CIRCUITOS OSCILADORES

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INSTITUTO TECNOLOGICO DE AGUASCAIENTES DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA ANALOGICA II

Investigacin Osciladores

MAESTRO: RAUL ANGEL ARELLANO TORRES ALUMNOS: JESUS ALEJANDRO SANTOS RESENDIZ N. DE CONTROL: 09150219 Aguascalientes, Ags. 29 de Julio 2011

CIRCUITOS OSCILADORES

El Oscilador es un circuito que genera una seal peridica, es decir, que produce una seal peridica a la salida sin tener ninguna entrada peridica. Los osciladores se clasifican en armnicos, cuando la salida es sinusoidal, o de relajacin, si generan una onda cuadrada. Un oscilador a cristal es un oscilador armnico cuya frecuencia est determinada por un cristal de cuarzo o una cermica piezoelctrica. Los sistemas de comunicacin suelen emplear osciladores armnicos, normalmente controlados por cristal, como oscilador de referencia. Pero tambin osciladores de frecuencia variable. La frecuencia se puede ajustar mecnicamente (condensadores o bobinas de valor ajustable) o aplicando tensin a un elemento, estos ltimos se conocen como osciladores controlados por tensin o VCO, es decir, osciladores cuya frecuencia de oscilacin depende del valor de una tensin de control. Y tambin es posible hallar osciladores a cristal controlados por tensin o VCXO. Parmetros del oscilador

y y y

Frecuencia: es la frecuencia del modo fundamental Margen de sintona, para los de frecuencia ajustable, es el rango de ajuste Potencia de salida y rendimiento. El rendimiento es el cociente entre la potencia de la seal de salida y la potencia de alimentacin que consume.

y

Nivel de armnicos: potencia del armnico referida a la potencia del fundamental, en dB

y y y

Pulling: variacin de frecuencia del oscilador al variar la carga Pushing: variacin de frecuencia del oscilador al variar la tensin de alimentacin Deriva con la temperatura: variacin de frecuencia del oscilador al variar la temperatura

y y

Ruido de fase o derivas instantneas de la frecuencia Estabilidad de la frecuencia a largo plazo, durante la vida del oscilador

OSCILADORES COLPITTS Y HARTLEY:

Son dos esquemas clsicos de oscilador para comunicaciones con un nico elemento activo, que puede ser un BJT o un MOSFET. Los circuitos equivalentes para c.a. de las versiones con BJT estn representados en la figura siguiente:

El Colpitts emplea dos condensadores y una bobina en la red de realimentacin, mientras que el Hartley emplea dos bobinas y un condensador. El anlisis de estos osciladores es similar. OSCILADOR COLPITTS

El oscilador Colpitts es un circuito electrnico basado en un oscilador LC diseado por Edwin H. Colpitts. Se trata de un oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una seal de frecuencia determinada sin que exista una entrada. Oscilador Colpitts. La figura 2-6a muestra el diagrama esquemtico de un oscilador Colpitts. La operacin de un oscilador Colpitts es muy similar a la de Hartley excepto que un divisor capacitivo se utiliza en lugar de una bobina especial. Q1 proporciona la

amplificacin, Cc proporciona la ruta para la retroalimentacin regenerativa, L1, C1a y C1b son los componentes para determinar la frecuencia, y Vcc es la fuente de voltaje de c.c. La figura 2-6b muestra el circuito equivalente para el oscilador Colpitts. C2 es el capacitor de bloqueo que evita que aparezca la fuente de voltaje de colector en la salida. El RFC es

nuevamente un corto en c.c. La figura 2-6c muestra el circuito equivalente de ca para el oscilador Colpitts. Cc es un capacitor de acoplamiento en ca y proporciona la ruta de retroalimentacin regenerativa del circuito tanque a la base de Q1. El RFC est abierto en ca y desacopla las oscilaciones a partir de la fuente de voltaje en c.c. La operacin del oscilador Colpitts es casi idntica a la del oscilador Hartley. En el arranque inicial, aparece ruido en el colector de Q1 y suministra energa al circuito tanque, haciendo que empiece a oscilar. C1a y C1b constituyen un divisor de voltaje en ca. El voltaje que se deja caer a travs de C1b se retroalimenta a la base de Q1 hasta Cc. Hay un cambio de fase de 180 de la base al colector de Q1 y un cambio de fase adicional de 180 a travs de C1. En consecuencia, el cambio total de fase es de 360 y la seal de retroalimentacin es regenerativa. La relacin de C1a a C1a + C1b determina la amplitud de la seal de retroalimentacin.

Anlisis A partir de los criterios de Barkhausen y del modelo equivalente del transistor se pueden obtener las siguientes expresiones: Frecuencia de oscilacin:

La condicin de arranque para que el circuito empiece a oscilar espontneamente es la siguiente: si el transistor utilizado es un BJT:

gm > 0

si el transistor utilizado es un FET:

Este oscilador se utiliza para bandas de VHF (Very High Frecuency), frecuencias que van de 1 MHz a 30 MHz La frecuencia de oscilacin de este tipo de oscilador est dada por:

Donde: Ceq =

C1 C 2 C1 C 2

L = L1

OSCILADOR HARTLEY

El oscilador Hartley es un circuito electrnico basado en un oscilador LC. Se trata de un oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una seal de frecuencia determinada sin que exista una entrada.

En este tipo de osciladores, en lugar de L1 y L2 por separado, se suele utilizar una bobina con toma intermedia. La figura 2-5a muestra el diagrama esquemtico de un oscilador Hartley. El amplificador transistorizado (Q1) proporciona la amplificacin necesaria para una ganancia de voltaje de lazo unitaria a frecuencia de resonancia. El capacitor de acoplamiento (Cc) proporciona la ruta para la retroalimentacin regenerativa. L1 y C1, son los componentes que determinan la frecuencia, y Vcc es la fuente de voltaje de c.c. La figura 2-5b muestra el circuito equivalente en c.c. para el oscilador Hartley. Cc es un capacitor de bloqueo que asla el voltaje de polarizacin de base de c.c. y evita que haga un corto a tierra a travs de L1b. C2 tambin es un capacitor de bloqueo para evitar que la fuente de voltaje del colector haga corto a tierra a travs de L1a. El choque de radiofrecuencia (RFC) es un corto en c.c. La figura 2-5c muestra el circuito equivalente de ca para el oscilador Hartley. Cc es un capacitor de acoplamiento de ca y proporciona una ruta de retroalimentacin positiva del circuito tanque a la base de Q1. C2 acopla las seales de ca del colector de Q1 al circuito tanque. El RFC presenta un circuito abierto en ca, en consecuencia aislando la fuente de poder de c.c. de las oscilaciones en ca. El oscilador Hartley opera como sigue:

En el arranque inicial, aparece una multitud de frecuencias en el colector de Q1 y se acoplan a travs de C2 dentro del circuito tanque. El ruido inicial proporciona la energa necesaria para cargar C1. Una vez que se ha cargado parcialmente C1 empieza la accin del oscilador. El circuito tanque solamente oscilar de manera eficiente en su frecuencia de resonancia. Una porcin del voltaje del circuito tanque oscilante se deja caer a travs de L1b y se retroalimenta nuevamente a la base de Q1 donde se amplifica. La seal amplificada aparece en el colector 180 fuera de fase con la seal de base. Se realiza un desplazamiento adicional de fase de 180 a travs L1; en consecuencia, la

seal que se retroalimenta nuevamente a la base de Q1 se amplifica y se desplaza en fase a 360. Por lo tanto, el circuito es regenerativo y mantendr las oscilaciones sin seal de entrada externa. La proporcin de energa oscilatoria que se retroalimenta a la base de Q1 se determina por la razn de L1b a la induccin total (L1a + L1 b ) Si se retroalimenta insuficiente energa, las oscilaciones se amortiguan. Si se retroalimenta energa en exceso, el transistor se satura. Por lo tanto, la posicin de L1 se ajusta hasta que la cantidad de energa de retroalimentacin sea exactamente la requerida para una ganancia de voltaje de lazo unitario y continuarn las oscilaciones.

Anlisis

A partir de los criterios de Barkhausen y del modelo equivalente de parmetros h del transistor se pueden obtener las siguientes expresiones que describen el comportamiento de un oscilador Hartley: Frecuencia de oscilacin:

Condicin arranque: Si el transistor utilizado es un BJT:

Si el transistor utilizado es un FET: gm > 0

La frecuencia de oscilacin de este tipo de oscilador est dada por:

M es la inductancia mutua entre L1 y L2.

Este tipo de oscilador es muy utilizado en receptores de radio con transistores adaptndose con facilidad a una gran gama de frecuencias. Para su funcionamiento este circuito utiliza una bobina con derivacin central.

TRANSISTOR MONOUNION (UJT).

El transistor monojuntura (UJT, unijunction transistor) es un dispositivo de conmutacin del tipo ruptura. Sus caractersticas lo hacen muy til en muchos circuitos industriales, incluyendo temporizadores, osciladores, generadores de onda, y ms importante an, en circuitos de control de puerta para SCR y TRIACs. Desde el punto de vista del funcionamiento, no hay similitud entre el emisor de un UJT y el emisor de un transistor bipolar. En realidad, los nombres de las terminales obedecen a su funcionamiento interno, el cual considera la accin de los portadores de carga, pero el funcionamiento interno del dispositivo no es de importancia para nosotros. Cuando el voltaje entre emisor y base1 Veb1, es menor que un cierto valor denominado voltaje de pico, Vp, el UJT est CORTADO, y no puede fluir corriente de E a B1 (Ie=0). Cuando Veb1 sobrepasa a Vp en una pequea cantidad, el UJT se dispara o CONDUCE. Cuando esto sucede, el circuito E a B1 es prcticamente un cortocircuito, y la corriente

fluye instantneamente de un terminal a otro. En la mayora de los circuitos con UJT, el pulso de corriente de E a B1 es de corta duracin, y el UJT rpidamente regresa al estado de CORTE. El transistor monounin (UJT) se utiliza generalmente para generar seales de disparo en los SCR. En la fig.1 se muestra un circuito bsico de disparo UJT. Un UJT tiene tres terminales, conocidas como emisor E, base1 B1 y base2 B2. Entre B1 y B2 la monounin tiene las caractersticas de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases RBB teniendo valores en el rango de 4.7 y 9.1 K). Cuando se aplica el voltaje de alimentacin Vs en cd, se carga el capacitor C a travs de la resistencia R, dado que el circuito emisor del UJT est en estado abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es T1=RC. Cuando el voltaje del emisor VE, el mismo que el voltaje del capacitor llega a un valor pico Vp, se activa el UJT y el capacitor se descarga a travs de RB1 a una velocidad determinada por la constante de tiempo T2=RB1C. T2 es mucho menor que T1. Cuando el voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga. El voltaje de disparo VB1 debe disearse lo suficientemente grande como para activar el SCR. El periodo de oscilacin, T, es totalmente independiente del voltaje de alimentacin Vs y est dado por: T = 1/f = RC ln 1/1-n

Figura 1

TRANSISTOR MONOUNION PROGRAMABLE.

El transistor monounin programable (PUT) es un pequeo tiristor que aparece en la fig.3. Un PUT se puede utilizar como un oscilador de relajacin, tal y como se muestra en la fig.3b. El voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentacin mediante el divisor resistivo del voltaje R1 y R2, y determina el voltaje de punto de pico Vp. En el caso del UJT, Vp est fijo para un dispositivo por el voltaje de alimentacin de cd, pero en un PUT puede variar al modificar al modificar el valor del divisor resistivo R1 y R2. Si el voltaje del nodo VA es menor que el voltaje de compuerta VG, le dispositivo se conservar en su estado inactivo, pero si el voltaje de nodo excede al de compuerta en una cada de voltaje de diodo VD, se alcanzar el punto de pico y el dispositivo se activar. La corriente de pico Ip y la corriente del punto de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta RG = R1R2/(R1+R2) y del voltaje de alimentacin en cd Vs. En general Rk est limitado a un valor por debajo de 100 Ohms. R y C controlan la frecuencia junto con R1 y R2. El periodo de oscilacin T est dado en forma aproximada por: T = 1/f = RC lnVs/Vs-Vp = RC ln (1+R2/R1)

Figura 2 Oscilador de relajacin con UJT RT (resistencia de carga de CT): De ellos depende la frecuencia de oscilacin. UJT: Proporciona el impulso VOB1 a la puerta del SCR. R1: Proporciona un paso a la corriente de base del UJT (IBB) antes de dispararlo. Evita que IBB circule por la puerta del SCR produciendo un disparo indeseado. Valor: El necesario para que VGK est por debajo de la mnima tensin de disparo. R2: Estabiliza el funcionamiento del dispositivo frente a aumentos de temperatura.

Calculo de RT: Se calcula a partir de la caracterstica del UJT (figura de en medio) en la que representan las 2 rectas de carga correspondientes a los valores limites de RT.

Periodo de oscilacin TD: Sabiendo que toff=tiempo de carga de C y ton=tiempo de descarga, aplicamos logaritmos a la ecuacin de carga C: la ecuacin de la constante de tiempo. Como: , obteniendo

Calculo de R1:

Calculo de R2: Su valor no es crtico y suele estar entre 100 y 330W . Calculo de VOB1: A partir de la grfica se relaciona la tensin de salida con la capacidad del condensador para una determinada resistencia de R1.

Conclusiones

La descripcin de los sistemas nos da un amplio espectro para poder prescindir de un generador de seales ya que podemos crear alguna seal a nuestras necesidades con pocos elementos. Comparando los dos osciladores como son Colpitts y Hartley podemos decir que el segundo es un poco mas difcil de utilizar ya que se necesitan disear con una derivacin centra una bobina en cambio el Colpitts se utilizan bobinas por separado, adems de que los son basados en un sistema LC. Estos sistemas retroalimentados no necesitan de una entrada que los excite as que estarn resonando mientras sean alimentados.