Neste post, vamos entender como os circuitos do oscilador LC funcionam e construiremos um dos populares osciladores baseados em LC – o oscilador Colpitts.
O que são osciladores
Os osciladores eletrônicos são usados na maioria dos nossos aparelhos eletrônicos usados diariamente, desde relógio digital até processador i7 core de ponta. Os osciladores são o coração de todos os circuitos digitais, mas não apenas os osciladores empregados do circuito digital, mas também os circuitos analógicos usam circuitos oscilatórios.
Para rádio AM, FM instantâneo, onde a oscilação de alta frequência é usada como sinal de portadora para transportar o sinal de mensagem.
Existem muitos tipos diferentes de osciladores, como RC, LC, cristal, etc. Cada um deles tem suas próprias vantagens e desvantagens. Portanto, não há nada chamado oscilador melhor ou ideal, temos que analisar as circunstâncias do nosso circuito e escolher o que melhor se adapte, é por isso que encontramos uma grande variedade de osciladores nos gadgets usados no dia a dia.
Osciladores LC
Vamos mergulhar na explicação do oscilador LC.
O oscilador LC consiste em um indutor e um capacitor como mostrado na figura abaixo.
O valor do capacitor e do resistor determina a oscilação de saída. Então, como eles geram oscilação?
Bem, precisamos aplicar energia externa entre L e C, ou seja, tensão. Quando aplicamos a tensão, o capacitor é carregado. Quando o fornecimento é cortado, a energia armazenada do capacitor flui para o indutor e o indutor começa a construir um campo magnético em torno dele até que o capacitor seja completamente descarregado.
Quando o capacitor está totalmente descarregado, o campo magnético ao redor do indutor colapsa e induz tensão e carrega o capacitor com polaridade oposta e o ciclo se repete.
A carga e descarga entre L e C produz oscilação e esta oscilação é chamada de frequência de ressonância. No entanto, a geração de frequência não durará para sempre devido à resistência parasita que dissipa a energia no circuito oscilatório na forma de calor.
Para manter a oscilação e usar a oscilação com força de saída razoável, precisamos de um amplificador com mudança de fase de zero grau e feedback.
O feedback alimenta uma pequena quantidade de saída do amplificador de volta para a rede LC para compensar a perda devido à resistência parasita e manter a oscilação. Assim, podemos gerar uma saída de onda senoidal estável.
Circuito de aplicação:
Aqui está um circuito oscilador colpitts que pode gerar cerca de 30Mhz de sinal.
Alguns fatores são essenciais para manter as oscilações em circuitos osciladores de cristal ressonante LC transistorizados. Primeiro, a tensão de realimentação que chega do coletor do transistor deve estar em fase com a tensão de excitação de entrada real que é inicialmente aplicada na base do transistor. Em outras palavras, o link de realimentação do circuito deve ser de natureza positiva ou regenerativa.
Em segundo lugar, a quantidade de energia de realimentação para a rede de base deve ser suficientemente forte para compensar as perdas de energia encontradas no circuito de base. Pode ser necessário avaliar a teoria de Q antes de falar sobre o funcionamento do oscilador. Q é descrito como uma magnitude de calibre em um circuito ressonante. Equivalente à reatância dividida pela resistência, o fator Q simboliza a capacidade do circuito de manter oscilações usando feedback mínimo. Para resumir, quanto maior o Q, maior a eficiência do estágio de ressonância do circuito. O Q inerente do quartzo pode ser de 10 milhões na frequência de 1 MHz. Mesmo que a magnitude Q para um cristal ressonador anexado seja diminuída para faixas de 20.000 a mais de um milhão, ainda está bem acima dos números que são muito superiores ao ressonador LC superior ou ao circuito tanque LC.
Oscilador LC com cristal
O Q extremamente grande do oscilador de cristal minimiza substancialmente o desvio de frequência desencadeado pela temperatura e pelas flutuações de tensão CC. Além disso, os osciladores controlados por cristal geram uma quantidade reduzida de ruído em comparação com os circuitos osciladores tradicionais baseados em tanque LC e, portanto, produzem um sinal de saída mais saudável. O oscilador de cristal mais fácil é composto de BJT solitário usando uma rede de feedback básica.
A Figura 1-a mostra um diagrama de blocos de um oscilador de cristal universal. Neste conceito, um amplificador baseado em NPN BJT pode ser visto configurado com três circuitos de realimentação. Presume-se que a polarização DC adequada esteja presente, embora não revelada no diagrama. A Figura 1-b é um circuito comparativo construído usando as peças L1 e C1, e C2 conforme mostrado. Cada circuito oscilador de cristal discutido abaixo é projetado para funcionar exatamente com a mesma topologia fundamental, usando um mínimo de dois capacitores e um indutor. O cristal pode ser visto como um elemento do circuito de realimentação.
Os capacitores C1 e C2 consistem em transistor residual e capacitância de junção. O capacitor C2 é semelhante a uma rede paralela de um indutor e um capacitor. Este par LC funciona como o terceiro seletor de harmônicos do cristal, uma vez que exibe natureza capacitiva apenas na frequência de harmônicos do cristal e propriedade indutiva em sua frequência fundamental. Portanto, um indutor posicionado em C2 inibe a oscilação na frequência fundamental do cristal. Juntamente com a amplificação e o feedback, um circuito oscilador também precisa de um fator limitante, que ocorre quando um aumento no sinal de entrada não resulta mais em um aumento no sinal de saída. Por causa disso, a saída do oscilador atinge um limite e continua nesse limite.
O oscilador controlado por cristal típico da Colpitts possui uma carga e especificações de ajuste rigorosas, enquanto os dois modelos semi-isolados são muito menos exigentes e são propostos como opções muito melhores para aplicações de uso geral. Caso você esteja procurando uma frequência de saída muito precisa, o oscilador de cristal Pierce é o que você deve optar. Por outro lado, se você quiser apenas experimentar coisas com osciladores, você pode perceber que o circuito Butler é capaz de oscilar sem depender de um cristal, e você pode testar os resultados usando um cristal dentro ou fora.
Osciladores General Colpitts
Algumas variações do oscilador controlado por cristal Colpitts são introduzidas neste artigo: o padrão e o semi-isolado. O circuito padrão, demonstrado na Fig. 2, depende das especificações de ambos, do cristal e da resistência de carga. Além disso, sua potência de saída é restrita a menos de 50% da potência de dissipação do cristal. No entanto, ainda é considerado um dos favoritos.
Os resistores R1, R2 e R3 fornecem a polarização DC ao transistor Q1. O potenciômetro R2 é usado para permitir até cerca de 1,5 miliamperes de corrente de emissor. Os capacitores C3, C4 e C6 funcionam como elementos de desvio para a frequência de rádio na frequência de trabalho do XTAL1 (fundamental ou harmônico).
O capacitor C2 opera como o circuito base de realimentação, equivalente ao capacitor C1 conforme explicado na Fig.1. Quando o circuito está trabalhando na frequência de operação do XTAL1, L1 e C5 exibem uma reatância capacitiva líquida e, portanto, funcionam como o capacitor de realimentação do circuito coletor, assim como C2 na Figura 1.
Quando os cristais de harmônicos são utilizados, L1 e C5 se comportam como um seletor de harmônicos, bloqueando a oscilação na frequência fundamental do cristal. O capacitor C1, que é um aparador ajustável, ajusta o componente de feedback L1. À medida que o valor de C1 é reduzido, a frequência de saída do oscilador aumenta.
Circuito oscilador RC simples
Um oscilador também pode ser construído usando apenas um resistor, rede de capacitores e um transistor. Aqui o terminal da base do transistor é mantido desconectado, apenas o emissor e o coletor são usados.
O diagrama de circuito completo para este oscilador RC pode ser visto na imagem a seguir:
Oscilador LC RF simples
O circuito apresentado na figura a seguir é um oscilador LC RF simples que pode funcionar bem entre cerca de 100kHz a 50MHz ou superior. O transistor TR1 é configurado como um seguidor de fonte, e o pequeno acoplamento através do enrolamento do indutor T1 é implementado para gerar um feedback positivo e para aumentar a tensão necessária para sustentar a oscilação.
O enrolamento primário de T1 junto com C3 formam o circuito sintonizado LC. Isso estabelece a frequência de operação do circuito oscilador LC. R1 funciona como a carga da fonte para TR1 na CC fornecida, no entanto, TR1 é desviado com uma CA através de C2, fazendo com que o enrolamento de acoplamento de T1 forme a carga da fonte real para Tr1.
O sinal de saída do oscilador é derivado através da fonte TR1 através do capacitor de bloqueio CC C1. O capacitor C4 funciona simplesmente como um capacitor de desacoplamento de alimentação. Caso seja esperado um oscilador de sintonia ajustável, C3 pode ser facilmente substituído por um capacitor variável, ou uma colaboração de capacitores fixos e variáveis para permitir a faixa de sintonia necessária.
Para oscilador LC de média e alta frequência, muitos amadores empregam bobinas prontas hoje em dia, e estas geralmente oferecem saídas de frequência melhoradas e muito mais previsíveis do que as bobinas básicas de enrolamento doméstico.
Para construir o T1 em casa, basta enrolar dois conjuntos de bobinas (6 a 1 e 8 a 9) uma acima da outra sobre uma pequena haste de ferrite. O número de voltas pode ser experimentado para obter diferentes saídas de frequência.
A principal coisa a lembrar é que a fase do enrolamento do acoplamento menor deve ser conectada corretamente, caso contrário, o circuito não oscilará. No entanto, a melhor técnica de conectar a bobina menor pode ser implementada apenas por meio de tentativa e erro.
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