¿Qué es un oscilador?
Un oscilador es un circuito que produce una forma de onda continua, repetida y alterna sin ninguna entrada. Los osciladores básicamente convierten el flujo de corriente unidireccional de una fuente de corriente continua en una forma de onda alterna de la frecuencia deseada, según lo decidan sus componentes de circuito.
El principio básico del funcionamiento de los osciladores puede entenderse analizando el comportamiento de un circuito tanque LC que se muestra en la figura 1, que emplea un inductor L y una completamente precargada condensador C como sus componentes. Aquí, al principio, el condensador comienza a descargarse a través del inductor, lo que resulta en la conversión de su energía eléctrica en el campo electromagnético, que puede ser almacenado en el inductor. Una vez que el condensador se descarga completamente, no habrá flujo de corriente en el circuito.
Sin embargo, para entonces, el campo electromagnético almacenado habría generado un retroceso que resulta en el flujo de actual a través del circuito en la misma dirección que antes. Esta corriente que fluye a través del circuito continúa hasta que el campo electromagnético colapsa, lo que resulta en la reconversión de la energía electromagnética en forma eléctrica, causando que el ciclo se repita. Sin embargo, ahora el condensador se habría cargado con la polaridad opuesta, debido a lo cual se obtiene una forma de onda oscilante como salida.
Sin embargo, las oscilaciones que surgen debido a la inter-conversión entre las dos formas de energía no pueden continuar para siempre ya que estarían sujetas al efecto de la pérdida de energía debido a la resistencia del circuito. Como resultado, la amplitud de estas oscilaciones disminuye constantemente hasta llegar a cero, lo que hace que se amortiguen en la naturaleza.
Esto indica que para obtener las oscilaciones que son continuas y de amplitud constante, es necesario compensar la pérdida de energía. Sin embargo, hay que señalar que la energía suministrada debe ser controlada con precisión y debe ser igual a la energía perdida para obtener las oscilaciones de amplitud constante.
Esto se debe a que, si la energía suministrada es mayor que la energía perdida, entonces la amplitud de las oscilaciones aumentará (Figura 2a), lo que dará lugar a una salida distorsionada; mientras que si la energía suministrada es menor que la energía perdida, entonces la amplitud de las oscilaciones disminuirá (Figura 2b), lo que dará lugar a oscilaciones insostenibles.
Prácticamente, el osciladores no son más que los circuitos amplificadores que están provistos de una retroalimentación positiva o regenerativa en la que una parte de la señal de salida se retroalimenta a la entrada (Figura 3). Aquí el amplificador consiste en un amplificador elemento activo que puede ser un transistor o un Op-Amp y la señal de retroalimentación en fase es responsable de mantener (sostener) las oscilaciones compensando las pérdidas en el circuito.
Una vez que se enciende la fuente de alimentación, las oscilaciones se iniciarán en el sistema debido al ruido electrónico presente en él. Esta señal de ruido viaja por el bucle, se amplifica y converge en una onda sinusoidal de una sola frecuencia muy rápidamente. La expresión para la ganancia de lazo cerrado del oscilador que se muestra en la figura 3 se da como:
Donde A es el voltaje ganancia del amplificador y es la ganancia de la red de retroalimentación. Aquí, si A > 1, entonces las oscilaciones aumentarán en amplitud (Figura 2a); mientras que si A < 1, entonces las oscilaciones serán amortiguadas (Figura 2b). Por otro lado, A = 1 conduce a las oscilaciones que son de amplitud constante (Figura 2c). En otras palabras, esto indica que si la ganancia del bucle de retroalimentación es pequeña, entonces la oscilación se atenúa, mientras que si la ganancia del bucle de retroalimentación es grande, entonces la salida se distorsionará; y sólo si la ganancia de la retroalimentación es unitaria, entonces las oscilaciones serán de amplitud constante lo que conduce a un circuito oscilatorio autosostenido.
Tipo de oscilador
Hay muchos tipos de osciladores, pero en general pueden clasificarse en dos categorías principales: osciladores armónicos (también conocidos como osciladores lineales) y osciladores de relajación.
En un oscilador armónico, el flujo de energía siempre va de los componentes activos a los pasivos y la frecuencia de las oscilaciones se decide por el camino de la retroalimentación.
Mientras que en un oscilador de relajación, la energía se intercambia entre los componentes activos y pasivos y la frecuencia de las oscilaciones está determinada por las constantes de tiempo de carga y descarga que intervienen en el proceso. Además, los osciladores armónicos producen salidas de onda sinusoidal de baja distorsión, mientras que los osciladores de relajación generan formas de onda no sinusoidales (diente de sierra, triangulares o cuadradas).
Los principales tipos de osciladores incluyen:
- El oscilador del puente de Viena
- Oscilador de cambio de fase RC
- Oscilador Hartley
- Oscilador controlado por voltaje
- Oscilador Colpitts
- Osciladores de palmas
- Osciladores de cristal
- Oscilador Armstrong
- Oscilador colector sintonizado
- Oscilador Gunn
- Osciladores de acoplamiento cruzado
- Osciladores de anillo
- Osciladores Dynatron
- Osciladores Meissner
- Osciladores optoelectrónicos
- Osciladores Pierce
- Osciladores Robinson
- Osciladores Tri-tet
- Osciladores Pearson-Anson
- Osciladores de línea de retardo
- Osciladores Royer
- Osciladores acoplados a los electrones
- Osciladores multi-ondas
Los osciladores también pueden clasificarse en varios tipos dependiendo del parámetro considerado, es decir, basándose en el mecanismo de retroalimentación, la forma de la onda de salida, etc. Estos tipos de clasificación se han dado a continuación:
- Clasificación basada en el mecanismo de retroalimentación: Osciladores de retroalimentación positiva y negativa.
- Clasificación basada en la forma de la onda de salida: Osciladores de onda sinusoidal, osciladores de onda cuadrada o rectangular, osciladores de barrido (que producen una forma de onda de salida en diente de sierra), etc.
- Clasificación basada en la frecuencia de la señal de salida: Osciladores de baja frecuencia, osciladores de audio (cuya frecuencia de salida es de rango de audio), osciladores de radiofrecuencia, osciladores de alta frecuencia, osciladores de muy alta frecuencia, osciladores de ultra alta frecuencia, etc.
- Clasificación basada en el tipo de control de frecuencia utilizado: Osciladores RC, osciladores LC, osciladores de cristal (que utilizan un cristal de cuarzo para dar como resultado una forma de onda de salida estabilizada en frecuencia), etc.
- Clasificación basada en la naturaleza de la frecuencia de la forma de onda de salida: Osciladores de frecuencia fija y osciladores de frecuencia variable o sintonizable.
Aplicaciones del oscilador
Los osciladores son una forma barata y fácil de generar una frecuencia específica de una señal. Por ejemplo, un oscilador RC se utiliza para generar una señal de baja frecuencia, un oscilador LC se utiliza para generar una señal de alta frecuencia, y un oscilador basado en Op-Amp se utiliza para generar una frecuencia estable.
La frecuencia de la oscilación puede variarse variando el valor del componente con disposiciones de potenciómetro.
Algunas aplicaciones comunes de los osciladores incluyen:
- Los relojes de cuarzo (que utilizan un oscilador de cristal)
- Se utiliza en varios sistemas de audio y video
- Se utiliza en varios aparatos de radio, televisión y otros dispositivos de comunicación
- Se utiliza en computadoras, detectores de metales, pistolas aturdidoras, inversores, aplicaciones de ultrasonido y radiofrecuencia.
- Se utiliza para generar pulsos de reloj para microprocesadores y microcontroladores
- Se utiliza en alarmas y zumbidos
- Se usa en detectores de metales, pistolas aturdidoras, inversores y ultrasonidos
- Se utiliza para operar luces decorativas (por ejemplo, luces de baile)
