Circuito oscilante
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. También reciben el nombre de “osciladores
controlados por tensión” (VCO). 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.
Osciladores
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".
Esquema
de un circuito oscilante
Supóngase un
circuito compuesto por un condensador y una inductancia conectados en paralelo.
En primer lugar, se conecta 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 es movido el interruptor y se conecta el condensador con la
inductancia. 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 vuelve a estar como
al principio, aunque esta vez con el condensador cargado de forma inversa a
como estaba antes. Comienza otra vez el proceso de descarga progresiva del
condensador sobre la inductancia y de nuevo vuelve a cargarse el
condensador. Puede verse cómo es un
vaivén de corriente de un elemento a otro.
Esto es lo que se conoce como circuito oscilante. Para poder entender mejor este proceso se
han esquematizado los pasos en la ilustración correspondiente.
Funcionamiento
de un circuito oscilante
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.
Representación
de una onda amortiguada debido a la resistencia óhmica de la bobina
La frecuencia con
la que oscila el circuito depende evidentemente del condensador y de la
inductancia que se utilice; cuanto mayor sea el condensador y la inductancia,
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" o
“frecuencia natural de oscilación”. En
realidad es bastante complicado acertar en la elección del condensador y de la
inductancia 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.
Un circuito oscilante por sí solo no es capaz de
mantener por mucho tiempo sus oscilaciones y, por tanto, no es de ninguna
utilidad. Para solventar este problema
lo que se hace es proporcionar una "ayuda extra" desde el exterior
que compensa las pérdidas de energía debido a la resistencia óhmica de la
bobina; consiguiendo así que el circuito oscile de forma indefinida mientras
que la fuente de energía "extra" sea capaz de suministrarle
energía. La fuente de energía extra que
se acopla al circuito plantea una incógnita relativa a la frecuencia a la que
se debe suministrar la corriente eléctrica.
Evidentemente existen tres casos bien definidos, a saber: que la
frecuencia de la fuente sea mayor, menor o igual que la frecuencia propia de
oscilación del circuito. En el caso en
que la frecuencia sea la misma, se produce el máximo valor de la tensión en los
bornes del circuito oscilante; por el contrario, la intensidad de corriente que
recorre el circuito es mínima. Si la
frecuencia es mayor o menor el voltaje en bornes va siendo cada vez menor, a la
vez que la corriente que atraviesa el circuito va aumentando de forma gradual.
En la figura se muestran la variación de la tensión y de la corriente en
función de la frecuencia.
Existen diferentes
tipos de osciladores. Antiguamente se usaba una válvula termoiónica como etapa
amplificadora pero estos osciladores están totalmente obsoletos. Hoy día, se usa en su lugar un transistor
como etapa amplificadora pudiendo estar conectado en base común, emisor común o
colector común, dependiendo del tipo de oscilador y de la función que realiza
en cada uno de ellos.
El
oscilador Meissner
El oscilador Meissner que está compuesto por un
circuito oscilante LC, una etapa amplificadora y una realimentación
positiva. Una de las características de
este oscilador es que la realimentación se produce por medio de un acoplo
inductivo, es decir, entre una bobina auxiliar y la bobina que compone el
circuito tanque. En estos osciladores
la oscilación desacoplada y amplificada debe ser introducida de nuevo en el
circuito oscilante, y para conseguir que la oscilación que entró en un
principio al circuito sea reforzada, la oscilación de la realimentación debe
estar en fase con ella. Para conseguir
este efecto hay que asegurarse de que los arrollamientos del transformador
estén correctamente conectados porque, de lo contrario, no se conseguirá ningún
tipo de oscilación. Para que se
produzca una frecuencia de oscilación estable hay que tener en cuenta todos los
datos del transistor, es decir, cómo actúa frente a las diferentes tensiones,
intensidades y con los cambios de temperatura.
La etapa amplificadora del oscilador está formada por el transistor que,
en esta clase de montajes, se coloca en base común. El circuito oscilante se
conecta al colector. Existe otro tipo
de oscilador muy parecido al de Meissner que se denomina oscilador de
Armstrong.
El
oscilador Hartley
La principal característica de estos circuitos
osciladores es que no utilizan una bobina auxiliar para la realimentación, sino
que aprovechan parte de la bobina del circuito tanque, dividiéndose ésta en dos
mitades, L1 y L2. Colocando dos
resistencias para polarizar adecuadamente el transistor. Hay dos formas de alimentar al transistor:
en serie y en paralelo. La alimentación
serie se produce a través de la bobina, L2, circulando por ella una corriente
continua. La alimentación en paralelo
se efectúa a través de la resistencia del colector, quedando en este caso
perfectamente aislados el componente de continua y el componente de alterna de
señal. La reacción del circuito se
obtiene a través de la fuerza electromotriz que se induce en la bobina, L1, y
que se aplica a la base del transistor a través de un condensador. En estos circuitos la frecuencia de
oscilación depende de la capacidad C y de las dos partes de la bobina, L1 y L2,
del circuito oscilante. Según donde se
coloque la toma intermedia de la bobina se va a producir una amplitud de
tensión u otra; pudiendo llegar a conectarse o desconectarse el circuito.
El
oscilador Colpitts
Este oscilador es bastante parecido al oscilador de
Hartley. La principal diferencia se
produce en la forma de compensar las pérdidas que aparecen en el circuito
tanque y la realimentación, para lo cual se realiza una derivación de la
capacidad total que forma el circuito resonante. Una parte de la corriente del circuito oscilante se aplica a la
base del transistor a través de un condensador, aunque también se puede aplicar
directamente. La tensión amplificada por
el transistor es realimentada hasta el circuito oscilante a través del
colector. Como en todos los circuitos
que tengan transistores es necesario conectar resistencias para polarizarlos. La tensión de reacción se obtiene de los
extremos de uno de los condensadores conectados a la bobina en paralelo.
El
oscilador en puente de Wien
Hasta ahora se han mencionado los osciladores tipo
LC, el oscilador en puente de Wien es un oscilador del tipo RC. Cuando se
trabaja en bajas frecuencias no es posible usar los osciladores tipo LC, debido
a que el tamaño de la bobina y de la resistencia tendrían que ser demasiado
grandes y caros. Para sustituirlos se
usa una red desfasadora formada por RC, es decir, resistencias y condensadores,
como es el caso del ya mencionado oscilador en puente de Wien. Está constituido por una etapa oscilante,
dos etapas amplificadoras, formadas por dos transistores. El circuito está conectado en emisor común y
al tener dos etapas en cascada la señal es desfasada 360º y después vuelve a
ser realimentada al circuito puente. La
señal de salida del segundo transistor se aplica al circuito puente constituido
por dos resistencias y también es aplicada a la entrada del puente de Wien, que
es el circuito oscilante formado por una resistencia y un condensador. La frecuencia de oscilación viene
determinada por los valores de la resistencia y del condensador que forman el
puente de Wien. Este tipo de circuitos
presenta una gran estabilidad a la frecuencia de resonancia. A parte de ésta tiene como ventajas su fácil
construcción, un gran margen de frecuencias en las que trabaja perfectamente y
la posibilidad de obtención de una onda sinusoidal pura cuando tienen la
suficiente ganancia como para mantener las oscilaciones. Dentro de sus inconvenientes se puede
mencionar que se pueden producir pérdidas en las resistencias y una salida
variable con la frecuencia de resonancia.
El
cuarzo
Muchas son las veces que se ha oído hablar del
cristal de cuarzo como elemento imprescindible en gran variedad de aparatos
electrónicos. Así, por ejemplo, raro es
encontrarse un reloj que no lleve en su interior tan preciado cristal. La razón de la utilización masiva del cuarzo
radica en una propiedad electromecánica, conocida como efecto
"piezoeléctrico", la cual es de una gran utilidad en los
osciladores. El cuarzo tiene la
propiedad de deformarse mecánicamente, es decir, aumentar o disminuir su
volumen, cuando se le aplica una diferencia de potencial entre sus extremos. Además, este efecto piezoeléctrico es
reversible, por lo que, si de alguna forma es posible oprimir un cristal de
cuarzo, se observa cómo, durante el
tiempo en que el cristal está reduciendo su tamaño, produce una diferencia de
potencial entre sus caras opuestas.
Este efecto reversible es parecido al de un motor eléctrico, el cual, si
le aplica una diferencia de potencial, comienza a girar pero si, por el
contrario, se le hace girar manualmente, se produciría una diferencia de
potencial entre sus dos conexiones.
El cuarzo es uno
de los minerales más abundantes en la naturaleza formado por anhídrido de
silicio. Se encuentra en la naturaleza
en diferentes formas, principalmente como "cuarzo a", que se obtiene
a alta temperatura y es hexagonal, y como "cuarzo b", que existe a
temperatura ordinaria. Sin embargo,
para su utilización en circuitos, la única variedad de interés es la formada
por cristales prismáticos hexagonales.
Volviendo al
efecto piezoeléctrico, se dice que un cristal de cuarzo tiene una frecuencia
natural de oscilación. Suponiendo que
se conecta un cristal de cuarzo a una diferencia de potencial provocando, por
tanto, que este se deforme; si, a continuación, se elimina la diferencia de
potencial, el cristal tenderá a su forma original ya que ha cesado la causa que
lo deformaba. Durante su
"vuelta" al estado original, el cristal, comienza a oscilar
aumentando y disminuyendo su tamaño hasta que, al cabo de cierto tiempo, se
detendrá definitivamente. Este aumento
y disminución de tamaño son oscilaciones propias del cristal y a una frecuencia
fija que depende exclusivamente del cristal y es lo que se conoce como
frecuencia natural de oscilación.
Oscilador
de cristal
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 se aplica 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 inductancia.
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)
representación de un cristal de cuarzo. B) equivalente eléctrico de un
oscilador piezoeléctrico
El comportamiento
eléctrico del cuarzo se puede asemejar al de una inductancia, 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.
[DIAGRAMAS DEL LUGAR DE LA RAÍZ][CIRCUITO OSCILADOR][FILTROS
ACTIVOS]
[PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO DEL PLL][PLL DEMODULADOR DE FM]