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OSCILADORES A TRANSISTORES

Un oscilador es un circuito electrónico que produce una señal de salida, a partir de una fuente de energía externa, es decir, sin que haga falta aplicarle una señal de entrada. La señal de salida es periódica (repetitiva), de frecuencia, forma de onda e intensidad determinadas

Un oscilador básico consta de una etapa ampli-

ficadora en la que una parte de la señal de salida es conducida de vuelta a la entrada para producir una rea-limentación en fase (positiva). Según el tipo de reali-mentación, tenemos la frecuencia, y según el tipo de circuito, la forma de onda. Lo importante en este caso es que la ganancia del circuito sea mayor que 1, o sea, que amplifique la señal realimentada. Si esto no suce-diera, toda la energía de salida debería enviarse de vuelta a la entrada para mantener la oscilación, y no sería posible hacer el aprovechamiento ex-terno.

Principio de funcionamiento En la figura se muestra el circuito de un oscila-dor básico. Se han omitido la batería, resistencias y con-densadores para poder interpretar con mayor claridad su funcionamiento . En este circuito la corriente circula de colector a emisor. De este, a la toma media de la bobina y a través de L1, llega finalmente al colector. Esta corriente, al pasar por L1 produce un campo magnético que induce una tensión a través de L2. Obsérvese que L2 está insertada en el circuito base-emisor, es decir, en el de entrada. Supóngase que la tensión inducida en L2 tiene tal polaridad que suministra polarización directa a la entrada. El resultado será un aumento de la corriente de colector. Este aumento pro-ducirá un aumento en el campo magnético de L1 y por lo tanto, inducirá mayor tensión en L2. Esto aumentará la polarización, la que, de nuevo, produce mayor corriente de colector. Este proceso termina con la rápida saturación del transistor, o sea, el punto de máxima corriente de colector y también de L1. En este momento, al no haber variación de corriente, se tiene un campo magnético constante alrededor de L1, por lo que no hay inducción en L2. Al no haber tensión en L2, no hay polarización directa y por lo tanto la corriente de colector comienza a disminuir. La reducción de corriente de colector produce nuevamente un campo magnético variable en L1 que induce nuevamente tensión sobre L2, pero esta vez de polaridad opuesta a la anterior. Es decir, el circuito de entrada ahora está polarizado inverso, esto baja la corriente de colector a su punto de corte. Como en el punto de corte no hay corriente a través de L1, no hay inducción a través de L2. Al haber desaparecido la polarización inversa, comienza a circular una pequeña corriente de colector que produce un campo magnético creciente en L1, induciendo tensión de polarización directa en L2, y así se va repitiendo el proceso indefinidamente.

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Clasificación de los osciladores Existen numerosos criterios para la clasificación de los osciladores. Aquí se los clasifi-cará en senoidales y de relajación, siendo estos últimos los que generan formas de onda no se-noidal (cuadrada, triangular, diente de sierra, etc.). Colppits LC Clapp Hartley De realimentación RC Puente Wien Senoidales Cristal T puenteado Resistencia Diodo Túnel Osciladores Negativa Unijuntura con LC Conformadores IC 555 Multivibradores Operacionales VCO (IC 566) Relajación Resistencia Túnel Negativa Unijuntura

Los osciladores senoidales se dividen en dos grandes grupos; los de realimentación se ba-san en que únicamente para una frecuencia se cumplen las condiciones de oscilación. Los oscila-dores RC se basan en el hecho de que una celda RC provocará un cambio de fase entre la tensión aplicada y la corriente de circulación tal que al combinar varias celdas RC conectadas en un am-plificador, el circuito podrá comenzar a oscilar para la frecuencia en que el cambio de fase es el adecuado. Los osciladores puente dan mayor estabilidad al sistema ya que el lazo de comparación (realimentación) que hace oscilar a un amplificador está compuesto por varias ramas que se compensan mutuamente. La inclusión de cristales en circuitos osciladores ha permitido optimizar el desempeño de estos circuitos dándole mayor estabilidad y confiabilidad al sistema. En general, los osciladores LC se construyen para frecuencias superiores a 100 KHz, los osciladores RC se utilizan para bajas frecuencias y los osciladores a cristal se emplean para fre-cuencias relativamente elevadas.

Otro grupo de osciladores senoidales se basa en el principio de la resistencia dinámica negativa que presentan algunos componentes electrónicos. Esta resistencia “negativa” compensa las pérdidas que producen algunos elementos pasivos que poseen resistencia (resistencia posi-tiva), tal que al igualarse los efectos de resistencias positivas y negativas puede conseguirse una oscilación que bajo ciertas condiciones tendrán forma de onda senoidal. Existe también una forma de conseguir una onda senoidal a partir de una onda triangular de igual frecuencia utilizando circuitos formadores que si bien no producirán una señal perfecta tendrán bajo contenido armónico.

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Dentro de los osciladores no senoidales de relajación se encuentran los multivibradores que pueden conseguirse por medio de transistores o utilizando el famoso temporizador integrado 555 que puede generar una señal permisible de ser modulada. Otro integrado oscilador es el CI 566 que es un oscilador controlado por tensión.

En el grupo de los osciladores de relajación también se encuadran los generadores de pul-sos, rampas, etc. De muy alta velocidad aprovechando también el efecto de resistencia negativa que presentan los semiconductores tales como el diodo túnel o el transistor unijuntura. Oscilador Colpitts Un amplificador realimentado positivamente a partir de un divisor capacitivo en una rama del circuito resonante da origen a un oscilador Colpitts. Para que el oscilador funcione, el transistor debe ubicarse en su punto óptimo de trabajo, esto se consigue con el divisor resistivo R1 y R2. Si no se está en el punto correcto, la señal de salida presentará un porcentaje de distorsión y variará el rendi-miento. Es necesaria también una estabili-dad aceptable frente a variaciones de tem-peratura ya que esto podría provocar co-rrimientos en el punto de trabajo y perjudi-car la señal de salida. Dicha estabilización se consigue con R3 desacoplado con C4.

La señal de salida a reinyectar en la entrada se obtiene a través de CBP2 que llega al tan-que de oscilación a través del divisor capacitivo. El circuito se monta a partir de una configuración en emisor común donde, en general, el valor de capacidad de C2 es mucho mayor que el de C1 para poder mantener una relación de adaptación de impedancias entre la salida y la entrada del circuito (recuérdese que la impedancia de entrada del emisor común es mayor que la de salida, por tanto, XC1 debe ser mayor que XC2). La frecuencia de oscilación queda determinada por la inductancia de la bobina y por la capacidad total del divisor. Dado que para la oscilación C1 y C2 están en serie, la capacidad total se calcula según:

Por lo tanto, la frecuencia de oscilación se calcula con la siguiente ecuación: Si se analiza el circuito de la figura anterior, puede deducirse que cuando la base de Q se hace positiva, el colector se hace más negativo, ya que esta configuración desfasa 180º. Si el colector se hace más negativo que antes, se comenzará a cargar negativamente la placa inferior de C2, siendo positiva la placa superior referida a masa. Siguiendo con el análisis, al estar el punto central de los capacitores a masa, la placa inferior de C1 se hará más negativa y la otra placa, conectada a la base, se hará positiva. De este modo, cuando la base se hace posi-tiva, la señal realimentada también lo es.

2121

CCCCCT +⋅

=

21212

1

CCCCL

fo

+⋅

⋅=

π

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La señal oscilante puede obtenerse de varios puntos, pero lo más normal es obtenerla a partir del colector del transistor o por acoplamiento magnético con L1 mediante el uso de otro bobinado sobre el mismo núcleo. Si los capacitores son fijos y se mantiene inmóvil el valor de L1, la frecuencia de oscila-ción se mantendrá constante, pero si algún componente se hace variable pueden obtenerse seña-les de frecuencia distinta dentro de un gran rango del espectro de radiodifusión. Precisamente, el choque CH de la figura anterior se coloca para impedir el paso de la se-ñal de radiofrecuencia hacia la fuente de alimentación. Oscilador Clapp La práctica ha podido determinar que la inclusión de un capacitor pequeño en serie con L1 mejora notablemente la estabilidad de frecuencia del oscilador. De esta manera se mantienen los mismos componentes y la verdadera importancia radica en que ahora la frecuencia de reso-nancia está fijada prácticamente por L1 y C ya que este capacitor es mucho más pe-queño que los del divisor capacitivo. C1 y C2 se modifican casi exclusivamente para eliminar la distorsión de la señal de salida. Al realizar esta modificación, el circuito recibe el nombre de Oscilador Clapp. Estando en resonancia, la impedan-cia del circuito serie L1C es muy reducida, lo que hace que la frecuencia de oscilación sea casi independiente de las variaciones que sufre el transistor mejorando la estabi-lidad en frecuencia. Oscilador Hartley

Se denomina oscilador Hartley a todo aquel circuito que toma la realimentación a partir de un divisor inductivo ya sea en serie o en paralelo con el tanque de oscilación LC. En el oscilador Hartley serie, la realimentación formada por L2 y C1 en el circuito de la figura, queda acoplada en serie con la alimentación VCC.

El circuito se construye a partir de un transistor NPN en configuración emisor común polarizado a través del divisor re-sistivo R1-R2 y estabilizado térmicamente a través del conjunto R3C2. La relación de espiras entre L1 y L2 debe ser tal que la impedancia de cada sección está adaptada con las del transistor. XL1 debe coincidir con la impe-dancia de salida del transistor y XL2 con la de entrada. La señal reinyectada a la entrada debe sufrir una inversión de fase (en el transistor) ya que la toma en el punto me-dio del bobinado provoca una nueva inversión. Precisamente el porcentaje de señal realimentada debe ser tal que la ganancia total del sistema sea la unidad.

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El capacitor C1 impide una tensión continua en la base del transistor que lo levaría al estado de saturación. La fórmula que determina la frecuencia de resonancia depende de los componentes del circuito tanque (L1 y L2 en serie y el capacitor C3). El capacitor C3 suele ser variable para poder sintonizar el circuito a la frecuencia deseada. En realidad esta fórmula es incompleta ya que habría que considerar el acoplamiento o inductancia mutua entre las bobinas, pero en la práctica este efecto es despreciable. La polarización del transistor determinará su rendimiento como el porcentaje de distor-sión en la señal obtenida. Una variación sobre la configuración anterior sería disponer el circuito tanque a la en-trada del transistor y con la toma intermedia a masa como lo muestra la figura siguiente. Obsér-vese que ahora la corriente de colector no pasa directamente por el circuito tanque con lo cual habría una alimentación del tipo paralelo, de ahí que este circuito reciba el nombre de oscilador Hartley pa-ralelo.

La corriente continua no pasa por el circuito tanque ya que es bloqueada por C4 quien sólo permite el paso de la señal de oscilación. Aquí se ha incluido una bobina de choque para que la señal de RF de oscila-ción no pase por la fuente de alimentación lo que provocaría inestabilidad en el sistema. Aquí también es necesaria la adaptación de impedancias entre el circuito oscilador y el transistor. La frecuencia de oscilación sigue siendo la misma que la de la versión anterior. Osciladores de cristal Cristales como el cuarzo y la turmalina, se comportan como verdaderos transductores que pueden convertir un esfuerzo mecánico en tensión eléctrica. Transductor: sustancia o dispositivo que convierte una variable física como presión, velocidad, tensión, sonido, calor, luz, etc., en una tensión eléctrica; o inversamente, puede transformar una tensión eléctrica en sonido, presión, etc. Un micrófono o un parlante son transductores. El cristal se dispone normalmente entre dos capas metálicas. Cuando estas se conectan a una fuente de tensión eléctrica, el cristal se deforma. Cuando se le permite recuperar su forma natural produce una descarga eléctrica entre las dos placas metálicas que lo abrazan. Pero el cristal, al igual que un resorte que se libera, no puede recuperar su forma exacta inmediatamente.

Lo que obtendremos será una serie de descargas cada vez más pequeñas en las placas

metálicas, de igual forma que disminuirían las expansiones y contracciones del resorte. No obs-tante, puede mantenerse el resorte vibrando, así como el cristal en acción, por medio de señales eléctricas debidamente acompasadas. En este aspecto se comporta el cristal de modo muy similar a una bobina con un condensador.

( ) 32121

0 CLLf

+=

π

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En el circuito de la figura puede observarse que se ha conectado a la base del transistor, el cristal en paralelo con una bobina choque.

La bobina choque representa un cortocircuito para la C.C. pero una impedancia muy alta para la carga variable de C.A. producida en las placas del cristal. A su vez, R2 y R3 polarizan convenientemente la base del transistor. El cristal, que se comporta como un verda-dero circuito sintonizado, variará la polarización directa del circuito base-emisor y también, por hallarse en el circuito base-colector, una pequeña parte de la energía del circuito de salida se realimenta a la entrada, compen-sando sus pérdidas y permitiendo continuar la oscila-ción. La frecuencia de vibración (oscilación) de un cristal depende de la naturaleza del cristal, la forma en que se cortó la placa del cristal natural, y de las dimensiones de aquella. Pueden obtenerse cris-tales con frecuencias de oscilación de unos pocos KHz hasta varios MHz. Lo que hace valiosos a los osciladores a cristal es el hecho de que poseen un extremada-mente alto Q (coeficiente de calidad o factor de mérito), que varía entre un mínimo de unos 20.000 hasta casi 1.000.000. Consiguiéndose asimismo osciladores con excelente estabilidad de frecuencia y confiabilidad. Oscilador de doble T Este es un oscilador que emplea un transistor amplificador que es el elemento activo del circuito, y un doble T que deter-mina la frecuencia de operación según mues-tra la figura. Su aplicación básica es en los circuitos de audio con frecuencias hasta alrededor de 20 KHz y la forma de onda obtenida en la salida es senoidal.

El límite inferior de frecuencias que se pueden obtener con este circuito es alrededor de 0,1 Hz. La frecuencia está dada por los elementos del doble T que deben mantener las relaciones de valores da-das en el esquema.

Se acostumbra en la práctica mantener fijo el valor R, alrededor de 100 K para el BC548 con alimentación de 6 a 9 volt, y modificar el valor de C según la frecuencia deseada. Para el valor de C, de 4,7 nF, tendremos una frecuencia alrededor de 330 Hz.

Puede encontrarse el oscilador de doble T en aplicaciones de audio tales como en la pro-ducción de timbres de campanillas, triángulos, tambores en los que se trabaja con amortiguación, o cualquier otra modulación de señales de audio, como en el caso del trémolo o vibrato.

En un oscilador con realimentación apropiada la amplitud de las oscilaciones se mantiene constante y así tenemos una oscilación continua. Sin embargo, si la realimentación fuera insufi-

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ciente para mantener las oscilaciones, lo que tenemos es la producción de oscilaciones amortiguadas, o sea, osci-laciones cuya amplitud decrece con el tiempo, como muestra la figura.

Si se desean oscilaciones amortiguadas, el disparo puede hacerse mediante un pulsador conectado entre la alimentación y el punto de unión de los capacitores C. El ajuste del punto de funcionamiento (amortiguación) se efectúa cambiando R/2 por un trim-pot del mismo valor y ajustándolo según la duración de la amortiguación deseada.

La fórmula dada a continuación permite calcular la frecuencia de oscilación: Donde: C = capacitancia en Farads (F)

¶ = constante 3,14 R = resistencia en ohms (Ω) f = frecuencia en Hertz (Hz)

Multivibrador astable Esta configuración emplea dos tran-sistores y permite obtener oscilaciones con forma rectangular de onda en la banda de frecuencia que va de 0,01 Hz hasta más de 10 MHz. Los dos transistores se realimentan vía los capacitores C1 y C2 que en combina-ción con R1 y R2 determinan la frecuencia de las señales producidas. Si en los dos brazos del multivibra-dor, los capacitores y los resistores fueran iguales, tendríamos una señal simétrica o “cuadrada”. La utilización de valores dife-rentes permite obtener señales asimétricas, o rectangulares, como muestra la figura. Como los dos transistores operan desfasados, tenemos dos salidas en este cir-cuito con características opuestas. El tiempo de conducción de cada transistor está determinado por la constante RC en la fórmula: Para una configuración simétrica en la que los dos capacitores y los dos resistores son iguales, tenemos que la frecuencia está dada por: Donde: R es la resistencia en Ohms

C es la capacidad en Farads

CRf

⋅⋅⋅=

π21

CRtp ⋅⋅= 69,0

CRtpf

⋅⋅=

⋅=

38,11

21

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Si los capacitores fueran diferentes podemos hacer:

Donde: tp1 = R1 x C1 x 0,69 tp2 = R2 x C2 x 0,69

El gráfico siguiente muestra una familia de curvas con las que se puede calcular la fre-

cuencia de un multivibrador en el que la forma de onda sea cuadrada (C1 = C2 y R1 = R2).

Oscilador unijuntura Tres formas de onda pueden obtenerse con este oscilador cuyo circuito básico se muestra en la figura siguiente.

Utilizado para la producción de señales en la banda de 0,005 Hz hasta cerca de 10 KHz, el oscilador de relajación con transistor unijuntura se usa en timers, circuitos de audio, trémolos y vibratos, bases de tiempo de instrumentos, etc.

( )211

tptpf

+=

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Una característica importante de este circuito es su estabilidad de frecuencia en relación a las variaciones de tensión de la fuente.

En el emisor del transistor se tienen pulsos en “diente de sierra”. En verdad, la “subida de tensión” en este punto del circuito es una exponencial, que en algunas aplicaciones puede apro-ximarse al diente de sierra. La misma representa la carga del capacitor C por el resistor R. Del mismo modo, la bajada también es una exponencial que representa la descarga de C por el resis-tor R2 y por el transistor.

En la salida 1 se tienen pulsos negativos; en la salida 2 se tienen pulsos positivos. La frecuencia está dada, aproximadamente, por la fórmula siguiente: Donde: f es la frecuencia en Hz. C es la capacidad en Farads

R es la resistencia en Ohms El resistor R para las aplicaciones comunes puede tener valores en la banda de 3 K a 1 M,

mientras que C puede tener valores entre 1 n y 1000 uF. Para C = 100 nF y R = 100 K, la frecuencia será aproximadamente 100 Hz.

Astable con CI 555 El circuito integrado 555, un timer, es utilizado en una variedad casi infinita de aplicaciones, y entre ellas se destaca la pro-ducción de señales rectangulares en la banda comprendida entre 0,01 Hz y 100 KHz.

La forma de onda depende, en su simetría, tanto de los valores de Ra como de Rb, mientras que la frecuencia está asociada a las dos y al capacitor C. La frecuencia estará dada por la fór-mula siguiente:

Donde: f es la frecuencia en Hz.

C es la capacidad en Farads Ra y Rb es la resistencia en Ohms

En la figura de la derecha se da una

familia de curvas mediante las cuales puede calcularse fácilmente la frecuencia de este oscilador.

Una característica importante de este

circuito es su potencia. El 555 puede ali-mentarse con tensiones entre 4 y 15 volt y proporciona una salida de hasta 200 mA.

CRf

⋅=

1

( ) CRbRaf

⋅+=

245,1