Osciladores.

Un oscilador se compone de cuatro partes fundamentales, una fuente de alimentación, un amplificador, un generador de señal y una red de alimentación.

F. de alimentación Amplificador G. de señal

Realimentación

El generador de señal se conoce con el nombre de circuito tanque, llamado así por su capacidad de almacenar energía eléctrica y magnética, ya que sus componentes son tales como bobinas y condensadores.

Circuito tanque.

Si suponemos que C está inicialmente descargado, conmutamos S1 a la posición 1, por lo que circulará una corriente de carga del condensador. Cuando C está totalmente cargador, conmutamos a la posición 2, por lo cual circulará una corriente de descarga a través de L, creando un campo magnético en ésta. Cuando la corriente de descarga tiende a desaparecer, la bobina, a costa de la energía almacenada en su campo magnético, induce una corriente del mismo sentido que la que lo había creado, dando como resultado una carga de C de polaridad opuesta a la anterior.

Al agotarse la energía del campo magnético nos encontramos con un condensador cargado con polaridad inversa a la inicial; en ese momento comienza a descargarse, nuevamente, a través de L con una corriente de sentido inverso, repitiéndose el proceso anterior. Así, se ha completado un ciclo del proceso de oscilación, que seguiría, indefinidamente, si no fuera porque la resistencia interna de los componentes produce una pérdida de energía por efecto Joule; por ello, al cabo de cada ciclo, la tensión entre extremos de C es inferior a la del ciclo anterior, llegando con el tiempo a desaparecer, esto se llama “amortiguación”.

Para reducir este efecto, en los osciladores de radiofrecuencia se obliga a un transistor que se encuentra cortado a conducir durante un breve periodo de tiempo, consiguiendo así volver a reponer la energía perdida y que no se produzca esta amortiguación.

Oscilador Colpitts

En este oscilador, el condensador del circuito tanque se encuentra dividido. El circuito consta de un transistor en configuración de colector común y polarizado de base mediante el divisor de tensión R1 y R2. La bobina L forma la resistencia de colector del transistor. Del punto de unión de los dos condensadores se toma una realimentación a la entrada mediante variación del potencial de emisor. Al estar el transistor el colector común, vemos que no existe desfase entre la señal y la tensión realimentada, cumpliéndose, por tanto, las condiciones para la oscilación.

Cuando se conecta la alimentación, el transistor empieza a conducir cargando los condensadores. Esta carga es de tal sentido que en el punto de unión de C1 y C2 se genera un potencial negativo respecto a masa, el cual es enviado al emisor del transistor haciendo, por tanto, que aumente la Vbe efectiva, que lleva al transistor a la saturación. En ese momento los condensadores de han cargado al potencial de Vcc, impidiendo la conducción del transistor. Obsérvese que C1 está conectado a masa para la corriente alterna, por lo cual la onda de salida será exactamente, la tensión de este condensador; así pues, la tensión de salida, partiendo de cero, ha llegado hasta su máximo valor negativo.

En estas condiciones los condensadores empiezan a descargarse a través de la bobina, por lo que la tensión de salida disminuye hasta que la descarga se completa. Ahora la bobina mantiene la corriente que ha creado su campo magnético, iniciando la carga de C1 y C2 en sentido inverso. Al aumentar esta carga, la tensión en la unión de los condensadores se hace positiva, lo cual provoca que aumente el potencial de emisor, disminuyendo por tanto la Vbe efectiva y provocando el corte del transistor.

Este proceso continúa hasta que se extingue el campo magnético, habiendo cargado los condensadores hasta su máximo valor. En este momento empezarán, nuevamente, a descargarse repitiéndose el proceso.

Oscilador RC de desplazamiento de fase.

Este oscilador se utiliza para conseguir bajas frecuencias de oscilación, ya que el uso de bobinas o condensadores para conseguirlas supondría un gran tamaño y un gran coste.

El principio básico de funcionamiento de un oscilador RC de desplazamiento de fase es el de variar la fase de la señal de salida mediante células de resistencias y condensadores, consiguiendo un desfase total de 180º que, unidos a los 180º producidos por un transistor en emisor común, dan como resultado una señal en fase con la inicial, la cual al ser realimentada a la entrada del transistor es capaz de automantenerse, dando una salida senoidal de bastante calidad.

Vo

Célula básica RC.

Cada una de estas células desfasa la onda 60º, por lo que un oscilador RC deberá llevar tres células para crear un desfase de 180º.

0º 60º 120º 180º

Desfase de la señal al atravesar las diferentes células RC

Funcionamiento.

La resistencia R1 cumple la función de resistencia de colector del transistor y R4 es la resistencia de polarización de base que, a efectos prácticos y una vez iniciada la oscilación, puede considerarse unida al terminal positivo de alimentación.

La estabilidad térmica del transistor la proporciona R5, la cual está desacoplada en alterna por C4, condensador de alto valor. Por último, P, intercalado en la segunda célula, permite variar el desfase introducido por ésta, por lo que la frecuencia que satisface un desfase total de 180º también variará y, con ello, la frecuencia de oscilación del circuito.

Aunque a primera vista parece que la red desfasadora no está intercalada entre la salida y la entrada, es conveniente advertir que para corriente alterna la batería de alimentación no es un cortocircuito, estando, pues, el terminal positivo conectado a masa; por otra parte, el emisor también se encuentra conectado a masa mediante C4.

Oscilador RC desplazamiento de fase.

Circuito equivalente en alterna.

Analizando el circuito y despreciando las variaciones de carga, se demuestra que la frecuencia de oscilación responde a la expresión F= 1/2RC"2N en la que N es el número de células RC usadas.

En este circuito, al conectar la alimentación, los condensadores se encuentran descargados, por lo cual reflejan un aumento de tensión en la base del transistor que hace que éste comience a conducir hasta la saturación; por esto, la tensión de colector caerá hasta, aproximadamente, 0 voltios, permitiendo que C3, a través de R3, P y la unión base-emisor del transistor, se cargue.

La carga de C3 provoca que la Ib disminuye de una forma exponencial, por lo cual la tensión de colector crece de esta misma forma; C1, que se estaba cargando a través de R2 el circuito colector-emisor, cesa su carga y comienza el ciclo de descarga a través de R2 y R1. La descarga de C1 provoca una corriente que junto con la proveniente de la descarga de C3 hace que C2 se vea afectado por un paso de corriente que lo carga. Paralelamente a la descarga de C3, la Ib aumenta de valor, por lo que la tensión de salida disminuye, debido a la conducción del transistor.

En estas condiciones, el condensador C1 cesa su descarga, al igual que C3, por lo que C2 se descarga a través de R3, P y R2, iniciándose de nuevo el ciclo anterior con las cargas de C3 y C1.

Este sencillo proceso que permite el inicio de las oscilaciones no sería suficiente para mantenerlas pro simples cargas y descargas de condensadores, a causa de la menor amplitud de éstas cada vez; sin embargo, una vez iniciadas las oscilaciones, éstas se realimentan a través de la red RC con un desfase total neto de 0º, es decir, en fase, y por tanto, con realimentación positiva, por lo cual este proceso continúa hasta que se desconecte la alimentación del circuito.

Oscilador de relajación con U.J.T.

El UJT o transistor uniunión es un elemento semiconductor que consta de una barra de silicio tipo N en cuyos extremos se obtienen los terminales base 2 y base 1. En las proximidades de la base 2 se inserta material tipo P, dando lugar a una unión P-N de cuyo extremo libre se extrae el terminal llamado emisor. La zona tipo P está constituida por una barra de silicio interbases de tipo P, con inserción de material tipo N en la conexión del terminal de emisor.

Símbolo del UJT. Circuito equivalente al UJT.

Cálculos, esquemas y medidas.

Colpitts

F= 50 KHz

L= 1 mH

Amplificador

= 130

Icmax = 30 mA

Xc = 2fL

Xc = 6.28 · (50 ·103) · (1 · 10-3)

Xc= 314

Rc= Xc/2 = 157

Rc=150 

V = I · R

VRc = 30 · 10-3 A · 150 

VRc = 4.5 V

Ib = Ic/ = 30mA/130 = 0.2 mA

Ib = 0.2 mA

Ie = Ic+Ib

Ie = 30 mA + 0.2 mA

Ie = 30.2 mA

Ve = Ie · Re

Re = Rc para que la ganancia sea 1

Ve = 30.2 mA · 150 

Ve = 4.53 V

Vcc = Vce + Vrc + Ve = 6 + 4.5 + 4.53 = 15.03 V

Vcc = 15.03 V

Vb = Vbe + Ve

Vb = 0.7 + 4.53 = 5.23 V

Vb = 5.23 V

Vr2 = Vb = 5.23 V

Vr2 = 5.23 V

R2 = Vr2/I

I = 10Ib

R2 = 5.23 V / 2 mA = 2615 

R2 = 2615 

Vr1 = Vcc - Vr2

Vr1 = 15.03 - 5.23 = 9.8 V

Vr1 = 9.8 V

R1 = Vr1/I

R1 = 9.8 V / 2 mA

R1 = 4900 

Condensadores del circuito tanque.

F = 1 / (2)2LC

C = 1/LF(2)2

C = 10 nF

C(C1+C2) = C1C2

Si C1 = 33 nF

10(33 + C2) = 33C2

C2 = 330/23

C2 = 14.34 nF 15 nF

C2 = 15 nF

Con C1 = 33 nF y C2 = 15 nF F = 49615 Hz " 50 KHz

Medidas Colpitts.

Cálculos	Medidas
Vr1 = 9.8 V	Vr1 = 9.7 V
Vr2 = 5.23 V	Vr2 = 5.1 V
Vrc = 4.5 V	Vrc = 4.4 V
Vce = 6 V	Vce = 5.9 V
Ve = 4.53 V	Ve = 4.4 V

Esquema y componentes.

R1 = 4k7 

R2 = 2k7 

Re = 150 

L = 1 mH

C1 = 33 nF

C2 = 15 nF

T = BC548

Cálculos oscilador RC desplazamiento de fase.

F = 5 KHz

Hfe = 150

Hfe " 23 + 4Rc/R + 29R/Rc

Si Rc = 150 R = 600

150 " 23 + 4(150/600) + 29(600/150)

150 " 140

R = 600 590 

Rc = 150 

R = 590 

C = 1/2RF"(6 + 4Rc/R)

C = 53 47 nF

C = 47 nF

Amplificador

Re = 82 

Icq = 40 mA

Vre = Ic · Re

Vre= 40 mA · 82  = 3.28 V

Vre = 3.28 V

Vrc = Ic · Rc

Vrc = 40 mA · 150  = 6 V

Vrc = 6 V

Vr2 = Vb

Vb = Vce + Vre = 0.7 V + 3.28 V = 3.98 V

Vb = 3.98 V

Vcc = Vrc + Vce + Vre

Vcc = 6 V + 5 V + 3.28 V

Vcc = 14.28 V

Vr1 = Vcc - Vr2

Vr1 = 14.28 - 3.98

Vr1 = 10.3 V

R1 = Vr1/I

I = 10Ib

Ib = Ic/Hfe = 40 mA / 150 = 0.2 mA

I = 2 mA

R1 = 10.3 / 2mA = 5150 = 4K7

R1 = 4k7

R2 = Vr2 / I

R2 = 4 V / 2 mA = 2000 = 2k2

R2 = 2k2

Medidas RC

Cálculos	Medidas
Vr1 = 10.3	Vr1 = 11 V
Vr2 = 3.98 V	Vr2 = 4.2 V
Vrc = 6 V	Vrc = 5.9 V
Vce = 5 V	Vce = 5.2 V
Ve = 3.28 V	Ve = 4.1 V

Esquema y componentes oscilador RC

R1 = 4k7

R2 = 2k2

Rc = 150 

Re = 82 

T1 = BC548

C = 47 nF

R = 590 

Cálculos oscilador de relajación con UJT.

F = 350 Hz

Vcc = 15 V

R1 "100 47 

Rbb = 4 a 12 K 7 K

 = 0.51 a 0.81 0.7

Rv = 6k8 a 3 M 10 K

R2 = 0.7Rbb/Vcc + (1-)R1/ = 466.66 + 20.14 = 486.8 470 

R2 = 470 

F = 1/T

F = 350 Hz

T = 0.0028

T = Rv · C · Ln1/1- = Rv · C · 1.2 = 10K · 1.2 · C

C = T / 10K · 1.2

C= 238 nF 220 nF

C = 220 nF

Esquema, componentes y medidas.

R1 = 47 

R2 = 470 

Rv = 10 K

C = 220 nF

T1 = 2n2646

Frecuencia máxima 384 Hz Ve = 7.82 V

Frecuencia máxima 66 Hz Ve = 8.25 V

Forma de ondas obtenida en el oscilador de relajación:

Señal en el emisor (carga y descarga del condensador)

Base positiva

Base negativa