Osciladores.

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
1
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.
2
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
3
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
4
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
5
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
6
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
7
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.
8
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
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