Download GUÍA 6: OSCILADORES 1. Oscilador Un oscilador es un dispositivo

Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
GUÍA 6: OSCILADORES
1. Oscilador
Un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua en corriente
alterna a una determinada frecuencia. Tienen numerosas aplicaciones: generadores de frecuencias
de radio y de televisión, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos
de rayos catódicos, etc.
A) Onda sinusoidal. B) Onda cuadrada. C) Onda tipo diente de sierra
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, así tenemos el oscilador Hartley y el oscilador Colpitts.
Igualmente, los multivibradores son circuitos electrónicos que producen ondas cuadradas tales
como, el oscilador astable con el temporizador 555, 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.
Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
2. Circuito oscilante
Supongamos un circuito compuesto por un condensador y una bobina conectados en paralelo. En
primer lugar, conectamos el condensador a una batería.
Entonces, comienza a circular corriente eléctrica que va a provocar que el condensador se cargue.
Llegado este momento, la corriente eléctrica dejaría de circular y el condensador se encontraría
totalmente cargado. A continuación movemos el interruptor y conectamos el condensador con la
bobina.
En este mismo instante, la bobina, en principio, se opone al paso de la corriente. Sin embargo,
comienza a circular corriente de forma progresiva haciendo que el condensador se descargue y
creando un campo magnético en la bobina. Al cabo de cierto tiempo, la corriente eléctrica
comienza a cesar de forma progresiva y, por lo tanto, el campo magnético se reduce. Se crea
entonces una tensión inducida en la bobina que hace que el condensador se cargue de nuevo, pero
esta vez con la polaridad contraria. Una vez que el condensador se encuentra totalmente cargado
volvemos a estar como al principio, aunque esta vez con el condensador cargado de forma
inversa a como estaba antes. Comienza pues otra vez el proceso de descarga progresiva del
condensador sobre la bobina y de nuevo vuelve a cargarse el condensador. Vemos, pues, cómo es
un vaivén de corriente de un elemento a otro. Esto es lo que se conoce como circuito oscilante o
circuito tanque.
Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
3. Funcionamiento de un circuito tanque
Este circuito oscilante podría ser un oscilador si fuese capaz, por sí solo, de mantener su
oscilación indefinidamente. Sin embargo, en la realidad existe una pérdida de energía que hace
que la corriente oscilante se vaya atenuando cada vez más hasta llegar a desaparecer. Esto es
debido a que la inductancia posee una cierta resistencia óhmica que hace que con el paso de la
corriente se vaya perdiendo cada vez una pequeña cantidad de energía convirtiéndose en calor.
Onda senoidal amortiguada debido a la resistencia óhmica de la bobina
La frecuencia con la que oscila nuestro circuito depende evidentemente del condensador y de la
bobina que coloquemos; cuanto mayor sea la capacitancia del condensador y la inductancia de la
bobina, menor va a ser la frecuencia. Una vez dispuestos ambos elementos en el circuito, estos
son fijos y, por tanto, la frecuencia de oscilación es una característica de dicho circuito, la cual
recibe el nombre de "frecuencia propia del circuito oscilante". En realidad es bastante complicado
acertar en la elección del condensador y de la bobina a la hora de obtener una determinada
frecuencia. Lo que se suele hacer es poner, por ejemplo, un condensador con capacidad variable
que, una vez funcionando en el circuito, se ajusta dicho condensador hasta obtener el valor de la
frecuencia de oscilación deseada.
La frecuencia generada en un circuito tanque se produce cuando la reactancia inductiva es igual a
la reactancia capacitiva, esto es X L X C , reemplazando las ecuaciones se tiene,
2
f L
1
2
f C
Despejando se logra la frecuencia de resonancia del circuito oscilante que es,
f
1
2
L C
Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
4. Osciladores de alta frecuencia
Los tres osciladores de alta frecuencia son aquellos que producen frecuencias superiores a 1MHz,
siendo los más conocidos los osciladores Hartley, Colpitts y cristal de cuarzo.
a) El oscilador Hartley
El oscilador Hartley es un circuito electrónico basado en un oscilador LC. Se trata de un
oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una señal de frecuencia
determinada sin que exista una entrada.
El circuito básico considerando sólo el circuito de oscilación, consta de un condensador
(C1) y dos bobinas (L1 y L2).
En este tipo de osciladores, en lugar de L1 y L2 por separado, se suele utilizar una bobina
con toma intermedia.
La frecuencia de oscilación se calcula usando la siguiente ecuación,
f
1
2
( L1
L2 ) C1
El circuito esquemático de este oscilador es,
VCC
R2
R1
Vo
Q1
L1
R3
C1
L2
C2
Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
b) El oscilador Colpitts
El oscilador Colpitts es un circuito electrónico basado en un oscilador LC. Se trata de un
oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una señal de frecuencia
determinada sin que exista una entrada.
El oscilador Colpitts es un tipo de oscilador el cual es muy utilizado en generadores de
frecuencia de alta calidad y se usa principalmente para obtener frecuencia por encima de 1
MHz. Su estabilidad es superior a la del oscilador Hartley.
Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos
condensadores C1 y C2. De la unión de estos capacitores sale una conexión a tierra y de
los otros extremos se conecta en paralelo una bobina (L1).
La frecuencia de oscilación se calcula usando la siguiente ecuación,
1
f
2
L1
C1 C 2
C1 C 2
El circuito esquemático de este oscilador es,
VCC
R2
R1
Vo
Q1
C1
R3
L1
C2
C3
Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
c) Oscilador de cristal de cuarzo
Con lo visto sobre el efecto piezoeléctrico parece lógico poder aplicar las propiedades de
este material, el cuarzo, para producir oscilaciones. En efecto, si a un cristal de cuarzo le
aplicamos sobre sus caras opuestas una diferencia de potencial, y el dispositivo está
montado adecuadamente, comenzarían a producirse fuerzas en las cargas del interior del
cristal. Estas fuerzas entre sus cargas provocarían deformaciones en el cristal y darían
lugar a un sistema electromecánico que comenzaría a oscilar. Sin embargo, vuelve a
ocurrir lo mismo que en los circuitos formados por un condensador y por una bobina. Esto
es, las oscilaciones del cristal no duran indefinidamente, ya que se producen rozamientos
en la estructura interna que hacen que se vayan amortiguando hasta llegar a desaparecer.
Por tanto, necesita de un circuito externo que mantenga las oscilaciones, compensando las
pérdidas producidas por el rozamiento.
A
B
A) Representación de un cristal de cuarzo.
B) Equivalente eléctrico de un oscilador piezoeléctrico
El comportamiento eléctrico del cuarzo se puede asemejar al de una bobina, una
resistencia y un condensador conectados en paralelo con otro condensador. Por lo tanto,
es equivalente colocar un circuito con estos componentes que poner un cristal de cuarzo.
Un oscilador de cristal de cuarzo es aquel oscilador que incluye en su realimentación un
resonador piezoeléctrico.
El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase,
dada por el resonador piezoeléctrico.
La frecuencia es estable frente a variaciones de la tensión de alimentación.
Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
Para lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos
condensadores C1 y C2, de la unión de estos capacitores sale una conexión a tierra y de
los otros extremos de estos, se conecta en paralelo una cristal de cuarzo (X1).
El circuito esquemático de este oscilador es,
VCC
R2
R1
Vo
Q1
C1
R3
X1
C2
C3
Algunas representaciones físicas de los osciladores de cristal de cuarzo de 4MHz, 10MHz,
20MHz y de 40MHz son las siguientes,
Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
5. Osciladores de baja frecuencia
Los osciladores de baja frecuencia son aquellos que producen frecuencias inferiores a 1MHz.
a) Oscilador por desplazamiento de fase
10V
10kΩ
Salida
1MΩ
1nF
1nF
1nF
BC547A
10kΩ
10kΩ
Según simulador en la salida se tiene aproximadamente una frecuencia de 6kHz, con un VPP
cerca de 6,5 V y un VDC alrededor de 7 V.
b) Oscilador de señal cuadrada, triangular y senoidal (IC XR2206)
12V
10nF
SPST
1MΩ
Key=A
220Ω
4.7kΩ
10kΩ
6
5
14
13
7
10
50%
10uF
11
2
4
3
12
10nF
10kΩ
100nF
Cuadrada
Senoidal/Triangular
4.7kΩ
XR2206
4.7kΩ
Con el interruptor SPST cerrado se tiene una señal senoidal aproximada de 2 Vpp. Mientras que
estando el interruptor SPST abierto se logra una señal triangular aproximada de 4 Vpp.
Con el condensador de 10nF entre el pin 5 y 6 se obtiene una frecuencia 100Hz a 20kHz.
Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
c) Multivibrador astable con IC 555
La señal cuadrada generada por el oscilador astable usando el IC 555, tiene una frecuencia
que se puede calcular usando la siguiente ecuación,
f
1,443
C1 ( R1 2 R2 )
El circuito esquemático de este multivibrador es,
El circuito interno del IC 555, está compuesto por los elementos, que se muestran a
continuación,