Osciladores: ¿Qué son? (Definición, Tipos y Aplicaciones)
¿Qué es un Oscilador?
Un oscilador es un circuito que produce una forma de onda alternante continua y repetitiva sin necesidad de ninguna entrada. Los osciladores básicamente convierten el flujo de corriente unidireccional de una fuente de CC en una forma de onda alternante de la frecuencia deseada, según lo determinen sus componentes del circuito.
El principio básico detrás del funcionamiento de los osciladores se puede entender analizando el comportamiento de un circuito LC de tanque como se muestra en la Figura 1 a continuación, que emplea un inductor L y un capacitor C completamente precargado como sus componentes. Aquí, en primer lugar, el capacitor comienza a descargarse a través del inductor, lo que resulta en la conversión de su energía eléctrica en un campo electromagnético que se puede almacenar en el inductor. Una vez que el capacitor se descarga completamente, no habrá flujo de corriente en el circuito.
Sin embargo, para entonces, el campo electromagnético almacenado habrá generado una contraelectromotriz (CEM) que resulta en el flujo de corriente a través del circuito en la misma dirección que antes. Este flujo de corriente 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 capacitor habrá sido 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 interconversión 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 convertirse en cero, lo que las hace amortiguadas en su naturaleza.
Esto indica que, para obtener oscilaciones continuas y de amplitud constante, es necesario compensar la pérdida de energía. No obstante, es importante tener en cuenta que la energía suministrada debe controlarse con precisión y debe ser igual a la energía perdida para obtener 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) llevando 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) llevando a oscilaciones insostenibles.
Prácticamente, los osciladores no son más que circuitos amplificadores que se proporcionan con un retroalimentación positiva o regenerativa, donde una parte de la señal de salida se retroalimenta a la entrada (Figura 3). Aquí, el amplificador consiste en un elemento activo amplificador que puede ser un transistor o un Op-Amp y la señal retroalimentada en fase es responsable de mantener (sostener) las oscilaciones compensando las pérdidas en el circuito.
Una vez que se enciende la alimentación, las oscilaciones se iniciarán en el sistema debido al ruido electrónico presente en él. Esta señal de ruido viaja alrededor del bucle, se amplifica y converge rápidamente a una onda senoidal de una sola frecuencia. La expresión para la ganancia en bucle cerrado del oscilador mostrado en la Figura 3 se da como:
Donde A es la ganancia de tensión del amplificador y β es la ganancia de la red de retroalimentación. Aquí, si Aβ > 1, entonces las oscilaciones aumentarán en amplitud (Figura 2a); mientras que si Aβ < 1, entonces las oscilaciones serán amortiguadas (Figura 2b). Por otro lado, Aβ = 1 conduce a oscilaciones de amplitud constante (Figura 2c). En otras palabras, esto indica que si la ganancia del bucle de retroalimentación es pequeña, entonces la oscilación desaparece, mientras que si la ganancia del bucle de retroalimentación es grande, entonces la salida estará distorsionada; y solo si la ganancia de la retroalimentación es unidad, entonces las oscilaciones tendrán amplitud constante, lo que lleva a un circuito oscilatorio autosostenido.
Tipo de Oscilador
Existen muchos tipos de osciladores, pero se pueden clasificar ampliamente 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 está determinada por la ruta de retroalimentación.
Por otro lado, en un oscilador de relajación, la energía se intercambia entre los componentes activos y pasivos y la frecuencia de las oscilaciones se determina por las constantes de tiempo de carga y descarga involucradas en el proceso. Además, los osciladores armónicos producen salidas de onda senoidal de baja distorsión, mientras que los osciladores de relajación generan formas de onda no sinusoidales (diente de sierra, triangular o cuadrada).
Los principales tipos de Osciladores incluyen:
Oscilador Puente de Wien
Oscilador de Desfase RC
Oscilador Hartley
Oscilador Controlado por Voltaje
Oscilador Colpitts
Osciladores Clapp
Osciladores de Cristal
Oscilador Armstrong
Oscilador de Colector Sintonizado
Oscilador Gunn
Osciladores Acoplados Cruzados
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 Electrónicamente
Osciladores Multifrecuencia
Los osciladores también se pueden clasificar 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 Osciladores de Retroalimentación Negativa.
Clasificación Basada en la Forma de la Onda de Salida: Osciladores de Onda Senoidal, Osciladores de Onda Cuadrada o Rectangular, Osciladores de Barrido (que producen una onda de salida 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 Frecuencia de Radio, 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 resultar en una onda de salida estabilizada en frecuencia), etc.
Clasificación Basada en la Naturaleza de la Frecuencia de la Onda de Salida: Osciladores de Frecuencia Fija y Osciladores de Frecuencia Variable o Ajustable.
Aplicaciones de Osciladores
Los osciladores son una forma barata y sencilla 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 oscilación puede variarse variando el valor del componente con arreglos de potenciómetro.
Algunas aplicaciones comunes de los osciladores incluyen:
Relojes de cuarzo (que usan un oscilador de cristal)
Usados en diversos sistemas de audio y video
Usados en diversos dispositivos de radio, TV y otras comunicaciones
Usados en computadoras, detectores de metales, pistolas paralizantes, inversores, aplicaciones ultrasonoras y de radiofrecuencia.
Usados para generar pulsos de reloj para microprocesadores y microcontroladores
Usados en alarmas y z
