Osciladores: O que são? (Definição Tipos e Aplicações)
O que é um Oscilador?
Um oscilador é um circuito que produz uma forma de onda alternada contínua e repetida sem qualquer entrada. Os osciladores basicamente convertem o fluxo de corrente unidirecional de uma fonte CC em uma forma de onda alternada da frequência desejada, conforme determinado pelos componentes do circuito.
O princípio básico por trás do funcionamento dos osciladores pode ser compreendido analisando o comportamento de um circuito LC mostrado na Figura 1 abaixo, que emprega um indutor L e um capacitor C totalmente pré-carregado como seus componentes. Aqui, inicialmente, o capacitor começa a descarregar através do indutor, resultando na conversão de sua energia elétrica no campo eletromagnético, que pode ser armazenado no indutor. Uma vez que o capacitor se descarrega completamente, não haverá fluxo de corrente no circuito.
No entanto, até então, o campo eletromagnético armazenado teria gerado uma contra-emf, resultando no fluxo de corrente no circuito na mesma direção que antes. Este fluxo de corrente no circuito continua até que o campo eletromagnético colapse, resultando na reconversão da energia eletromagnética em forma elétrica, fazendo com que o ciclo se repita. No entanto, agora o capacitor estaria carregado com polaridade oposta, devido à qual se obtém uma forma de onda oscilante como saída.
No entanto, as oscilações que surgem devido à interconversão entre as duas formas de energia não podem continuar para sempre, pois estarão sujeitas ao efeito de perda de energia devido à resistência do circuito. Como resultado, a amplitude dessas oscilações diminui gradualmente até se tornar zero, o que as torna amortecidas.
Isso indica que, para obter oscilações contínuas e de amplitude constante, é necessário compensar a perda de energia. No entanto, é importante notar que a energia fornecida deve ser controlada com precisão e deve ser igual à energia perdida para obter oscilações com amplitude constante.
Isso ocorre porque, se a energia fornecida for maior que a energia perdida, a amplitude das oscilações aumentará (Figura 2a), levando a uma saída distorcida; enquanto se a energia fornecida for menor que a energia perdida, a amplitude das oscilações diminuirá (Figura 2b), levando a oscilações insustentáveis.
Na prática, os osciladores são nada mais que circuitos amplificadores que recebem um feedback positivo ou regenerativo, onde parte do sinal de saída é alimentada de volta à entrada (Figura 3). Aqui, o amplificador consiste em um elemento ativo amplificador que pode ser um transistor ou um Op-Amp e o sinal retroalimentado em fase é responsável por manter (sustentar) as oscilações, compensando as perdas no circuito.
Assim que a alimentação de energia é ligada, as oscilações serão iniciadas no sistema devido ao ruído eletrônico presente nele. Este sinal de ruído viaja pelo loop, é amplificado e converge rapidamente para uma onda senoidal de única frequência. A expressão para o ganho em malha fechada do oscilador mostrado na Figura 3 é dada por:
Onde A é o ganho de tensão do amplificador e β é o ganho da rede de feedback. Aqui, se Aβ > 1, as oscilações aumentarão em amplitude (Figura 2a); enquanto se Aβ < 1, as oscilações serão amortecidas (Figura 2b). Por outro lado, Aβ = 1 leva a oscilações de amplitude constante (Figura 2c). Em outras palavras, isso indica que, se o ganho do loop de feedback for pequeno, as oscilações desaparecerão, enquanto se o ganho do loop de feedback for grande, a saída será distorcida; e apenas se o ganho do feedback for unitário, as oscilações terão amplitude constante, levando a um circuito oscilatório autossustentável.
Tipo de Oscilador
Existem muitos tipos de osciladores, mas podem ser classificados em duas categorias principais – Osciladores Harmônicos (também conhecidos como Osciladores Lineares) e Osciladores de Relaxação.
Em um oscilador harmônico, o fluxo de energia é sempre dos componentes ativos para os passivos e a frequência das oscilações é determinada pelo caminho de feedback.
Já em um oscilador de relaxação, a energia é trocada entre os componentes ativos e passivos e a frequência das oscilações é determinada pelas constantes de tempo de carga e descarga envolvidas no processo. Além disso, os osciladores harmônicos produzem saídas de onda senoidal pouco distorcidas, enquanto os osciladores de relaxação geram formas de onda não sinusoidais (dente de serra, triangular ou quadrada).
Os principais tipos de Osciladores incluem:
Oscilador Ponte de Wien
Oscilador de Deslocamento de Fase RC
Oscilador Hartley
Oscilador Controlado por Tensão
Oscilador Colpitts
Osciladores Clapp
Osciladores de Cristal
Oscilador Armstrong
Oscilador Coletor Sintonizado
Oscilador Gunn
Osciladores Acoplados Cruzados
Osciladores de Anel
Osciladores Dinatron
Osciladores Meissner
Osciladores Eletro-Ópticos
Osciladores Pierce
Osciladores Robinson
Osciladores Tri-Tet
Osciladores Pearson-Anson
Osciladores de Linha de Retardo
Osciladores Royer
Osciladores Acoplados por Elétron
Osciladores Multi-Onda
Os osciladores também podem ser classificados em vários tipos dependendo do parâmetro considerado, isto é, com base no mecanismo de feedback, na forma da onda de saída, etc. Esses tipos de classificação são apresentados abaixo:
Classificação Baseada no Mecanismo de Feedback: Osciladores de Feedback Positivo e Osciladores de Feedback Negativo.
Classificação Baseada na Forma da Onda de Saída: Osciladores de Onda Senoidal, Osciladores de Onda Quadrada ou Retangular, Osciladores de Varredura (que produzem onda de saída em dente de serra), etc.
Classificação Baseada na Frequência do Sinal de Saída: Osciladores de Baixa Frequência, Osciladores de Áudio (cuja frequência de saída está na faixa de áudio), Osciladores de Frequência de Rádio, Osciladores de Alta Frequência, Osciladores de Muito Alta Frequência, Osciladores de Ultra Alta Frequência, etc.
Classificação Baseada no Tipo de Controle de Frequência Utilizado: Osciladores RC, Osciladores LC, Osciladores de Cristal (que usam um cristal de quartzo para resultar em uma onda de saída estabilizada em frequência), etc.
Classificação Baseada na Natureza da Frequência da Onda de Saída: Osciladores de Frequência Fixa e Osciladores de Frequência Variável ou Ajustável.
Aplicações de Osciladores
Os osciladores são uma maneira barata e fácil de gerar uma frequência específica de um sinal. Por exemplo, um oscilador RC é usado para gerar um sinal de baixa frequência, um oscilador LC é usado para gerar um sinal de alta frequência, e um oscilador baseado em Op-Amp é usado para gerar uma frequência estável.
A frequência de oscilação pode ser variada alterando o valor do componente com arranjos de potenciômetro.
Alguns aplicativos comuns de osciladores incluem:
Relógios de quartzo (que usam um oscilador de cristal)
Usados em diversos sistemas de áudio e vídeo
Usados em diversos dispositivos de comunicação, como rádio, TV, e outros
Usados em computadores, detectores de metais, pistolas paralisantes, inversores, aplicações ultrassônicas e de rádio frequência.
Usados para gerar pulsos de clock para microprocessadores e microcontroladores
Usados em alarmes e zumbidores
Usados em detectores de metais, pistolas paralisantes, inversores, e ultrassom
Usados para oper
