Oscil·ladors: Què són? (Definició, tipus i aplicacions)

Què és un Oscil·lador?

Un oscil·lador és un circuit que produeix una forma d'ona alternada contínua i repetida sense cap entrada. Els oscil·ladors, bàsicament, converteixen el flux de corrent unidireccional d'una font DC en una forma d'ona alternada de la freqüència desitjada, com ho decideixen els seus components de circuit.

El principi bàsic del funcionament dels oscil·ladors es pot entendre analitzant el comportament d'un circuit LC de tanca com el mostrat a la Figura 1 a continuació, que utilitza un inductor L i un condensador C completament carregat com a components. Aquí, primer, el condensador comença a descarregar-se a través de l'inductor, el que resulta en la conversió de la seva energia elèctrica en un camp electromagnètic que es pot emmagatzemar en l'inductor. Un cop el condensador s'ha descarregat completament, no hi haurà cap flux de corrent al circuit.

No obstant això, aleshores, el camp electromagnètic emmagatzemat hauria generat una contraelectromotança (cemf) que resultaria en el flux de corrent pel circuit en la mateixa direcció que abans. Aquest flux de corrent pel circuit continua fins que el camp electromagnètic col·lapsa, cosa que provoca la reconversió de l'energia electromagnètica en forma elèctrica, fent que el cicle es repeteixi. No obstant això, ara el condensador hauria estat carregat amb la polaritat oposada, degut al qual es genera una forma d'ona oscil·lant com a sortida.

No obstant això, les oscil·lacions que sorgeixen per la interconversió entre les dues formes d'energia no poden continuar per sempre ja que estarien subjectes a l'efecte de la pèrdua d'energia deguda a la resistència del circuit. Com a resultat, l'amplitud d'aquestes oscil·lacions disminueix de manera constant fins a arribar a zero, cosa que les fa atenuades per natura.

Això indica que per obtenir oscil·lacions contínues i d'amplitud constant, cal compensar la pèrdua d'energia. No obstant això, cal tenir en compte que l'energia suministrada ha de ser controlada de manera precisa i ha de ser igual a l'energia perduda per obtenir oscil·lacions d'amplitud constant.

Això és perquè, si l'energia suministrada és més gran que l'energia perduda, llavors l'amplitud de les oscil·lacions augmentarà (Figura 2a) provocant una sortida distorsionada; mentre que si l'energia suministrada és menor que l'energia perduda, llavors l'amplitud de les oscil·lacions disminuirà (Figura 2b) provocant oscil·lacions insostenibles.

Pràcticament, els oscil·ladors no són res més que circuits amplificadors que reben un retroalimentació positiva o regenerativa on una part de la senyal de sortida es retroalimenta a l'entrada (Figura 3). Aquí, l'amplificador consta d'un element activ amplificant que pot ser un transistor o un Op-Amp i la senyal retroalimentada en fase és responsable de mantenir (sostindre) les oscil·lacions compensant les pèrdues del circuit.

Un cop s'activa l'alimentació elèctrica, les oscil·lacions s'iniciaran en el sistema degut al soroll elèctric present en ell. Aquesta senyal de soroll viatja pel bucle, s'amplifica i convergeix a una sola ona sinusoïdal de freqüència molt ràpidament. L'expressió per a la ganancia en bucle tancat de l'oscil·lador mostrat a la Figura 3 es dóna com:

On A és la ganancia de tensió de l'amplificador i β és la ganancia de la xarxa de retroalimentació. Aquí, si Aβ > 1, llavors les oscil·lacions augmentaran en amplitud (Figura 2a); mentre que si Aβ < 1, llavors les oscil·lacions seran atenuades (Figura 2b). D'altra banda, Aβ = 1 porta a oscil·lacions d'amplitud constant (Figura 2c). En altres paraules, això indica que si la ganancia del bucle de retroalimentació és petita, llavors les oscil·lacions desapareixen, mentre que si la ganancia del bucle de retroalimentació és gran, llavors la sortida estarà distorsionada; i només si la ganancia de retroalimentació és unitària, llavors les oscil·lacions seran d'amplitud constant, portant a un circuit oscil·latori autoperpetuat.

Tipus d'Oscil·lador

Hi ha molts tipus d'oscil·ladors, però es poden classificar en dues categories principals - Oscil·ladors Harmònics (també coneguts com a Oscil·ladors Lineals) i Oscil·ladors de Relaxació.

En un oscil·lador harmònic, el flux d'energia és sempre des dels components actius als passius i la freqüència de les oscil·lacions està determinada per la via de retroalimentació.

Mentre que en un oscil·lador de relaxació, l'energia es canvia entre els components actius i els passius i la freqüència de les oscil·lacions es determina pels temps constants de càrrega i descàrrega involucrats en el procés. Més endavant, els oscil·ladors harmònics produeixen sortides de forma d'ona sinusoïdal amb baixa distorsió, mentre que els oscil·ladors de relaxació generen formes d'ona no sinusoidals (dents de sega, triangulars o quadrades).

Els tipus principals d'Oscil·ladors inclouen:

• Oscil·lador de Pont de Wien

• Oscil·lador de Desplaçament de Fase RC

• Oscil·lador Hartley

• Oscil·lador Controlat per Tensió

• Oscil·lador Colpitts

• Oscil·ladors Clapp

• Oscil·ladors de Cristall

• Oscil·lador Armstrong

• Oscil·lador de Colector Tunat

• Oscil·lador Gunn

• Oscil·ladors Acoblats Creuadament

• Oscil·ladors de Anell

• Oscil·ladors Dynatron

• Oscil·ladors Meissner

• Oscil·ladors Òptico-Electrònics

• Oscil·ladors Pierce

• Oscil·ladors Robinson

• Oscil·ladors Tri-tet

• Oscil·ladors Pearson-Anson

• Oscil·ladors de Línia de Retard

• Oscil·ladors Royer

• Oscil·ladors Acoblats Electrònics

• Oscil·ladors Multionda

Els oscil·ladors també es poden classificar en diversos tipus depenent del paràmetre considerat, és a dir, basant-se en el mecanisme de retroalimentació, la forma de la senyal de sortida, etc. Aquests tipus de classificacions s'han donat a continuació:

1. Classificació Basada en el Mecanisme de Retroalimentació: Oscil·ladors de Retroalimentació Positiva i Oscil·ladors de Retroalimentació Negativa.

2. Classificació Basada en la Forma de la Senyal de Sortida: Oscil·ladors de Sinusoide, Oscil·ladors de Senyal Quadrat o Rectangular, Oscil·ladors de Barreig (que produeixen una forma d'ona de dent de sega), etc.

3. Classificació Basada en la Freqüència de la Senyal de Sortida: Oscil·ladors de Baixa Freqüència, Oscil·ladors d'Àudio (la seva freqüència de sortida és de gamma d'àudio), Oscil·ladors de Freqüència de Ràdio, Oscil·ladors de Freqüència Alta, Oscil·ladors de Freqüència Molta Alta, Oscil·ladors de Freqüència Ultra Alta, etc.

4. Classificació Basada en el Tipus de Control de Freqüència Utilitzat: Oscil·ladors RC, Oscil·ladors LC, Oscil·ladors de Cristall (que utilitzen un cristall de quars per resultar en una forma d'ona de sortida estabilitzada en freqüència), etc.

5. Classificació Basada en la Natura de la Freqüència de la Senyal de Sortida: Oscil·ladors de Freqüència Fixa i Oscil·ladors de Freqüència Variable o Ajustable.

Aplicacions de l'Oscil·lador

Els oscil·ladors són una manera barata i fàcil de generar una freqüència específica d'una senyal. Per exemple, un oscil·lador RC s'utilitza per generar una senyal de baixa freqüència, un oscil·lador LC s'utilitza per generar una senyal de alta freqüència, i un oscil·lador basat en Op-Amp s'utilitza per generar una freqüència estable.

La freqüència d'oscil·lació es pot variar canviant