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Osciladores Sinusoidales
Conceptos básicos fundamentales
Los osciladores son circuitos electrónicos básicos que no tienen entrada de
alterna, pero proporcionan una salida alterna de una frecuencia concreta. La única
entrada que necesita un oscilador es la tensión de la fuente de alimentación para
polarizar el o los dispositivos activos que se utilizan en el circuito oscilador. En general,
los osciladores son amplificadores realimentados con realimentación positiva o
regenerativa.
Circuitos oscilantes
Un sistema que pueda oscilar, lo hace con su frecuencia propia. Esta frecuencia
depende de la estructura del sistema, pero no de la energía suministrada. Si la frecuencia
de la energía suministrada es igual a la del sistema, la excitación y el sistema están en
resonancia, originándose en este ultimo una oscilación de gran amplitud (frecuencia
propia), llamada frecuencia de resonancia.
La frecuencia propia del circuito oscilante es tanto mas baja cuanto mayores son
la inductancia y la capacidad. Cuando la frecuencia del generador y la propia del
circuito son iguales, la amplitud de la tensión alterna en el circuito oscilante es máxima,
y en este estado se dice que el circuito oscilante esta en resonancia con la frecuencia del
generador. A los circuitos oscilantes se les llama también circuitos resonantes, y a la
frecuencia propia del circuito oscilante, frecuencia de resonancia.
Esquema de bloques de un oscilador
Un oscilador se compone fundamentalmente de:
a)
un amplificador
b)
una realimentación positiva (autoexitación)
c)
una componente que determina la frecuencia
d)
un componente que determina la amplitud
Autoexitación
La realimentación positiva es una realimentación en la que la tensión de salida
se reinyecta en la entrada de manera que ambas estén en concordancia de fase y se
sumen. La tensión alterna de entrada aumentada de este modo se amplifica y da una
tensión alterna de salida mayor. Si la realimentación positiva es lo suficientemente
fuerte, no se necesita ninguna tensión exterior a la entrada. La mínima variación del
estado del circuito, por ejemplo al conectar, al fluctuar la tensión de alimentación, el
ruido, o una variación de la carga, produce una autoexitación. Si la tensión realimentada
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se hace demasiada pequeña, desaparecen las osciliaciones. Al aumentarlas vuelven a
aparecer. Entonces para compensar las perdidas de energía del circuito debe haber una
realimentación positiva suficientemente grande que provoque y mantenga las
oscilaciones. La tensión realimentada debe ser como mínimo tan grande como la tensión
que la ha provocado. El factor de transferencia β indica que fracción de la tensión de
salida se realimenta a la entrada. Cuanto mayor sea la ganancia A, tanto menor puede
ser el factor de transferencia de tensión. El producto se llama “ganancia de bucle”. La
oscilación aparece cuando la “ganancia de bucle”
es como mínimo igual a 1
(condición de BARKHAUSEN).Es decir que la propia oscilación se produce con una
“ganancia de bucle” .Si la “ganancia de bucle” es mucho mayor que 1, se originaria
una distorsión de la señal y la salida no sería sinusoidal. Para conseguir una aparición
segura de las oscilaciones, se elige siempre .Si
desaparecería toda oscilación que
pudiera haber (Oscilaciones amortiguadas).
En resumen, las condiciones que deben cumplirse para que exista autoexitación
son las siguientes:
1) Condición de Amplitud:
2) Condición de fase: ϕ = 0º ( Siendo ϕ , el ángulo de fase entre la tensión
realimentada y la tensión de entrada).
Determinación de la frecuencia
Para que un circuito oscilante, solo se excite con una frecuencia determinada,
debe conectarse en el circuito de salida o en la rama de realimentación, un componente
dependiente de la frecuencia, por ejemplo una componente RC o una combinación LC.
Con un componente que determine la frecuencia, por ejemplo un circuito oscilante, se
puede ajustar el oscilador a la frecuencia deseada. El oscilador oscila entonces
aproximadamente con la frecuencia de resonancia de ese componente, siempre que se
cumpla exactamente la “condición de fase” para la autoexitación. Cuando no se cumpla
la “condición de fase” para la frecuencia de resonancia del circuito oscilante, aun se
lograra la excitación del oscilador, pero este oscilara con una frecuencia diferente. La
frecuencia del oscilador diferirá de la frecuencia de resonancia del circuito oscilante
hasta que se vuelva a cumplir la “condición de fase” para la nueva frecuencia.
Limitación de Amplitud
Cuando en un circuito oscilante, aparece la autoexitación, las amplitudes de las
oscilaciones van creciendo paulatinamente. La limitación de la amplitud se obtiene
según las características del transistor, pero trae consigo la aparición de distorsiones.
Una tensión alterna de salida casi sin distorsión, con una amplitud muy estable, se
consigue con la “regulación de ganancia” o mediante la regulación del “factor de
transferencia de tensión”. En los osciladores con transistores, la tensión de polarización
de base se obtiene mediante un divisor de tensión o una resistencia de polarización y el
punto de trabajo se suele estabilizar mediante la resistencia de emisor Re
(realimentación negativa). Si crece la amplitud también aumenta la realimentación
negativa de corriente, la ganancia disminuye y la amplitud se mantiene
aproximadamente constante. Al ir creciendo la excitación, disminuye la resistencia de
entrada del transistor y la resistencia reflejada a través del acoplamiento es mayor,
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razón por la cual amortigua y desintoniza el circuito oscilante, por lo que la amplitud de
la frecuencia del oscilador también se mantiene aproximadamente en su valor original.
Alimentación de los Osciladores
Un oscilador puede tener la tensión de alimentación, por ejemplo la tensión
continúa colector – emisor, aplicada en serie o bien en paralelo con el componente que
determina la frecuencia. En el primer caso se obtiene una realimentación serie y en el
segundo paralelo.
Alimentación Serie
En la “alimentación en serie“el transistor, el circuito oscilante y el generador de
tensión continua están conectados uno detrás del otro. Este circuito se compone de
pocos elementos, pero tiene el inconveniente que la tensión continua esta aplicada al
circuito oscilante y que la bobina con núcleo de hierro sufren una variación de su
inductancia a causa de la corriente continua por tanto también variara la frecuencia del
circuito oscilante.
El capacitor Cb conecta el circuito oscilante a masa para la tensión alterna
evitando que la misma pase por la fuente de alimentación continua. Generalmente
cumple esta función el capacitor del filtro de la fuente de alimentación que se encuentra
conectado en paralelo.
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Alimentación Paralelo
En la alimentación del paralelo, el transistor, el circuito oscilante y el generador
de corriente continua se encuentran conectados en paralelo.
El circuito oscilante no esta sometido a Vcc. Como una fuente de tensión
continua constituye una resistencia muy pequeña para la corriente alterna debe
alimentarse el transistor a través de una bobina de choque LBL en caso contrario el
circuito oscilante estaría cortocircuitado para la V.C.A. La impedancia de esta bobina de
choque bebe ser por lo tanto mucho mayor que la del circuito oscilante a la frecuencia
generada.
A frecuencias elevadas la bobina de choque queda cortocircuitada por la
capacidad de su bobinado. Entonces se emplea una resistencia ohmica (entre
aproximadamente 10KΩ y 100KΩ) en lugar de dicha bobina. El capacitor CBL bloquea
la CC y evita por lo tanto que la tensión de alimentación quede cortocicuitada por la
bobina del circuito oscilante.
La alimentación paralelo tiene la ventaja respecto de la serie que la CC no pasa
por el circuito oscilante.
Osciladores senoidales con transistor
Los circuitos senoidales se diferencian fundamentalmente por el tipo de
realimentación. Los circuitos con transistores tienen una Ri de resistencia pequeña lo
que permite que junto a la tensión se realimente también una corriente en fase y
amplitud correcta.
A frecuencias bajas y medias se prefiere el circuito emisor común, a frecuencias
altas ejemplo en la gama VHF y para pequeñas potencias de salida se eligen en cambio
el circuito base común.
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RF Spectrum Ranges
Range Name
Abbreviation
Frequency
Range
Very
Low
Frequency
Low Frequency
VLF
3 kHz - 30 kHz
LF
30 kHz - 300
kHz
Medium Frequency
MF
High Frequency
HF
Very
Frequency
Ultra
Frequency
Super
Frequency
Extremely
Frequency
High
High
VHF
300 kHz - 3
MHz
3 MHz - 30
MHz
30 MHz - 300
MHz
UHF
300 MHz - 3
GHz
High
High
SHF
EHF
3 GHz - 30
GHz
30 GHz - 300
GHz
Figure 2-20—The radio spectrum extends over a very wide range of frequencies. The
drawing shows the frequency ranges used by broadcast and mobile phones. Amateurs can use
small frequency bands in the HF and higher frequency regions of the spectrum.
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