactor varía intensamente con el voltaje de control y que para valores bajos del voltaje de control se tiene no linealidad de la capacitancia. Se calcula la frecuencia de resonancia del circuito tanque para un valor típico del voltaje de control, se compara ese valor contra sus resultados medidos y se encuentra que en ambos concuerdan favorablemente. Finalmente, se calcula el cambio en la capacitancia del varactor para un cambio de voltaje de 8 voltios.


E l Diodo varacto varactorr OBJETIVO: a) Mostrar la capacitancia variable de un diodo varactor. b) Medir el rango de sintonización de un amplificador de RF sintonizado por varactor y graficar una curva de voltaje vs frecuencia. Material requerido Fuente de energía Osciloscopio Capacitor electrolítico de 10 uf Fuente de energía multímetro Generador de RF Osciloscopio Dispositivos para prácticas en electrónica C1, C2 0.1uf CR1 Diodo varactor MB1650 L1 Bobina osciladora Q1 Transistor NPN 2N2219A R1 10kohm, 1W R2 3.3kohm, 1W R3 150kOhm R4 100kohm, 1W R5 Potenciómetro 10kohm ½ W                 

Conceptos básicos: 1. Un diodo semiconductor semiconductor polarizado inversamente exhibe una capacitancia significativa en tres sus terminales de cátodo y ánodo. 2. La capacitancia de un diodo diodo de estado sólido sólido de polarizado inversamente varia con la cantidad del voltaje aplicado. 3. Un diodo fabricado fabricado para la aplicación especifica especifica como capacitancia variable se conoce como diodo varactor. 4. Se puede utilizar utilizar un diodo varactor en lugar de un condensador variable en muchas aplicaciones electrónicas para lograr funciones de sintonía automática y remota. Procedimiento de la práctica.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Objetivo A. Mostrar la capacitancia variable de un diodo varactor. 1. Conectar el circuito mostrado mostrado en la figura 1.7. Asegurarse que el extremo señalado con una banda (cátodo) del diodo varactor esté conectado a la unión de C2 y R4. Conectar la punta de tierra del generador de RF a la tierra del circuito. 2. Ajustar el potenciómetro R5 de 10Kohm al centro de rango. 3. Ajustar la salida salida de la fuente de energía a 12 VCD. 4. Ajustar el generador de RF para una salida no modulada de onda media en el rango de 0.5 a 1.6MHz. Usar la salida de bajo nivel de 0.003 V y ajustar el control de nivel d RF al máximo. 5. Usar el multímetro multímetro y medir los voltajes de operación de CD del circuito circuito con respecto a tierra. Medir V B, VE y el voltaje en el terminal deslizable de R5.

Figura 1.7 Circuito con realimentación positiva

VB = ___________________ VCD VE = ___________________ VCD VPOT = ___________________ VCD 6. Observe la señal con el osciloscopio, usar la punta multiplicadora X10 y conectar la entrada vertical a la pata 3 de T1. T1 . Conectar la punta de tierra a la l a tierra del circuito. 7. Lentamente ajustar la frecuencia del generador de RF hasta que aparezca señal máxima máxima en la pantalla del osciloscopio. Con cuidado reajustar la frecuencia hasta estar seguro que alcanza la señal máxima. Registrar la frecuencia del generador de RF.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL f = ___________________ = ___________________ MHz 8. Mover el ajuste del potenciómetro potenciómetro en una dirección y luego en la opuesta mientras se observa a la señal en el osciloscopio. ¿Describa lo que sucede mientras gira el potenciómetro? ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ __________________________________________________________________________ ________________________________ __________________________________________ _ 9. ¿Qué efecto tiene el potenciómetro potenciómetro del circuito? ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 10. ¿Qué papel tiene el diodo varactor en e n este circuito? ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 11. ¿El circuito que consiste en e n el condensador C2, el diodo varactor y el secundario de T1, forma un circuito resonante en paralelo? ________________________ ¿Explique por qué? ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________________________________________ _______________________________ ____________________________________________ 12. ¿A qué frecuencia desarrolla des arrolla el amplificador el máximo voltaje de salida del circuito tanque? ______________________ ¿Cómo es llamada esta frecuencia? ______________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ _____________

Objetivo B. Medir el rango de sintonización de un amplificador de RF sintonizado por varactor y graficar una curva de frecuencias vs voltaje. 13. Conectar el multímetro entre el terminal del potenciómetro R5 (+) y tierra (-). 14. Ajustar el potenciómetro para una indicación de 12V en el multímetro. multímetro. 15. Ajustar la frecuencia fr ecuencia del generador de d e RF para máxima salida del amplificador según se gún indique el osciloscopio. Registrar esta frecuencia frente a la anotación de doce volts en la tabla 1.3 16. Repetir (b) y (c) para cada valor de voltaje de control co ntrol listado en la tabla 1.3. Registrar la frecuencia de resonancia para cada voltaje. 17. Marcar los valores de la tabla 1.3 en la grafica de la figura 1.8. La grafica debe de mostrar un aumento casi lineal de frecuencia cerca y arriba de dos volts. 18. Por lo general no se opera a los diodos de sintonía varactores en todo el rango de voltaje inverso. Examinar la grafica de la figura 1.8 y ¿Explique la razón? _____________________

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL _________________________ __________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ ______________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ _____________________ VOLTAJE DE CONTROL (VCD)

FRECUENCIA DE RESONANCIA (MHZ)

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Tabla 1.3 Circuito con realimentación positiva

19. El diodo varactor tiene una capacitancia nominal de 100pf a 4 voltios. La inductancia de la bobina es de 350 µH. Calcular la frecuencia de resonancia del amplificador para un voltaje de sintonía de 4 voltios. Puede ignorarse la capacitancia de C2 debido a que es mayor en comparación con el diodo varactor. fr = 1 / (2 π √   )

fr = __________________ MHz (Aprox. 0.8512 MHz) 20. Comparar la frecuencia calculada contra la medida para el voltaje de control de 4 voltios. ¿Concuerdan? ______________________ ¿Cuál es su deducción? _________________ _______________________________________ _________________________________ ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________



21. Se puede calcular c alcular la variación aproximada en la capacitancia del diodo varactor en un rango de voltajes de control utilizando la tabla 1.3 y re arreglando la formula de la frecuencia de resonancia. Despejando C, la formula de la frecuencia de resonancia da:

 = 1/(4 1/(4 2  2 ) 22. Refiérase a la tabla 1.3 y registre la frecuencia de resonancia para el voltaje de control de 2 y 10 voltios

(2 )  ) = ___________ (0 )  ) = ___________ 23. Calcular la capacitancia aproximada del varactor para voltaje de control de 2 voltios. vol tios. (inductancia de la bobina 350 µH) 2 2 (2 )  ) = 1/(4  )

(2 )  ) = ____________________ pf Valor aproximado de 125 picofarads.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 24. Calcular la capacitancia aproximada del varactor para p ara el voltaje de control de 10 voltios. 2 2 (0 )  ) = 1/(4  )

(0 )  ) = __________ pF 25. Calcular la variación en la capacitancia cap acitancia total del diodo varactor de 2 a 10 voltios del d el voltaje de control.

()  ) = (2 )  ) − (0 )  ) ()  ) = _____________ pF. Valor aproximado de 45 picofarads. 26. Apague el generador gener ador de RF y la l a fuente de energía de CD.

Preguntas 1. A los diodos varactores también se les llama: ____________________________________ 2. Los diodos varactores se pueden utilizar para ____________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 3. Que sucede al aumentar la polarización inversa del varactor ________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 4. Explique el efecto de la frecuencia de resonancia en la combinación bobina y diodo varactor ____________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 5. Cuando no es buena la linealidad de sintonización del del diodo varactor _________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 6. Los diodos varactores varactores opera en forma semejante semejante a que dispositivos: _________________ Explique ¿Por qué? __________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ _____________________ ______________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 1.1.4 Osciladores Senoidales Estos, dentro de los sistemas de radio comunicaciones constituyen una de las etapas fundamentales de los equipos, ya sea en transmisores como en receptores. En el caso de un transmisor los osciladores son los encargados de generar la señal de salida (portadora), o algún submúltiplo de esta, esto último es el caso de transmisores de VHF o UHF. Esto significa que en algunos casos la señal generada por el oscilador tiene igual frecuencia que la de salida y en otros casos el oscilador genera una señal de frecuencia inferior (submúltiplo de la frecuencia. de salida), a la que posteriormente por multiplicación de frecuencia se la traslada a la frecuencia deseada de salida. En el caso de receptores el oscilador (oscilador local) es el encargado de excitar a la etapa mezcladora, sintéticamente: un receptor utiliza un conversor de frecuencia el cual básicamente se compone de una etapa mezcladora, en esta etapa se mezcla una señal generada localmente con la señal de RF que llega a la antena y nos entrega en la salida una señal de una determinada frecuencia, llamada Frecuencia Intermedia. Desde el punto de vista de otros sistemas también se utilizan los osciladores como base de tiempo, relojes, etc. Básicamente un oscilador es un amplificador realimentado, donde la realimentación es positiva. El oscilador entrega una señal alterna sin necesidad de inyectarle una señal alterna a la entrada. En realidad lo que hacen los osciladores en el circuito es convertir energía de corriente continua suministrada por la fuente de alimentación en energía de corriente alterna que es la que tenemos a la salida.

Criterio de Oscilación (Criterio de Barckausen) Un oscilador básicamente se compone de un circuito amplificador A y una red de realimentación B, el circuito esquemático sería el siguiente:

Figura 1.9 Circuito amplificador A y una red de realimentación B

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Donde A es la ganancia del amplificador, Af es la ganancia a lazo cerrado y B la función de transferencia de la red de realimentación. Para que este sea un oscilador se deben cumplir algunas condiciones como por ejemplo que Xi = 0, si Xi = 0 significa que no hay señal de entrada y si se tiene una determinada señal de salida. Esto indica que Af = infinito y para que esto se cumpla debe ser 1 - AB = 0 o sea AB = 1 la cual es la condición de oscilación (AB es la ganancia a lazo abierto del sistema). Condición que resulta ser necesaria. A la relación “AB = 1” se lo l o conoce como Criterio de Barckausen. Ahora bien AB = Xf / X1 por lo tanto si Xf / X1 = 1 entonces Xf = X1, esto nos dice que podemos sacar Xi y el amplificador no sufrirá modificaciones, porque sigue viendo la misma señal a la entrada X1. Que Xf sea igual a X1 significa que deben coincidir exactamente en amplitud, frecuencia y fase. Dos señales de igual frecuencia puede que no coincidan en fase, pero si coinciden en fase necesariamente deben coincidir en frecuencia por lo tanto nos basaremos en lograr la igualdad de amplitud y fase solamente.

Condición de Arranque y Frecuencia de Oscilación Según el esquema anterior, para que se establezca una oscilación inyectamos una señal de entrada, aparece una Xi, Xf = 0, aparece una Xo, se realimenta, aparece una Xf, la cual se suma y se va incrementando hasta que rápidamente se estabiliza el circuito y tenemos la señal de salida. En realidad al oscilador no le inyectamos ninguna señal de entrada, se supone que la genera sola. La realidad de esto es que los osciladores arrancan solos. Si bien Directamente no se le inyecta señal de entrada, si se le está inyectando Indirectamente. El fenómeno de arranque del oscilador se produce debido a dos factores. 1. Todos los componentes componentes que se utilizan son generadores de ruido “Ruido blanco “, este tiene un espectro de potencia plana o sea tiene componentes de todas las frecuencias, algunas de esas componentes coincide con la frecuencia de oscilación, esta que coincide se ve beneficiada, esto es amplificada y realimentada, por lo que a esta frecuencia operará el oscilador. Es decir que con el ruido de los propios componentes más ruido inyectado en el momento de la alimentación, sumado provoca el arranque del oscilador por lo que se establecen las oscilaciones. Es un proceso regenerativo que rápidamente llega a estabilizarse en amplitud y frecuencia. 2. Normalmente el amplificador amplificador A es un transistor, bipolar o efecto de campo, el cual produce un desfasaje de 180º. Esto significa que la red B deberá introducir un desfasaje adicional de 180º para satisfacer la condición de igual fase. Esta red debe estar compuesta por elementos reactivos para cumplir con el objetivo anterior, no podría estar compuesta por un transistor.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Red de Realimentación B La red de realimentación B debe cumplir con ciertos requisitos para permitir establecer las oscilaciones, estos son: 1. Producir un desfasaje de 180º ó 0º (en caso de que el amplificador A no introduzca desfasaje), es decir corregir el corrimiento de fase para que la señal realimentada llegue en fase a la entrada. 2. Esta es la más importante y es la de seleccionar la frecuencia de oscilación y estabilidad en frecuencia. A es un transistor que no tiene problemas de frecuencia de trabajo, pero alguien le tiene que determinar la frecuencia a la cual va a oscilar, esto lo realiza la red B. La red B suministrará un desfasaje adecuado únicamente a la frecuencia de oscilación, por lo que para cualquier otra frecuencia el desfasaje es distinto del necesario y entonces no se cumple con la condición de fase y no hay oscilación. Por estas razones, la red B se debe construir con elementos reactivos, RC o LC. Básicamente podemos distinguir dos tipos de osciladores, los de baja frecuencia y los de alta frecuencia. Los de baja frecuencia (Audio frecuencia) trabajan con frecuencias que están entre 0,1 y 200 KHz, los de Radio frecuencia, que trabajan con frecuencia de 200 KHz en adelante, respectivamente. En el primero la red B es RC y en el segundo es LC. Si se pudiera elegir que red utilizar, se debería elegir LC, porque esta tiene un Q mucho más alto que la red RC. La estabilidad en frecuencia la establece el Q del circuito resonante de la red B, cuanto más alto es este, tanto mayor será la estabilidad en frecuencia. Esto último se debe a que cuanto mayor es el Q, mayor es el cambio de fase que produce el circuito resonante al variar la frecuencia de oscilación. El cambio de fase y la reactancia (de capacitiva a inductiva) se produce con mucha velocidad (es decir en un intervalo de frecuencia más pequeño) cuanto mayor es el Q. Lo ideal sería que pasara de +90º a -90º en forma vertical, eso implicaría tener un Q infinitamente alto. Si se tiene ese corrimiento de fase significa que esta red es capaz de pasar de +90º a -90º de corrimiento de fase sin que prácticamente se modifique la frecuencia. Entonces se puede decir que para que el circuito sea estable la variación de fase por unidad de frecuencia tiene que ser lo más grande posible, o sea tender a infinito, esto es:

Esto último significa que se tiene una gran variación de la fase con una pequeña variación de frecuencia (obtenemos así un circuito muy estable). Tenemos que apuntar a una red muy estable ya que el desfasaje de la red depende de:

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 1. Los valores de los componentes que utiliza, utiliza, los cuales presentan una determinada dispersión, disipación y corrimiento térmico. 2. Del transistor, si en este se produce por por alguna causa un corrimiento de fase, se modificará la frecuencia de oscilación. 3. De las capacidades parásitas que aparecen, por ejemplo las del transistor, transistor, las cuales varían de un transistor a otro, además de variar por causas térmicas y de polarización. En definitiva, corrimientos de polarización, tensión de alimentación, temperatura, etc. provocan modificaciones en la frecuencia de oscilación. Todas estas modificaciones en frecuencia serán pequeñas si dispone de una red de realimentación con un Q alto. Una red RC tiene un Q menor que una red LC por lo que es conveniente utilizar redes LC, pero en osciladores de audio frecuencias (baja frecuencia), por ejemplo 2 KHz en el circuito y matemáticamente no existe ningún problema, pero en la realización práctica del inductor, el tamaño del mismo será muy voluminoso, además para esta frecuencia deberá utilizar núcleo de hierro con las consiguientes pérdidas, motivo por el cual no se utilizan en frecuencias de audio. Por encima de 200 KHz las inductancias se hacen más pequeñas, fáciles de construir y son más económicas, por ello se utilizan en alta frecuencia circuitos LC y si se desea mayor estabilidad en frecuencia se podrá utilizar una red LC con algún elemento de control de frecuencia. En pocas oportunidades se utilizan circuitos LC sin ningún tipo de control, esto se debe a que a pesar de la mayor estabilidad, los corrimientos de frecuencia son importantes, por ejemplo en un circuito LC que resuena en 200 KHz, se pueden producir corrimientos de frecuencia del orden 2 a 5 KHz, o más, si consideramos cambios de temperatura pueden llegar a ser mayores. La normalización nos obliga a mantener el corrimiento en frecuencia dentro de ciertos límites, por ejemplo en equipos de comunicaciones en el caso menos severo (mayor corrimiento permitido) se admite un corrimiento de 10 ppm (10 ppm en 200 MHz son aproximadamente 2 KHz de corrimiento) dentro de todo el rango de temperatura de funcionamiento. De manera que con variaciones de temperatura desde un extremo al otro del rango, la variación de frecuencia no puede superar 2 KHz Esto último establece la necesidad del uso de algún tipo de control de frecuencia más estable en el oscilador LC.

Parámetros del oscilador  

Frecuencia: es la frecuencia del modo fundamental Margen de sintonía, para para los de frecuencia ajustable, es el rango de ajuste

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

  

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Potencia de salida y rendimiento. El El rendimiento es el cociente entre la potencia de la señal de salida y la potencia de alimentación que consume Nivel de armónicos: potencia del armónico referida a la potencia del fundamental, fundamental, en dB Pulling: variación de frecuencia del oscilador al variar variar la carga Pushing: variación de frecuencia frecuencia del oscilador al variar variar la tensión de alimentación alimentación Deriva con la temperatura: temperatura: variación de frecuencia del oscilador al variar la temperatura Ruido de fase o derivas instantáneas de la frecuencia Estabilidad de la frecuencia frecuencia a largo plazo, durante la vida del oscilador oscilador

Las características de los osciladores realimentados 1. Amplificación 2. Lazo de realimentación positiva 3. Circuito para controlar la frecuencia

Criterio de oscilación Para hallar el criterio de oscilación se puede asimilar el oscilador a un circuito con realimentación positiva, como el que se muestra en la figura 1.10 Xi y Xo son las señales de entrada y salida, mientras que Xr y Xe son, respectivamente, la señal de realimentación y la señal de error.


A es la ganancia del amplificador amplificador inicial, o ganancia en lazo abierto, β es el factor de realimentación y Aβ es la ganancia de lazo. Todos son números complejos cuyo módulo y fase varían con la frecuencia angular, ω. La ganancia del circuito realimentado es

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL El comportamiento del circuito se puede predecir conociendo el módulo, |Aβ|, y la fase, ϕAβ, de la ganancia de lazo.  



Si |Aβ| < 1, el circuito es estable sea cual sea s ea el valor de ϕAβ. Si a una frecuencia determinada Aβ = 1, es decir |Aβ| = 1 y ϕAβ = 0, cualquier oscilación presente en la entrada a esa frecuencia se mantiene indefinidamente, a la misma amplitud. Si a una frecuenci a determinada Aβ > 1, es decir |Aβ| > 1 y ϕAβ = 0, cualquier oscilación presente en la entrada a esa frecuencia se amplifica indefinidamente hasta que la saturación del amplificador lo devuelve a la condición anterior. Como la saturación es un fenómeno no lineal, al mismo provoca la aparición de armónicos.

Si el circuito tiene Aβ > 1 podemos prescindir de la señal de entrada puesto que el ruido, siempre presente, contiene componentes a todas las frecuencias. La componente de ruido a la frecuencia en la que se cumpla esta condición, conocida como condición de arranque, se amplifica indefinidamente hasta la saturación del amplificador o hasta que un circuito auxiliar consiga que para esa frecuencia Aβ = 1. A partir de entonces la amplitud de la oscilación se mantiene, por eso a la condición Aβ = 1se la denomina condición de mantenimiento. Estas condiciones para que un circuito oscile se conocen como criterio de Barkhausen. El circuito externo para establecer la condición de mantenimiento mide la amplitud de la oscilación y varía la ganancia del amplificador de forma inversamente proporcional. Si se emplea, se obtiene un tono más puro, con menos armónicos, que si se deja a la saturación del amplificador la limitación de la amplitud. Aunque la pureza de la oscilación depende de otros factores adicionales. Aunque en general el funcionamiento del oscilador es no lineal, notar que la condición de arranque se puede estudiar con un modelo lineal del amplificador porque trabaja con señales muy pequeñas.

Realimentación El uso de realimentación positiva que da por resultado un amplificador realimentado que tiene ganancia de lazo cerrado |Af| mayor que 1, y que si satisface las condiciones de fase producirá una operación como la de un circuito oscilador. Un circuito oscilador proporciona entonces una señal de salida que varía constantemente. Si la señal de salida varía en forma senoidal, el circuito se denomina oscilador senoidal. Si el voltaje de salida aumenta rápidamente a un nivel de voltaje y después disminuye rápidamente a otro nivel de voltaje, por lo general, el circuito se conoce como oscilador de pulsos o de onda cuadrada. Para comprender la manera en que funciona como oscilador un circuito con realimentación considérese el circuito realimentado de la figura 1.10. Cuando el interruptor en la entrada de

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL amplificador está abierto, no ocurre la oscilación. Considérese que tenemos un voltaje ficticio en la entrada de amplificador (Vi). Este produce un voltaje de salida Vo = Avi después de la etapa del amplificador, así como un voltaje Vf = β (Avi) después de la etapa de realimentación. En consecuencia, tenemos un voltaje de realimentación Vf = βAvi, donde βA se conoce como la ganancia del lazo. Si los circuitos del amplificador y la red de realimentación proporcionan βA de una magnitud y fase correctas, Vf puede hacerse igual a Vi. Por consiguiente, cuando el interruptor está cerrado y el voltaje Vi ficticio se suprime, el circuito continuará operando ya que el voltaje de realimentación es suficiente para excitar el amplificador y los circuitos de realimentación producen un voltaje de entrada apropiado para sostener la operación del lazo. La forma de onda de salida seguirá existiendo después de que el interruptor se cierre si la condición se cumple.

β A = 1

Figura 1.11 Oscilador realimentado en lazo cerrado

Esta se conoce como criterio de Barkhausen para la oscilación. En realidad, no se requiere señal de entrada para activar el oscilador. Sólo la condición βA = 1 debe cumplirse para que se produzcan oscilaciones auto sostenidas. En la práctica βA se hace may or que 1, y el sistema empieza a oscilar amplificando el voltaje de ruido que siempre está presente.

Los factores de saturación en el circuito práctico proporcionan un valor “promedio” de βA de 1. Las formas de onda que se producen nunca son exactamente senoidales. Sin embargo, cuanto más cercano sea el valor de βA a 1 tanto más próxima a una sinusoide será la forma de onda. La figura 1.12 muestra la señal de ruido debido a la saturación.


Figura 1.12 Señal de ruido

La función de un generador de señal es producir una señal dependiente del tiempo con unas características determinadas de frecuencia, amplitud y forma. Algunas veces estas características son externamente controladas a través de señales de control; el oscilador controlado por tensión (voltaje controlled oscillator o VCO) es un claro ejemplo. Para ejecutar la función de los generadores de señal se emplea algún tipo de realimentación conjuntamente con dispositivos que tengan características dependientes del tiempo (normalmente condensadores). Hay dos categorías de generadores de señal: osciladores sintonizados o sinusoidales y osciladores de relajación. Los osciladores sintonizados emplean un sistema que en teoría crea pares de polos conjugados exactamente en el eje imaginario para mantener de una manera sostenida una oscilación sinusoidal. Los osciladores de relajación emplean dispositivos biestable tales como conmutadores, disparadores Schmitt, puertas lógicas, comparadores y flip-flops que repetidamente cargan y descargan condensadores. Las formas de onda típicas que se obtiene con este último método son del tipo triangular, cuadrada , exponencial o de pulso.

1.1.5 Oscilador Simple a transistor Se puede imaginar un oscilador como un amplificador que se suministra a sí mismo su propia señal de entrada; es decir, en el que parte de la señal de salida se deriva a la entrada, efectuándose un circuito de auto alimentación hasta alcanzar un punto de saturación máxima en la cual se invierte el proceso hasta llegar a su vez a la anulación de la corriente, y

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL recomenzar de nuevo hasta la saturación, volviendo nuevamente a la anulación y así sucesivamente. Es entonces, un efecto verdaderamente oscilante.

Figura 1.13 Diagrama oscilador a base de transistor

Diagrama simple de un oscilador realizado a base de un transistor (T). R, resistencias. I interruptor. Ap, arrollamiento primario. As arrollamiento secundario del transformador. Un sencillo oscilador de este tipo puede servirnos para conseguir desplazar de fase a una señal eléctrica alterna en un orden de 180 grados. Como puede verse, el transistor (T), de tipo PNP, tiene el colector conectado en el arrollamiento primario del transformador de modo que al cerrar el interruptor (I) la corriente empieza a circular desde emisor-colector y primario. La corriente que pasa por éste se induce en el secundario, la cual se suma a la tensión de la base del transistor por lo que éste se hace más pasante (existe aquí una evidente labor de amplificación) de modo que el paso de la corriente por el circuito emisor-colector-primario aumenta. De nuevo se induce, como consecuencia de ello, más corriente en el secundario del transformador con lo que la base resulta más conductora y aumenta a su vez la corriente emisor-colector-primario, lo que aumenta la corriente inducida en el secundario, etc. Esta situación finaliza cuando la corriente que circula por el primario es la máxima admisible, en cuyo caso se estabiliza y no se produce ya inducción puesto que no hay variación de flujo en el transformador. Este es precisamente el momento en que la base del transistor deja de recibir tensión de control, de modo que se produce el fenómeno a la inversa porque al descender el valor de la corriente en el primario, la corriente que se induce en el secundario como consecuencia de la pérdida paulatina de valor de la tensión se hace en el secundario con un signo contrario a la tensión inicial, con lo cual el transistor se bloquea y el primario se queda sin tensión. Llegado este momento no pasa corriente por el primario y el secundario no recibe inducción, por lo que la base vuelve a quedar en condiciones de recomenzar el ciclo. El ritmo de la frecuencia en que se producen las oscilaciones se mide en hercios (ciclos u oscilaciones por segundo) y depende de la construcción y diseño del transformador, y pueden ir desde varios centenares a varios miles de hercios por segundo, según el número de espiras, el material con el que se ha construido los núcleos (hierro, ferrita), etc.


Os cila ci lador dor de audio bás bás ico ic o OBJETIVO: a) Identificar un circuito oscilador oscilador de audio básico y medir medir sus voltajes de operación de CD. b) Mostrar cómo funciona un oscilador de audio básico y medir su frecuencia. frecuencia. c) Determinar la relación entre la frecuencia de oscilación y la capacitancia. cap acitancia. Material requerido Fuente de energía Multímetro C1 Condensador 100nF de 10V o más R1 33 KΩ R2 1KΩ P1 variable resistor de 100K a 470kΩ Q1 BC548 (o BC547, BC549, con sufijos A, B o C) Q2 BC558 (o BC557, BC559, con sufijos B o C) Bocina 8 ohmios o más         

Conceptos básicos: 1. Un oscilador tiene un dispositivo activo activo (transistor) y dispositivos pasivos (capacitores, bobinas, resistencias) que en conjunto generan o una salida de CA que se repite, o una señal pulsante de CD. 2. Los osciladores no requieren de una señal de entrada externa. Generan una salida usando solo la potencia de CD que suministra la fuente de energía. 3. Todos los osciladores se pueden clasificar en 2 grupos: Senoidales (que producen ondas ondas senoidales) y no senoidales. 4. Las condiciones para las condiciones para la oscilación senoidal son: son: a) El circuito circuito debe de amplificar amplificar b) Debe de existir retroalimentación retroalimentación positiva positiva (en fase). Nota: Los puentes largos agregan inductancia parasita al circuito. Procedimiento de la práctica. Objetivo A Identificar un circuito oscilador de audio básico y medir sus voltajes de operación de CD. 1. Examine el circuito oscilador oscilador de audio RC de la figura figura 1.14, el transistor de salida BC558 es amplificador y la bocina de 8Ω el modo audible del circuito. P1 se utiliza para controlar

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL la calidad de retroalimentación a la base de Q1. El circuito oscilante RC conectado en serie de R2 con C1 establece la frecuencia de oscilación del circuito. El oscilador se conecta a la bocina mediante el colector del transistor amplificador Q2 acoplando las impedancias de salida y retroalimentación. El potenciómetro P1 puede variar desde 100 a 470Ω conectado como reóstato en serie a la tención de alimentación y en paralelo al oscilador través de la terminal central.

Figura 1.14 Circuito oscilador de audio básico

¿Qué identifica este circuito como un oscilador básico? ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 2. Calcule la frecuencia de resonancia del circuito tanque RC. fr = 1 / (2 π √   ) fr = _______________________ 3. 4. 5. 6.

Conecte el circuito circuito como se muestra en la figura figura 1.14. Ajuste Ajuste P1 en su posición central. central. Ajuste Vcc para 6 volts. ¿Escucha un tono audible de la bocina?__________ Baje Vcc a 0 volts. Quite la bocina y remplácela por la resistencia R5 de 8.2 ohm, ohm, lo que no afecta el funcionamiento del oscilador debido a que esta resistencia de 8.2 ohm se aproxima a la impedancia de carga de la bocina. 7. Ajuste los controles controles del osciloscopio. osciloscopio. Conecte la punta de prueba multiplicada multiplicada X10 de baja capacitancia a la entrada vertical del osciloscopio. (Recuerde multiplicar todas sus mediciones de amplitud por 10). Conecte el osciloscopio a través del circuito tanque LC. 8. Calcule el voltaje voltaje mínimo mínimo y máximo de Vb1 usando la ecuación para el divisor de voltaje, no olvide agregar a R1 el valor mínimo (0 Ω) y máximo del potenciómetro .

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Vb = VCC X R2 (R1 + R2) Vb(MIN) = ___________ VCD

Vb(MAX) = ___________ VCD

9. Ajuste Vcc para 6 volts. 10. Ajuste P1 hasta que se despliegue una señal de onda senoidal estable no distorsionada en la pantalla del osciloscopio. La señal debe d ebe tener una amplitud máxima sin distorsión. di storsión. 11. Mida y registre los voltajes de CD en la base, emisor emisor y colector de Q1. VB =_________VCD VE = _________VCD VC =_________ VCD 12. Indique si un valor calculado de Vb concuerda con el el valor medido.____________ 13. Indique si Q1 esta polarizado directamente ________________ ¿Justifique su respuesta? _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ 14. Ajuste Vcc a 0.

Objetivo B. Demostrar cómo funciona un oscilador de audio y medir su frecuencia. 15. Conecte la punta positiva y negativa del osciloscopio a los extremos del circuito tanque. 16. Ajuste Vcc para 6 VCD y de ser necesario reajuste R4 para una onda senoidal máxima a través del circuito tanque. 17. Ajuste el osciloscopio para centrar el despliegue de la onda en la retícula. 18. Ajuste el osciloscopio para que el principio de la parte positiva de la segunda onda senoidal comience en la línea central vertical de la retícula. 19. Mida el periodo de una onda senoidal completa. Periodo: ________________ ms. 20. Encuentra la frecuencia de operación del oscilador de audio LC fo = 1 / periodo (segundos) fo = ___________________ Hz Recuerde convertir los milisegundos a segundos antes de hacer sus cálculos. 21. Indique si la frecuencia de operación que midió está dentro de 20% de la frecuencia de resonancia en el circuito calculada en el paso 2 ____________________

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL El valor que midió puede diferir en más o menos 20% debido a las tolerancias de medición, instrumentos y componentes. 22. Conecte la entrada del osciloscopio sucesivamente a la base y emisor de Q1 y a la terminal central de P1. Mida y registre los voltajes de máximo a máximo y note si hay algún corrimiento de fase entre cualquiera de estos puntos y el voltaje a través del tanque eB1 = ______________ V máximo a máximo máximo Corrimiento de fase = ___________ eE1 = ______________ V máximo a máximo máximo Corrimiento de fase = __________________ eP1 = ______________ V máximo a máximo Corrimiento de fase = ___________________ 23. Baje Vcc a cero

Objetivo C. Determinar la relación entre la frecuencia de oscilación y la capacitancia. 24. Sustituya el capacitor C1 de 0.1 µf µf por un capacitor de 0.22 µf. 25. Ajuste Vcc a 6 volt y ajuste P1 para una señal del circuito tanque estable no distorsionado como en el paso 16. 26. Repita el procedimiento del objetivo b y determine el nuevo periodo para una onda senoidal completa. Periodo = _______________ ms 27. Encuentre la nueva frecuencia de operación del oscilador de audio LC. fo = 1/ periodo (segundos) fo = _______________ Hz 28. Indique si la nueva frecuencia de operación es inferior a la que se encontró en el paso 20. __________ ¿Explique por qué? _____________________________________________ ________ _____________________________________ ________________________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ _________________________________________________________ _________________________________________ _______________________________ _______________ 29. Apague la fuente de voltaje y demás instrumentos.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Preguntas 1. La frecuencia de este oscilador de audio básico se determina mediante: _______________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ ______ 2. La amplitud de salida del oscilador de audio básico se determina mediante: ____________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 3. Como se comporta la polarización de base en CD del oscilador. ____________________________________________________________________ ___________________________ ________________________________________________ _______ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ _______________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ ____________________ 4. ¿Cuál es la función del potenciómetro p otenciómetro de retroalimentación en el oscilador? _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________ ________________________________________________ 5. ¿Qué tipo de circuito tanque RC utiliza? ¿Cual la función del oscilador? _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ 6. ¿Qué sucede al aumentar la capacitancia del un circuito tanque? ____________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ _________________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 1.2 Oscilador LC Un oscilador LC está formado por una bobina y un condensador en paralelo. Su funcionamiento se basa en el almacenamiento de energía en forma de carga eléctrica en el condensador y en forma de campo magnético en la bobina. El condensador, en un tiempo igual a cero, ofrece una impedancia cercana a cero ohmios, por lo que permite que fluya una gran corriente a través de él, la cual va disminuyendo hasta que sus placas sean llenadas de tantas cargas positivas y negativas como lo permita el tamaño de las mismas y la permisividad eléctrica del aislante que hay entre ellas. En este instante el condensador actúa como un aislante, ya que no puede permitir más el paso de la corriente, y se crea un campo eléctrico entre las dos placas, que es el que crea la fuerza necesaria para mantener almacenadas las cargas eléctricas positivas y negativas, en sus respectivas placas. Por otra parte, en un tiempo igual a cero la bobina posee una impedancia casi infinita, por lo que no permite el flujo de la corriente a través de ella y, a medida que pasa el tiempo, la corriente empieza a fluir, creándose entonces un campo magnético proporcional a la magnitud de la misma. También la oposición que hace la bobina, al paso de la corriente eléctrica, empieza a disminuir a medida que transcurre el tiempo. El condensador, que en principio permitía a los electrones salir de una placa, y entrar en la otra, va reduciendo esta capacidad con el paso del tiempo. Al estar el condensador y la bobina en e n paralelo, la energía almacenada por el campo eléctrico del condensador (en forma de cargas electrostáticas), es absorbida por la bobina, que la almacena en su campo magnético, pero a continuación es absorbida y almacenada por el condensador; nuevamente en forma de campo eléctrico; para ser nuevamente absorbida por la bobina, y así sucesivamente. Esto crea un vaivén de la corriente (cargas eléctricas) entre el condensador y la bobina. Este vaivén constituye una oscilación electromagnética, en la cual el campo eléctrico y el magnético son perpendiculares entre sí, que cuando el campo magnético de la bobina está en su punto máximo, el campo eléctrico almacenado en el condensador es cero, y que cuando el campo eléctrico en el condensador es máximo, no existe campo magnético en la bobina. Por definición, un electrón tiene un campo eléctrico asociado a él, debido a las cargas eléctricas fundamentales que lo componen. Cuando los electrones están almacenados en las placas del condensador, están en forma de carga estática, o sea, una placa tiene un excedente "X" de electrones (esta placa es la negativa), y la otra placa tiene una carencia "X" de electrones (esta placa es la positiva). Cuando la bobina empieza a permitir el flujo de electrones a través de ella, empiezan a moverse los electrones desde la placa negativa (la que tiene electrones en excedencia), hacia la placa positiva (la que tiene carencia de

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL electrones con respecto a la negativa). Cuando un electrón se mueve, se crea un campo magnético asociado a este, perpendicular a la dirección del movimiento. Al tener el electrón un campo eléctrico, y ahora al moverse, un campo magnético, se llama de esta forma, un campo electromagnético. El campo magnético solo existe cuando los electrones están movimiento, partiendo desde la placa negativa del condensador, hacia la placa positiva, a través de la bobina. Una vez que se ha movido una cierta cantidad de electrones, haciendo que haya la misma cantidad de electrones en ambas placas, logrando así el equilibrio; en este momento se reduce a 0 voltios la diferencia de potencial en el condensador (y en la bobina, al estar está conectada en paralelo). En este momento al cesar el movimiento de los electrones, se detiene entonces la producción del campo magnético en la bobina, por lo que el campo magnético previamente producido por dicha bobina, colapsa sobre ella, produciendo una auto-inducción de voltaje con polaridad opuesta. En este momento entonces, el voltaje auto-inducido por la bobina, crea una fuerza electromotriz que provoca el movimiento de los electrones, desde la placa que antes era la positiva (la que carecía de electrones, que luego se equilibró), hacia la que antes era la negativa (la que tenía electrones en excedencia, que luego los cedió y logro su equilibrio). De esta forma la bobina carga al condensador con polaridad opuesta, hasta que ésta haya agotado y consumido por completo su campo magnético. A partir de aquí, se repite el ciclo nuevamente. Cabe aclarar que en cada ciclo o vaivén de carga y descarga, hay pérdidas debido a la resistencia eléctrica del conductor que conforma la bobina, y a las fugas del dieléctrico que conforma al condensador. Por lo que en cada ciclo, el voltaje al que se carga el condensador ira siendo menor, hasta agotarse con el tiempo. Es por eso que se necesitan circuitos electrónicos amplificadores, que reponen el voltaje perdido, para mantener las oscilaciones constantes y por tiempo indefinido.

1.2.1 Análisis de un oscilador LC Básicamente un oscilador LC utiliza una red de realimentación compuestas por tres impedancias, ya sean inductancias o capacidades, el circuito equivalente de un oscilador LC con un transistor bipolar o de efecto de campo se ve a continuación:

Figura 1.15 Diagrama de oscilador LC

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL La red de realimentación (bloque B) está constituida por Z1, Z2 y Z3. Se pueden distinguir 2 tipos de osciladores, según la combinación LC seleccionada, Existen distintas combinaciones LC, por ejemplo: 3 capacitores o 3 inductancias o 2 de capacitores con una inductancia o dos inductancias con un capacitor, etc. pero de todas estas solamente dos combinaciones LC podrán constituir un oscilador, se puede demostrar matemáticamente que la combinación Z1 y Z2 del mismo tipo y Z3 de signo contrario es la adecuada. Si Z1 y Z2 son inductores con acoplamiento mutuo y Z3 es un capacitor, al oscilador que constituye se lo llama HARTLEY. Pero si Z1 y Z2 son capacitores y Z3 es un inductor, al oscilador que constituye se lo llama COLLPITTS, siendo este el más utilizado en la actualidad.

1.2.2 Funcionamiento Las dos impedancias Z1 y Z2 con la impedancia Z3 conforman un circuito resonante capaz de oscilar a la frecuencia deseada. La realimentación se produce debido a que el circuito resonante a esta frecuencia produce un desfasaje de 180º entre la señal de entrada y la señal de salida, esto significa que la realimentación produce un desfasaje de 180º solo a la componente cuya frecuencia coincide con la de resonancia, siendo distinto de 180º para las otras componentes. Este oscilador presenta una gran estabilidad en frecuencia, comparado con un oscilador RC, pero con respecto a un oscilador controlado por cristal, es muy poco estable, de donde surge que la estabilidad es relativa. Determinación de Ganancia "A" y de la frecuencia de Oscilación El circuito equivalente correspondiente al esquema de la figura 1.16 para el caso del transistor de efecto de campo es el siguiente:

Figura 1.16 Diagrama transistor efecto de campo

Como se ve se establecen dos mallas, por lo que se plantean dos ecuaciones de malla, debiendo llegarse a una expresión similar a la del amplificador realimentado de la figura 1.16.

Donde debe ser (1- AB = 0), por condición de oscilación. Al igualar esta a cero vemos que al estar compuesta por elementos reactivos, presentará una parte real y una imaginaria, de la

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL parte real igual a cero se obtiene la ganancia y de la parte imaginaria igual a cero se obtiene la frecuencia de oscilación. Si parte real e imaginaria son cero, será cero ese determinante con lo que se asegura la condición de oscilación. Para obtener el determinante se plantean las dos ecuaciones de malla y se agrupa respecto de I1 e I2, luego se toma el determinante y se lo iguala a cero, obteniéndose las relaciones nec esarias para encontrar la ganancia “A” y la frecuencia de oscilación. -gm VGS R = I1 (R + Z2) - I2 (Z2 + Zm) Zm: se debe al acoplamiento mutuo 0 = -I1 (Z2 + Zm) + I2 (Z1 + Z2 + Z3 + 2 Zm) VGS = -I1 Zm + I2 (Z1 + Zm) Se reemplaza VGS, despejando y agrupando respecto a I1 e I2 se obtienen 2 ecuaciones igualadas a cero y agrupadas en función de I1 e I2, de esas dos ecuaciones se toma el determinante, se lo iguala a cero y se obtiene: 0 = gm R (X1 + Xm )( X2 + Xm )-( X2 + Xm ) 2 + jR ( X1 + X2 + X3 + 2 Xm ) De la parte imaginaria se obtiene la frecuencia de oscilación, esto es: R (X1 + X2 + X3 + 2 Xm ) = 0 De donde será:

X1 + X2 + X3 = 0

De esta última se deduce que deben existir elementos de los dos tipos (inductancia y capacidad), no pudiendo ser todos del mismo tipo ya que esto no verificaría la igualdad. Se verificará posteriormente que X1 y X2 tienen que ser del mismo tipo (ej. Z1 y Z2 inductores y Z3 capacitor o Z1 y Z2 capacitores y Z3 inductor). Otra relación no puede considerarse para formar el oscilador. Entonces asumimos que X1 y X2 son del mismo tipo, capacitores para Collpitts, y que X3 es de signo contrario, por lo tanto la frecuencia de oscilación será:

Donde Ce es el capacitor equivalente de los capacitores de X1 y X2. Para obtener la expresión de la ganancia se deberá igualar a 0 la parte real, como se ve a continuación: A (X1 + Xm) (X2 + Xm) - (X2 + Xm) 2 = 0 A (X1 + Xm) (X2 + Xm) = (X2 + Xm) 2 Entonces

A = (X2 + Xm ) / ( X1 + Xm ) por ser un Collpitts.

A = X2 / X1 = C1 / C2 porque viene de (W C2) -1 / (W C1 ) -1

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Para garantizar el inicio y mantenimiento de la oscilación de debe disponer de un cierto margen de ganancia, debido a que si se hace la amplitud exactamente igual a 1, si se degrada por alguna causa el amplificador, puede disminuir el cociente, haciéndose menor a uno la relación de ganancia, esto provoca una atenuación que puede cortar la oscilación. Para asegurar que se mantenga la oscilación, la ganancia debe ser ligeramente mayor a uno. Como en la realidad un transistor tiene una ganancia mucho mayor que uno, generalmente se compensa la atenuación o pérdida de la red B, con lo que está garantizado el inicio de oscilación. Por lo tanto A es mayor o igual a C1 / C2. Cuando es igual se tiene el límite para asegurar las oscilaciones. Como la ganancia es a dimensional el cociente debe ser entre iguales dimensiones, por eso deben ser Z1 y Z2 del mismo tipo, como se consideró anteriormente. Si el oscilador utiliza un transistor bipolar en lugar de un FET, la expresión de la ganancia será igual que para el caso del FET, pero la expresión de la frecuencia de oscilación se verá afectada por un factor que involucra la influencia de los parámetros del transistor, fundamentalmente la baja impedancia de entrada del transistor, la que es mucho menor que la del FET. En general este efecto se ve minimizado debido a que la red LC posee un Q relativamente elevado, por lo que su influencia será mínima. A este oscilador Collpitts se le suele agregar en serie con el circuito resonante o con la inductancia un capacitor de valor relativamente bajo que funciona con la red de oscilación. Al conectarlo en serie con la inductancia o en serie con toda la red se busca disminuir el efecto de las capacidades parásitas del transistor. Las capacidades parásitas de entrada y salida del transistor se suman modificando la frecuencia de oscilación. Esto se debe tener siempre en cuenta, por lo que conviene tener algún elemento variable para compensar estos y otros efectos parásitos. Estas compensaciones buscan que la frecuencia no sea tan dependiente de los parámetros del transistor, porque estos parámetros afectan a las capacidades de entrada y salida. Figura 1.17 Diagrama oscilador Clapp

Cuando al oscilador Collpitts se le agrega el capacitor antes mencionado se lo suele denominar oscilador Clapp. C1, C2 y L constituyen el circuito resonante. C puede ser el capacitor que conforme un oscilador Clapp o puede ser un capacitor que cumpla con el objetivo de bloquear la componente continua de base permitiendo el pasaje de la componente alterna, al presentar una baja impedancia entre los puntos A y B.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Descripción: Rc, podría no estar, pero se coloca para que el transistor vea una determinada resistencia de carga a la corriente continua y de esta forma el colector no quede conectado directamente al positivo de la fuente de alimentación. El colector debe de estar conectado a tierra, para cerrar el lazo de realimentación, quedando L, C1 y C2 dentro del lazo entre base y colector, para eso se coloca el capacitor C3 el que me asegura que para la componente alterna (oscilación), el colector esté conectado a tierra. En definitiva este esquema corresponde con el visto en la figura 1.17. C1, C2 y L constituyen la red de realimentación que determina la frecuencia de resonancia. La red Rc - C3 constituye un circuito pasa bajos que evita que circulen componentes de radio frecuencia a través de la fuente de alimentación, derivando a tierra la RF, de esta forma se evita la realimentación entre las etapas que son abastecidas por la misma línea de alimentación, pudiéndose producir auto-oscilaciones indeseadas a determinadas frecuencias. Se debe tener en cuenta que la alimentación de corriente continua se distribuye generalmente a distintas etapas a continuación del oscilador, además estas etapas pueden trabajar con señales de gran nivel y al no ser la fuente de alimentación un verdadero cortocircuito se pueden producir realimentaciones indeseadas. Para evitar esto es que se acostumbre poner este filtro Rc adicional en todas las etapas. A veces en lugar de colocar un sólo capacitor C3, se colocan dos capacitores en paralelo de distinto valor. Normalmente cuando arranca el oscilador la amplitud va creciendo hasta que rápidamente se alcanza el estado estacionario, estabilizándose el nivel de amplitud y la frecuencia de oscilación. El nivel de amplitud del oscilador se estabiliza directamente por saturación (crece hasta un nivel a partir del cual no puede crecer más). Si se desea un nivel de salida menor que el de saturación se debe utilizar un control automático de ganancia, este circuito de control de ganancia es relativamente complicado y de un costo importante respecto del oscilador, por esto generalmente no se lo utiliza, en este caso la amplitud de salida se estabiliza entre un 50 % a 70% de la tensión de alimentación, ej.: si se alimenta con una tensión de 12v, se podrá obtener una tensión de salida del orden 7 a 8 v pico a pico. Los componentes armónicos generados en este proceso de saturación se ven atenuados debido a que la red de realimentación filtra estas componentes, tanto más cuanto mayor es el Q de esta, lo que disminuye la distorsión de la señal de salida.

1.2.3 Construcción de un oscilador LC Un oscilador muy sencillo se puede construir con una etapa amplificadora y una red inductivacapacitiva (LC) que proporcione un desplazamiento de - 180˚. La frecuencia de oscilación puede ser fácilmente ajustada, o sintonizada (tuned), sobre un rango de frecuencias que varían desde unos 100kHz hasta cientos de MHz cambiando únicamente el valor de la C o L. Estos osciladores LC sintonizados son usados en gran variedad de aplicaciones incluyendo radiotransmisores, receptores de AM y FM y generadores de onda sinusoidal.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Los osciladores LC más conocidos son: a) oscilador de Colpitts y b) oscilador de Hartley. Su diferencia se encuentra en la red de realimentación: el oscilador de Colpitts utiliza un divisor capacitivo en paralelo con una autoinducción y el oscilador de Hartley utiliza un divisor inductivo en paralelo con una capacidad, es decir, ambos son duales.

Figura 1.18 Oscilador Colpitts basado en un a)JFET, b)BJT y c)OA

Un método que se utiliza para generar señales de onda senoidal es utilizar circuitos sintonizados LC. En la mayoría de los osciladores LC, la combinación de capacitor-bobina sintonizado se presenta en forma de un circuito resonante en paralelo o tanque conectado a la entrada o a la salida de una etapa amplificadora transistorizada. En un oscilador LC, el circuito tanque resonante genera la señal senoidal. La función del transistor es proporcional la ganancia necesaria para mantener la oscilación en el circuito tanque. Como sabe, un circuito tanque tiene una bobina y un capacitor conectados en paralelo. Si a ese circuito se le aplica un cambio de voltaje, e establece una corriente circulatoria en el mismo. La corriente que circula se debe a la función alterna al almacenar y liberar energía de la bobina y el capacitor. La frecuencia de resonancia del tanque, f = 1/(2π √LC ), ), determina la frecuencia de la corriente y la calidad del tanque Q = XL / R determina la amplitud de la corriente. La corriente luyendo desarrolla un voltaje da CA a través del tanque. Para mantener el flujo de corriente y por tanto el del tanque se debe agregar energía adicional al circuito tanque, lo que hace la parte del transistor del oscilador.


Figura 1.19 Circuito oscilador LC simple

La figura 1.18 es un circuito oscilador LC simple que utiliza un transistor NPN como amplificador de colector común. La red divisora de voltaje de RB1 y RB2 suministra la polarización directa. La fuente de energía de baja impedancia conecta a tierra el colector para CA. LT y CT forman un circuito tanque resonante en paralelo. La primera vez que se aplica energía, la base de Q1 se hace positiva haciendo que Q1 quede polarizado directamente y conduzca corriente. A través de la resistencia RE del emisor y a través de parte de la bobina LT fluye corriente del emisor haciendo que aparezca un voltaje a través del circuito tanque. El voltaje a través través del tanque se retroalimenta a la base de Q1 a través del del capacitor de retroalimentación CF. Este voltaje de retroalimentación está en fase y aumenta la señal de base original. La frecuencia de resonancia del circuito tanque determina la frecuencia de operación del oscilador. Los osciladores de audio LC se utilizan para verificar y generar señales audibles en sistemas de alarmas o advertencia, también se utilizan como osciladores de práctica para aprender la clave Morse.


Os cilador cilador de audio audio LC OBJETIVO: a) Identificar un circuito oscilador oscilador de audio inductivo capacitivo (LC) y medir medir sus voltajes de operación de CD. b) Mostrar cómo funciona un oscilador de audio LC y medir su frecuencia. c) Determinar la relación entre la frecuencia de oscilación y la capacitancia del circuito tanque. Material requerido Fuente de energía Osciloscopio Capacitor electrolítico de 10 µf Capacitor de 0.1 µf Capacitor de 0.22 µf Transistor NPN 2N3904 Resistencia de 1 k ohm Resistencia de 470 ohm Resistencia de 15 ohm Potenciómetro de 200 ohm Resistencia de 8.2 ohm Bocina de 8 ohm Transformador de salida (verde)             

Conceptos básicos: 1. Un oscilador tiene un dispositivo activo activo (transistor) y dispositivos pasivos (capacitores, bobinas, resistencias) que en conjunto generan o una salida de CA que se repite, o una señal pulsante de CD. 2. Los osciladores no requieren de una señal de entrada externa. Generan una salida usando solo la potencia de CD que suministra la fuente de energía. 3. Todos los osciladores se pueden clasificar en 2 grupos: Senoidales (que producen ondas ondas senoidales) y no senoidales. 4. Las condiciones para las condiciones para la oscilación senoidal son: El circuito debe de amplificar Debe de existir retroalimentación positiva (en fase).

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL Nota: Recuerde los puentes largos agregan inductancia parasita al circuito. Procedimiento de la práctica. Objetivo A. Identificar un circuito oscilador de audio inductivo-capacitivo (LC) y medir sus voltajes de operación. 1. Examine el circuito oscilador de audio LC de la figura 1.19, que es esencialmente esencialmente el mismo circuito de la figura 1.20 con el potenciómetro R4, el transformador de salida T1 y la bocina de 8Ω agregados. R4 se utiliza para controlar la calidad de retroalimentación retroalimentación a la base de Q1. El circuito tanque LC tiene el devanado primario de T1 conectado en paralelo con C2. La salida del oscilador esta acoplada a la bocina a través del devanado secundario de baja impedancia de T1. Conecte el potenciómetro R4 de 200Ω como un reóstato colocando un puente a través de una de las terminales de los extremos y el terminal deslizable.

Figura 1.20 Circuito oscilador de audio

¿Qué identifica este circuito como un oscilador LC? ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 2. Calcule la frecuencia frecuencia de resonancia del circuito tanque LC. Use 64mH para el valor de L (el devanado primero de T1) y 0.1 µf para valor de C2.F= 1/(2π √LC) ________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ ________________________________ _________________________________________ 3. Conecte el circuito circuito como se muestra en la figura figura 1.16. Ajuste Ajuste R4 en su posición central.

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL 4. Ajuste Vcc para 6 volts. ¿Escucha un tono audible de la bocina?__________ 5. Baje Vca 0 volts. 6. Quite la bocina y remplácela por la resistencia R5 de 8.2 ohm, lo que no afecta el funcionamiento del oscilador debido a que esta resistencia de 8.2 ohm se aproxima a la impedancia de carga de la bocina. 7. Ajuste los controles del osciloscopio calibrado calibrado para deflexión deflexión de a.1 V/cm, tiempo de barrido de 0.2 ms/cm y disparo a sincronización normal, fuente interna, pendiente + y nivel auto. Conecte la punta de prueba multiplicada X10 de baja capacitancia a la entrada vertical del osciloscopio. (Recuerde multiplicar multiplicar todas sus mediciones de amplitud amplitud por 10). Conecte el osciloscopio a través del circuito tanque LC. 8. Calcule Vb1 usando la ecuación para el divisor de voltaje: Vb1 = VCC X R2 (R1 + R2) Vb1=___________VCD 9. Ajuste Vcc para 6 volts. 10. Ajuste R4 hasta que se despliegue una señal de onda senoidal estable no distorsionada en la pantalla del osciloscopio. La señal debe tener una amplitud máxima a máxima de 6 volt. 11. Mida y registre los voltajes de CD en la base, emisor emisor y colector de Q1. VB1=_________VCD VE1= _________VCD VC1=_________ VCD 12. Indique si un valor calculado de Vb1 concuerda con el el valor medido.____________ medido.____________ 13. Indique si Q1 esta polarizado polariz ado directamente _________ Justifique J ustifique su respuesta _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________ ________________________________________ Las mediciones deben mostrar que Q1 está polarizado directamente 14. Ajuste Vcc a 0.

Objetivo B. Demostrar cómo funciona un oscilador de audio LC y medir su frecuencia. 15. Cambie el disparó del osciloscopio a fuente externa y conecte una punta desde la parte superior de la resistencia R5 de carga al contacto del osciloscopio marcado EXT

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL SYNC/HOR. Cada trazo del osciloscopio se dispara solo por una señal de salida que va al positivo. La entrada del osciloscopio debe mantenerse conectada al circuito tanque. 16. Ajuste Vcc para 6 VCD y de ser necesario reajuste R4 para una onda senoidal de máximo a máximo de 6 volts a través del circuito tanque. 17. Ajuste el control de la posición vertical del osciloscopio para centrar el despliegue en la retícula. 18. Ajuste el control horizontal del osciloscopio para que el principio de la parte positiva de la segunda onda senoidal comience en la línea central vertical de la retícula. 19. Mida el periodo de una onda senoidal completa. Periodo: ______________ ms. 20. Encuentra la frecuencia de operación del oscilador de audio LC fo = 1/ periodo (segundos) fo = _______________ Hz Recuerde convertir los milisegundos a segundos antes de hacer sus cálculos. 21. Indique si la frecuencia de operación que midió está dentro de 20% de la frecuencia de resonancia en el circuito aunque calculada en el procedimiento 2 ___________________ El valor que midió puede diferir en más o menos 20% debido a las tolerancias de medición, instrumentos y componentes. 22. Conecte la entrada del osciloscopio sucesivamente a la base y emisor de Q1 y a la derivación central de T1. Mida y registre los voltajes de máximo a máximo y note si hay algún corrimiento de fase entre cualquiera de estos puntos y el voltaje a través del tanque eB1 = ______________ V máximo a máximo máximo Corrimiento de fase = ___________ eE1 = ______________ V máximo a máximo máximo Corrimiento de fase = __________________ eCT =______________ V máximo a máximo Corrimiento de fase = ___________________

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL No debe haber corrimiento de fase medible entre cualquiera de estos puntos. Recuerde que la ganancia de voltaje es un amplificador de colector común no puede pu ede ser mayor que uno y no hay inversión de fase entre la entrada y salida. El voltaje más alto que aparece a través del tanque se debe a los efectos de resonancia. 23. Baje Vcc a cero

Objetivo C Determinar la relación entre la frecuencia de oscilación y la capacitancia del circuito tanque. 24. Sustituya el capacitor C2 de 0.1 µf por el capacitor de 0.22 µf. 25. Ajuste Vcc a 6 volt y ajuste R4 para una señal del circuito tanque estable no distorsionado de 6 v máximo a máximo como en el procedimiento 15. 26. Repita el procedimiento del objetivo b y determine el nuevo periodo para una onda senoidal completa. Periodo = _______________ ms 27. Encuentre la nueva frecuencia de operación del oscilador de audio LC. fo = 1/ periodo (segundos) fo = _______________ Hz 28. Indique si la nueva frecuencia de operación es inferior a la que se encontró en el procedimiento 20. __________ ¿Explique por qué? _______________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________ ___________________________________________ 29. Baje Vcc a cero.

Preguntas 1. La frecuencia de un oscilador de audio LC se determina mediante: _____________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ 2. La amplitud de salida de un oscilador LC se determina mediante: ______________ _____________________________________________________________________ __________________________ ___________________________________________ 3. Como se comporte la polarización de base de CD en un oscilador LC _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ ___________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ __________

Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” UANL ________________________________ _____________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ 4. ¿Cuál es la función del capacitor c apacitor de retroalimentación en un oscilador LC? ____________________________________________________________________ ___________________________ __________________________________________ _ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ 5. La función del circuito tanque LC L C en un oscilador es: _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ 6. Que sucede al aumentar la capacitancia de un circuito tanque LC: _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________ _____________________________________________________________________ ________________________________ _____________________________________

Manual de Circuitos Osciladores 1a Etapa

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