Osciladores Sinusoidales

Transcripción

1 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 1

2 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, 2

3 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. 3

4 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 L BL 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. 4

5 RF Spectrum Ranges Range Name Abbreviation Range Very Low VLF 3 khz - 30 khz Low LF 30 khz khz Medium MF 300 khz - 3 High HF 3-30 Very High VHF Ultra High UHF Super High 3-30 SHF Extremely High EHF 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. 5