Tipos de osciladores Osciladores de circuito sintonizado Os projetos mais comuns empregam indutores e capacitores em várias configurações para formar feedback positivo em componentes ativos. Os osciladores Hartley usam um circuito sintonizado composto por um capacitor e dois indutores conectados em série. Na freqüência crítica, o feedback é positivo e o circuito oscila. O capacitor variável pode ser usado para permitir o ajuste da freqüência do oscilador. Semelhante ao design Hartley é o oscilador Colpitts que usa um circuito de feedback composto por um único indutor e dois capacitores. Os osciladores Colpitts que utilizam circuitos sintonizados em série em vez de paralelos para o seu feedback são chamados de osciladores Clapp. Este design permite uma grande quantidade de indutância em relação à capacitância. Isso dá ao circuito sintonizado uma seletividade de alta freqüência (conhecida como fator Q), o que reduz a tendência para que a frequência do oscilador se desvie. O oscilador é inerentemente mais estável porque as indutâncias dispersas são muito menores do que o indutor no circuito e, portanto, têm menos impacto na freqüência. Osciladores de cristal Os osciladores de cristal (conhecidos como XOs) dependem de um cristal de quartzo piezoelétrico para a sua ressonância, que determina a freqüência em que eles oscilam. Os cristais são especialmente cortados com dimensões precisas para que eles oscilem em freqüências específicas. Devido à seletividade de freqüência superior do cristal, a freqüência do oscilador é extremamente estável e precisa. Os osciladores de cristal são usados para relógios eletrônicos e em outras aplicações onde a precisão extrema é necessária. Eles não são apenas mais precisos do que circuitos usando circuitos indutivos e capacitivos, eles oscilam em freqüências muito mais altas do que podem ser alcançadas de forma confiável com o design do circuito sintonizado. Para uma estabilidade ainda maior, o cristal pode ser contido em uma caixa aquecida chamada um forno para mantê-lo a uma temperatura constante para remover a deriva de temperatura. Esse dispositivo é conhecido como um oscilador de cristal com temperatura controlada (TCXO). Contas de demonstração Forex grátis ilimitadas. Abra uma conta gratuitamente aqui Os Osciladores Controlados por Tensão (VCOs) são feitos com um elemento de circuito que altera suas características em resposta a uma tensão aplicada. Desta forma, a frequência do oscilador pode ser controlada manual ou automaticamente. O elemento de sintonia é geralmente um diodo varactor cuja capacitância varia com a tensão que lhe é aplicada. Controle de Drift Para melhorar a estabilidade de um oscilador, os circuitos adicionais às vezes são incorporados para compensar erros. A freqüência de saída pode ser monitorada e controlada automaticamente para manter a freqüência em um valor atribuído. O método mais comum empregado para esta função é o loop de bloqueio de fase. Outros elementos do circuito que reagem às mudanças de temperatura podem fornecer uma compensação para manter a freqüência mais constante. Um oscilador eletrônico é um circuito eletrônico que produz um sinal eletrônico repetitivo, muitas vezes uma onda senoidal ou uma onda quadrada. Um oscilador de baixa freqüência (LFO) é um oscilador eletrônico que gera uma forma de onda AC entre 0,1 Hz e 10 Hz. Este termo é tipicamente usado no campo de sintetizadores de áudio, para distingui-lo de um oscilador de freqüência de áudio. Tipos de oscilador eletrônico Existem dois tipos principais de oscilador eletrônico: o oscilador harmônico e o oscilador de relaxamento. Oscilador harmônico O oscilador harmônico produz uma saída sinusoidal. A forma básica de um oscilador harmônico é um amplificador eletrônico com a saída anexada a um filtro eletrônico de banda estreita e a saída do filtro anexado à entrada do amplificador. Quando a fonte de alimentação do amplificador é inicialmente ligada, a saída dos amplificadores consiste apenas em ruído. O ruído viaja ao redor do circuito, sendo filtrado e re-amplificado até se parecer mais com o sinal desejado. Um cristal piezoelétrico (geralmente quartzo) pode ser acoplado ao filtro para estabilizar a freqüência de oscilação, resultando em um oscilador de cristal. Há muitas maneiras de implementar osciladores harmônicos, porque existem diferentes maneiras de amplificar e filtrar. Por exemplo: 8226 Oscilador Armstrong 8226 Oscilador Hartley 8226 Oscilador Colpitts 8226 Oscilador Clapp 8226 Oscilador Pierce (cristal) 8226 Oscilador de fase-deslocamento Oscilador 8226 RC (Wien Bridge e Twin-T) 8226 oscilador LC cruzado 8226 Oscilador Vak Oscilador relaxante O relaxamento O oscilador é freqüentemente usado para produzir uma saída não sinusoidal, como uma onda quadrada ou dente de serra. O oscilador contém um componente não linear, como um transistor que descarrega periodicamente a energia armazenada em um capacitor ou indutor, causando mudanças abruptas na forma de onda de saída. Os osciladores de relaxamento de onda quadrada podem ser usados para fornecer o sinal de relógio para circuitos lógicos seqüenciais, como temporizadores e contadores, embora os osciladores de cristal sejam freqüentemente preferidos por sua maior estabilidade. Os osciladores de onda triangular ou de dente de dente são usados nos circuitos de base de tempo que geram os sinais de deflexão horizontal para tubos de raios catódicos em osciloscópios analógicos e aparelhos de televisão. Em geradores de função, esta onda de triângulo mays então será moldada em uma aproximação próxima de uma onda senoidal. Outros tipos de osciladores de relaxamento incluem o multivibrador e o oscilador de onda rotativo WAVE GENERATORS desempenham um papel proeminente no campo da eletrônica. Eles geram sinais de alguns hertz para vários gigahertz (10 9 hertz). Os geradores de onda modernos usam muitos circuitos diferentes e geram tais saídas como formas de ondas SINUSOIDAL, SQUARE, RECTANGULAR, SAWTOOTH e TRAPEZOIDAL. Estas formas de ondas servem muitos propósitos úteis nos circuitos eletrônicos que você estará estudando. Por exemplo, eles são usados extensivamente em todo o receptor de televisão para reproduzir imagem e som. Um tipo de gerador de ondas é conhecido como OSCILLATOR. Um oscilador pode ser considerado como um amplificador que fornece seu próprio sinal de entrada. Os osciladores são classificados de acordo com as formas de ondas que produzem e os requisitos necessários para produzir oscilações. CLASSIFICAÇÃO DE OSCILADORES (GERADORES) Os geradores de ondas podem ser classificados em duas grandes categorias de acordo com suas formas de onda de saída, SINUSOIDAL e NONSINUSOIDAL. Osciladores sinusoidais Um oscilador sinusoidal produz um sinal de saída de onda senoidal. Idealmente, o sinal de saída é de amplitude constante sem variação de freqüência. Na verdade, algo menos do que isso geralmente é obtido. O grau em que o ideal é abordado depende de fatores como classe de operação do amplificador, características do amplificador, estabilidade de freqüência e estabilidade de amplitude. Os geradores de onda sinusoidal produzem sinais que variam de baixas freqüências de áudio para freqüências ultra-altas de rádio e microondas. Muitos geradores de baixa freqüência usam resistores e capacitores para formar suas redes de determinação de freqüência e são chamados de OSCILLADORES RC. Eles são amplamente utilizados na faixa de áudio-frequência. Outro tipo de gerador de onda senoidal usa indutores e capacitores para sua rede de determinação de freqüência. Este tipo é conhecido como o LC OSCILLATOR. Os osciladores LC, que utilizam circuitos de tanque, são comumente usados para frequências de rádio mais altas. Eles não são adequados para serem usados como osciladores extremamente baixos, porque os indutores e capacitores seriam grandes, pesados e dispendiosos para fabricar. Um terceiro tipo de gerador de onda senoidal é o OSCILATOR CONTROLADO POR CRISTAL. O oscilador controlado por cristal oferece excelente estabilidade de freqüência e é usado a partir do meio da faixa de áudio através da faixa de freqüência de rádio. Oscilador de deslocamento de fase RC Um oscilador é um circuito, que gera sinal de saída de CA sem dar nenhum sinal de entrada de corrente alternada. Este circuito geralmente é aplicado apenas para frequências de áudio. O requisito básico para um oscilador é feedback positivo. A operação do Oscilador de Mudança de Fase RC pode ser explicada da seguinte forma. A tensão de partida é proporcionada pelo ruído, que é produzido devido ao movimento aleatório de elétrons em resistores usados no circuito. A tensão de ruído contém quase todas as frequências sinusoidais. Essa tensão de ruído de baixa amplitude é ampliada e aparece nos terminais de saída. O ruído amplificado dirige a rede de feedback, que é a rede de deslocamento de fase. Por isso, a tensão de retorno é máxima em uma determinada freqüência, que por sua vez representa a freqüência de oscilação. Além disso, o deslocamento de fase requerido para feedback positivo é correto apenas a esta frequência. O ganho de tensão do amplificador com feedback positivo é dado pela equação acima, podemos ver isso se. O ganho torna-se infinito significa que há saída sem qualquer entrada. Isto é, o amplificador torna-se um oscilador. Esta condição é conhecida como critério Barkhausen de oscilação. Assim, a saída contém apenas uma única freqüência sinusoidal. No início, à medida que o oscilador é ligado, o ganho de loop A é maior que a unidade. As construções das oscilações. Uma vez atingido um nível adequado, o ganho do amplificador diminui e o valor do ganho do loop diminui para a unidade. Portanto, as oscilações de nível constante são mantidas. Ao satisfazer as condições de oscilação acima, o valor de R e C para a rede de deslocamento de fase é selecionado de tal forma que cada combinação RC produz uma mudança de fase de 60176. Assim, o deslocamento de fase total produzido pelas três redes RC é 180176. Portanto, na freqüência específica Para o deslocamento de fase total da base do transistor ao redor do circuito e de volta para a base é 360176 satisfazendo assim o critério de Barkhausen. Selecionamos R1R2R38727R e C1C2C3C A freqüência de oscilação do Oscilador de Mudança de fase RC é dada por Nesta freqüência, o fator de feedback da rede é. Para que seja necessário que o amplificador ganho para a operação do oscilador OSCILLADORES O que é básico no oscilador Algumas pessoas consideram o design de osciladores de RF e os básicos do oscilador em particular, para ser algo parecido com uma arte negra e depois de muitos anos de palavrões nos osciladores irritadiços Im Não tenho certeza de que estão tudo errado. Eu sugiro que você assegure-se de lembrar este velho ditado: os amplificadores oscilam e os osciladores amplificam - desconhecido Introdução ao básico do oscilador Quando eu era criança, sim, eu lembro de volta ao final da década de 1940, nós coletamos todo tipo de lixo. Cool era algo remotamente elétrico e, claro, dinasticos de bicicleta, lâmpadas ou motores eram ainda mais fáceis. Nós, tão preciosos e pequenos anos de idade, concebidos - todos os físicos nucleares em ascensão que fomos - dessa idéia inteligente real, obviamente ninguém jamais pensou nisso antes. Por que não conectamos um motor a um gerador, de modo que o motor aciona o gerador, fornecendo eletricidade para o motor, que continua a dirigir o gerador, e continua, e, por mais de uma centena de anos, se torna rico e mundialmente famoso Claro que não tínhamos conceito de perda de fricção (acho que é certo) naquela época. Nem as palavras movimento perpétuo passaram nossos ouvidos. O ponto inteiro dessa pequena história é demonstrar grosseiramente o princípio de como funciona um oscilador. Se você pode seguir esse conceito infantilmente ingênuo, então você vai matá-los nisso. Princípios da operação do Oscilador Cada oscilador tem pelo menos um dispositivo ativo (os sabelés não complicam as coisas para mim - apenas leia) seja ele um transistor ou mesmo a válvula antiga. Este dispositivo ativo e, para este tutorial, fique bem com o transistor humilde, atua como um amplificador. Não há nada de destaque sobre isso. Para esta primeira parte da discussão, vamos nos limitar aos osciladores LC ou ao básico dos osciladores e eu vou manter as matemáticas em um mínimo absoluto. Ao ligar, quando a energia é aplicada pela primeira vez, o ruído aleatório é gerado no nosso dispositivo ativo e depois amplificado. Esse ruído é alimentado positivamente através de circuitos seletivos de freqüência para a entrada onde é amplificado novamente e assim por diante, um pouco como meu projeto de infância. Em última análise, um estado de equilíbrio é alcançado onde as perdas no circuito são feitas com bom consumo de energia a partir da fonte de alimentação e a freqüência de oscilação é determinada pelos componentes externos, seja indutores e capacitores (L. C.) ou um cristal. A quantidade de feedback positivo para suportar a oscilação também é determinada por componentes externos. Hartley Oscillator Eu decidi usar o Hartley Oscillator pelo simples motivo é o meu favorito. Recentemente, foi discutido que o seu oscilador favorito foi provavelmente o que melhor funcionou para você e acho que isso é verdade. Então, aqui está na sua forma mais simplificada. Figura 1 - Esquema de um oscilador de hartley Oscilador de Colpitts O circuito do oscilador básico de Colpitts parece assim e você verá algumas semelhanças. Figura 2 - esquema de um oscilador de colpitts Se você considerar que o feedback positivo é aplicado para compensar as perdas no circuito sintonizado, o amplificador e o circuito de feedback criam um resistor negativo. Quando Z1 e Z2 são capacitivos, a impedância através dos condensadores pode ser estimada a partir de uma fórmula que eu não colocarei sobre você aqui porque incluibeta, hie, bem como XC1 e XC2. Basta dizer que a impedância de entrada é uma resistência negativa em série com C1 e C2. E a frequência está de acordo com: Frequência ou Fase Estabilidade de um Oscilador A frequência ou a estabilidade de fase de um oscilador são habitualmente consideradas no caso de estabilidade a longo prazo, em que as mudanças de freqüência são medidas em minutos, horas, dias iguais. De interesse aqui estão os efeitos das mudanças de componentes, com condições ambientais, na freqüência de oscilação. Estes podem ser causados por mudanças na tensão de entrada, variações de temperatura, umidade e envelhecimento de nossos componentes. Nunca subestime os efeitos dessas variações na freqüência de operação. Fui louco trabalhando nos chamados designs de precisão, com componentes de precisão, onde a freqüência vagou ao acaso ao longo de vários kilohertz ao longo de vários minutos. Escusado será dizer que Id estragou. A estabilidade a curto prazo também é de grande interesse e, novamente, eu poderia colocar algumas matemáticas reais sobre você, mas eu não vou. Eu simplesmente digo que pode ser matematicamente comprovado que quanto maior o circuito Q, maior será este fator de estabilidade. Quanto maior o circuito Q, melhor a capacidade do circuito sintonizado pode filtrar harmônicos e ruídos indesejados. Ruído de redução de fase em osciladores 1. Maximize o Qu do ressonador. 2. Maximize a energia reativa por meio de uma alta tensão de RF através do ressonador. Use uma baixa relação LC. 3. Evite a saturação do dispositivo e tente usar diodos de sintonia anti paralelos (de volta para trás). 4. Escolha o seu dispositivo ativo com o NF mais baixo (figura de ruído). 5. Escolha um dispositivo com baixo ruído de cintilação, isso pode ser reduzido por feedback de RF. Um transistor bipolar com um resistor de emissor não-passado de 10 a 30 ohms pode melhorar o ruído de cintilação em até 40 dB. - veja a degeneração do emissor 6. Os circuitos de saída devem ser isolados do circuito do oscilador e ter o menor poder possível. Efeitos das mudanças ambientais na estabilidade nos osciladores Uma mudança de freqüência de algumas dezenas de hertz de um lado a outro durante alguns minutos não significaria nada para um receptor de entretenimento projetado para a banda de FM Radio. Essa desvantagem em um receptor de grau de competição designado para receber CW (código morse) seria intolerável. É uma questão de relatividade. Minimização Desvio de frequência em osciladores Estes são aleatórios e não em qualquer ordem particular. 1. Isolar o oscilador dos estágios sucessivos com um estágio de buffer bem projetado seguido por um estágio de amplificação. Os sinais grandes geralmente podem ser reduzidos por um atenuador de 3 ou 6 dB, que também possui o benefício de apresentar uma impedância de carga bem definida ao amplificador. Se o palco estiver alimentando um mixer, como é o mais frequentemente, então outro benefício é o mixer (você está usando misturadores balanceados duplos), veja também uma impedância de origem de 50 ohms. 2. Certifique-se de que a estabilidade mecânica do seu oscilador é tal que a vibração mecânica não pode afetar os componentes, especialmente aqueles que determinam a freqüência de componentes. 3. Forneça o oscilador com um fornecimento bem limpo e bem regulado. Se estiver usando a afinação do varactor, certifique-se de que a tensão de CC da sintonia seja tão limpa quanto possível, podem ser impostas algumas centenas de microvoltos de ruído no sinal do oscilador. Use diodos para trás para o elemento variável. As variáveis aéreas são difíceis de encontrar, embora ofereçam números Q muito superiores. A afinação DC tende a ser mais versátil. 4. Minimize as mudanças de circuito das variações ambientais usando capacitores NPO, o poliestireno é mais caro, mas excelente, a mica prateada na minha opinião não é o que muitas pessoas acreditam e são altamente avaliadas. 5. O indutor deve ser ar soldado em uma forma de bobina com uma configuração para maximizar Qu. Se você deve usar um toróide, possivelmente tente usar o tipo 6, pois oferece o melhor Q. Às vezes, por outras razões, talvez seja necessário usar um formulário sintonizado. 6. Paralelamente, um número de capacitores NPO de menor valor em vez de usar um grande em componentes determinantes de freqüência. Para os trimmers, tente usar uma variável de ar. Mantenha-se atento para os condensadores N750, N1500 de pequeno valor, lt 15 pF, quando disponíveis e são difíceis de usar. Isso às vezes é útil para domar a deriva em um oscilador. 7. Bipolar ou FETS para dispositivo ativo parece ser uma questão de preferência pessoal e eu vi alguns argumentos ferozes sobre esse. O consenso parece diminuir a favor do FETS. Eu, eu sou um homem bipolar porque FETS me odeia puro e simples. UJT Relaxation Oscillator A característica de resistência negativa do transistor unijunction torna possível a sua utilização como um oscilador. Conceito de Oscilador de Relaxamento O conceito de um oscilador de relaxamento é ilustrado por este circuito intermitente onde uma bateria carrega repetidamente um capacitor para o limiar de disparo de uma lâmpada, de modo que a lâmpada pisca a uma taxa constante. Um oscilador de relaxamento é um circuito repetitivo (como o circuito intermitente ilustrado acima) que consegue seu comportamento repetitivo do carregamento de um capacitor para algum limite de evento. O evento descarrega o capacitor, e seu tempo de recarga determina o tempo de repetição dos eventos. No circuito de flasher simples, uma bateria carrega o capacitor através de um resistor, de modo que os valores do resistor e do capacitor (constante de tempo) determinam a taxa de piscamento. A taxa de piscamento pode ser aumentada diminuindo o valor da resistência. Uma das razões para a importância do conceito de oscilador de relaxamento é que alguns sistemas neurais funcionam como osciladores de relaxamento. Por exemplo, o feixe de fibras nervosas chamado nó SA (nó sino-atrial) na parte superior direita do coração atua como o pacemaker natural do coração, disparando a uma taxa regular. A taxa desse oscilador de relaxamento é variável e pode ser aumentada em resposta ao esforço ou ao alarme. Outras células nervosas recarregam-se como um capacitor, mas depois esperam algum tipo de estímulo para disparar. Em resposta a algum tipo de trauma, pode ser que o limiar de disparo seja reduzido o suficiente para auto-fogo e atuar como um oscilador de relaxamento. Esta é uma possibilidade intrigante para explicar o toque nos ouvidos após um alto concert. Os Osciladores de Ondas Ondinhas O oscilador da ponte de Wien, oscilador de cristal Pierce, Hartley, Colpitts e osciladores de portão sintonizado Nós já tratamos vários tipos de osciladores de relaxamento nessas unidades. As ondas seno que o gerador da sua função criam são feitas de ondas quadradas, por circuitos e filtros de moldagem de onda, e realmente não são muito boas ondas de seno, embora tenham a maior parte de sua energia perto de uma freqüência. Se você precisar de melhores ondas de seno, um oscilador linear irá fazê-los. Um oscilador linear é muito diferente de um oscilador de relaxamento. O nome linear realmente não cabe, uma vez que todos os osciladores são não-lineares, mas um oscilador linear, pelo menos, não produz cantos e saltos, mas uma onda suave. Existem muitos aspectos interessantes para esses osciladores. O mais importante é provavelmente o que determina a amplitude da oscilação e mantém o feedback com precisão em -1, então a saída tem uma amplitude constante. Um oscilador também deve começar, e isso pode ser interessante, especialmente quando o oscilador é capaz de oscilar, ou no limite. Não vamos fazer a teoria aqui, mas vamos olhar alguns osciladores práticos e ver como eles funcionam. O Oscilador da Ponte de Wien O primeiro é o notável oscilador da Ponte de Wien (chamado de Professor Wien, e não escrito por Wein). Este oscilador dá uma onda senoidal muito bonita, e é uma excelente escolha para um oscilador de áudio de precisão. Sua característica é a rede RC consistindo em R e C em série com uma combinação paralela de R e C, conforme mostrado no diagrama de circuito abaixo. Os resistores e capacitores podem ser de valor diferente, mas é muito mais simples levá-los a igual, e nada de valor é perdido. Esta rede, considerada como um filtro passivo, dá zero deslocamento de fase para alguma freqüência intermediária, dada por f 12piRC. É um filtro de segunda ordem (dois capacitores), e isso é uma ocorrência notável. Elabore a função de transferência da rede, que é V o V i jomegaCR 1 - (omegaCR) 2 3jomegaCR. Na freqüência de fase zero, o ganho é exatamente 13. Use um gerador de função para fornecer à rede uma onda senoidal e use o escopo para ver V e V. É instrutivo usar o gráfico XY e observar a figura de Lissajous. Na freqüência de zero fase, a figura reduzirá em linha reta, mostrando esse fato. Em baixa freqüência, a saída leva, enquanto em alta freqüência a saída desacelera. Esse tipo de filtro de segunda ordem é chamado de filtro allpass, usado para suas propriedades de fase em vez de suas propriedades de amplitude. O circuito para o oscilador é dado à direita. A rede de Wien é vista à direita, organizada para dar feedback positivo, que um oscilador deve ter. O op-amp funciona com um fornecimento bipolar, de modo que a saída pode balançar acima e abaixo do solo. Observe que a rede de Wien é retornada para o GND, e não o fornecimento negativo. À esquerda é a rede de feedback negativo. Quando o oscilador está funcionando de forma estável, isso deve compensar exatamente o feedback positivo. É impossível fazer isso com resistores fixos. Se o feedback postivo dominar, o op-amp satura e nós temos um oscilador de relaxamento. Se o feedback negativo dominar, o oscilador nunca começa. Devemos começar com feedback positivo e, em seguida, reduzi-lo à medida que aumenta a amplitude e, finalmente, manter uma amplitude constante por minuto de ajuste. Isso geralmente é feito com lâmpadas de incandescência de tungstênio, como aqui. Se você deseja construir o oscilador, você terá que procurar por lâmpadas adequadas. Acabei de ter as lâmpadas JKL7876 ao redor, e eles foram pressionados no serviço. Na verdade, levou dois em série, mas o trabalho pode ser feito com uma lâmpada, se for apropriado. A característica de resistência versus corrente para estas lâmpadas é mostrada à esquerda. Observe com que rapidez a resistência aumenta com a corrente. Isso é exatamente o que precisamos, uma vez que uma amplitude maior da saída irá aquecer a lâmpada mais, aumentar a resistência e diminuir o feedback positivo. A lâmpada é aquecida pelo valor rms da corrente alternada através dela, e sua inércia térmica significa que não pode acompanhar as variações instantâneas. É afetado apenas pelo valor rms da saída. Tente encontrar uma lâmpada com resistência a cerca de 100 μm quando frio (como os dois 7876 em série). Quando o oscilador estiver funcionando, você não deve ver a lâmpada mesmo que brilha (embora alguns possam). A lâmpada vai durar para sempre neste circuito. Depois de ter uma lâmpada adequada, você pode fazer o oscilador e observar a saída. Quando ativado pela primeira vez, o amplificador operacional pode saturar, mas quando a lâmpada se aquecer, a forma de onda vai se afastar e assumir uma forma bonita. A amplitude é determinada pela interação da lâmpada e R 1. Para obter um oscilador de cerca de 1 kHz, usei R 15k, C 0.01. A corrente rms, determinada a partir da amplitude de saída de 13,4 V pico a pico, foi de 9,6 mA, dentro das capacidades da saída de op-amps. Como você mudaria R 1 para obter uma amplitude menor. Nesse caso, a resistência das duas lâmpadas em série era 165Omega quando o oscilador estava funcionando. Osciladores de cristais Alguns cristais desenvolvem cargas de superfície quando são espremidos, dobrados ou torcidos e são chamados piezoelétricos. Por outro lado, quando um campo elétrico é aplicado a eles, eles se expandem, contratam, dobram ou torcem. As vibrações mecânicas do cristal estão diretamente associadas a mudanças elétricas na mesma freqüência. Como todos os sistemas mecânicos, os cristais podem vibrar em freqüências ressonantes, onde pequenos impulsos criam uma grande amplitude, assim como nos circuitos elétricos ressonantes. A vibração mecânica dos cristais dá um padrão de tempo, melhor que o dos relógios mecânicos, mas inferior ao das vibrações atômicas. O quartzo é um material piezoelétrico, não o mais sensível, mas tão estável mecanicamente e eletricamente que é quase o único cristal ressonante usado. Uma placa fina vibrará a frequências de megahertz, então os cristais são usados em circuitos de radiofrequência. As vibrações mais utilizadas não são as vibrações de espessura simples de uma placa elástica, mas são modos de corte mais complicados que proporcionam as freqüências desejadas e a melhor independência de temperatura. O circuito equivalente de um cristal, mostrado na figura a esquerda, consiste em uma capacitância C 1 (dos eletrodos metálicos em duas superfícies opostas) em paralelo com um circuito RLC de série representando o próprio cristal, chamado braço de movimento. Em que o valor equivalente de L é surpreendentemente grande. É isso que torna o cristal tão bom padrão de freqüência. A reatância de um cristal varia com a freqüência, como mostrado à direita. Nas frequências baixa e alta, parece capacitivo, com um curto intervalo entre as séries e frequências de ressonância, onde parece uma indutância. Um cristal típico pode ter C 10 fF (0,010 pF), L 2 H e R 50Omega, o que fornece uma freqüência de ressonância em série de f s 12piradic (LC) 1,125 MHz. O Q da ressonância é Q omegaLR 141,400, então a largura da ressonância é de apenas 8 Hz. A freqüência de ressonância paralela f p é um pouco maior, a quantidade exata dependendo de C 1 e da capacitância de carga externa. Ao variar a capacitância de carga, a freqüência de ressonância pode ser ajustada ligeiramente, o que é chamado de puxar o cristal. Dependendo do circuito, o cristal pode ressoar na série ou no modo paralelo e, em ambos os casos, controlará a freqüência. O oscilador de cristal mais simples é o oscilador Pierce, mostrado na figura à esquerda. Um FET é usado como o dispositivo de amplificação, uma vez que proporciona uma alta resistência de entrada que permite o uso de um resistor de porta de 10M. O cristal tinha uma freqüência de 2.000 MHz, mas qualquer cristal razoável pode ser usado. O bloqueador de RF de 3,3 mH dá uma alta impedância de carga à corrente alternada, enquanto passa a corrente de drenagem DC sem queda de tensão (o bloqueador teve uma resistência de 41Omega). O estrangulador deve ser especialmente projetado para reter a indutância desejada enquanto ele carrega DC, então certifique-se de que o engodo que você usa é projetado para o propósito. A impedância do estrangulamento é superior a 41k a 2 MHz, o que proporciona um ganho suficiente. O cristal é o único elemento ressonante no circuito e, portanto, deve determinar a freqüência de oscilação. Ele está conectado quanto ao feedback shunt-shunt. Aqui é um caso em que a instabilidade é desejada, e há uma mudança de fase de 180deg na ressonância, tornando o feedback positivo. A amplitude é limitada pelo alcance máximo das excursões de tensão no dreno. O resistor R pode ser usado para reduzir o feedback e a unidade de cristal. Não é necessário para a oscilação, e se você olhar para o wavform da saída quando é zero, você verá uma forma de onda achatada acima e abaixo. Com R 10k, a forma de onda é muito mais sinusoidal, especialmente as partes superiores, mas a parte inferior ainda está visivelmente achatada. Com R 15k, o oscilador não oscilará (não inicia). Os cristais, aliás, não devem ser conduzidos com uma tensão muito alta, ou o estresse mecânico irá quebrá-los. A amplitude de oscilação no dreno foi de 24 V com R 1k, a tensão de RF em toda a inversão em direção durante o ciclo. Osciladores de portas ajustadas Os osciladores estudados aqui são baseados no circuito à esquerda, que mostra os princípios. Os valores dos componentes não são mostrados, porque este circuito ainda não foi construído e testado, e é aqui apenas para ilustração. Q é um FET, com alta resistência de entrada e corrente de drenagem autolimitada, ambos os quais são importantes aqui. Um tubo de vácuo triodo também pode ser usado, que possui as mesmas características. Quando o circuito é quiescente, o resistor R g. Chamado de vazamento de grade (a partir de dias de tubo de vácuo) fornece V GS 0 e, portanto, a corrente de dreno é I DSS. E o FET está preparado para amplificar. O circuito sintonizado L 1 C fornece uma tensão oscilante para o portão através do capacitor de bloqueio C g quando excitado. A corrente de drenagem então varia de forma simpatica e é acoplada através da indutância mútua M 12 ao circuito sintonizado. Se as polaridades estiverem adequadamente dispostas, as oscilações no circuito sintonizado são encorajadas, e se as perdas são contrabalançadas, as oscilações continuam e aumentam mesmo. Quando o portão se torna positivo por cerca de 0,7 V, a corrente através de R g puxa o negativo do portão, diminuindo o ganho até que as perdas sejam compensadas e a amplitude da oscilação seja estável. Quando isso ocorre, o portão torna-se bastante negativo, mesmo além do corte, e a corrente de drenagem diminui. Todos os osciladores estudados abaixo operam desta maneira. O vazamento de grade resolve os problemas básicos de cada oscilador: inicial e limitação de amplitude. O diodo D está disponível apenas para facilitar a carga no portão ao iniciar, não tem efeito quando o oscilador está em operação. Este circuito é chamado de um oscilador Armstrong para homenagear o major Armstrong, que inventou o receptor regenerativo e muito mais além no rádio. Ele adicionou a bobina tickler L 2 que fornece feedback positivo. Se L ou C é variado, a freqüência de oscilação muda, e temos um oscilador de freqüência variável. Ou VFO. Os circuitos sintonizados LC não fornecem um bom controle de freqüência, mas com o esforço podem ser construídos VFOs relativamente estáveis. Os osciladores com indutâncias de ar-núcleo são bastante práticos nas freqüências de rádio (acima, digamos, 250 kHz). Observe que a indutância de uma bobina de ar-núcleo não é afetada por DC na bobina. O circuito mostrado é chamado de alimentado em série porque a polarização eo sinal circulam no mesmo circuito de drenagem (a fonte de alimentação deve ser ignorada com um capacitor por isso é um bom sinal de solo). O dreno também pode ser alimentado por derivação. Como no oscilador Pierce acima, usando um RFC e um capacitor para separar a polarização e o sinal. Dois modos de feedback são mostrados à direita. In the Hartley circuit, the inductor is tapped to match the low impedance of the collector circuit (or plate, for a tube), while the other end supplies the base (or grid). Only one capacitor is used, which makes tuning easy. The Colpitts circuit does not require a tapped inductor, but uses two capacitors as a capacitive voltage divider. The phase is opposite at the two ends of the tuned circuit, providing the necessary positive feedback. The frequency is f 12piradicLC. In usual high-frequency RF circuits, L is in muH and C in pF. A modification of the Colpitts circuit, called a Clapp oscillator, is shown at the left. This circuit can be built and tested. The tuning capacitor is in series with the inductance here, it is a fixed capacitor, but in a VFO it would be variable. All three capacitors are 0.001 muF in this circuit, but in a practical circuit, the capacitance in series with the inductor would be much smaller than the other two (perhaps 50 pF), and would give a considerable range of frequencies. The inductor was a 120 muH (shown as uH on schematics) ferrite core inductor I happened to have on hand. The 1 mH inductor in the source lead is a radio-frequency choke or RFC, designed to retain its inductance when a reasonable DC current passes through it. Here, it separates the bias circuit from the RF circuit. The leads of the MPF 102 JFET are DSG, in that order, when looking at the flat side of the package with the leads downward. This circuit gave a 5 V peak-to-peak signal at the source at a frequency of about 828 kHz, appropriate for a 120 muH inductor resonating with 13 nF--the three .001 capacitors in series. The average gate voltage was about -4.5 V, which meant that the gate varied from about -10 V, well beyond cutoff, to 0.7 V, limited by the diode. The average drain current was 0.6 mA. The JFET is operating as a Class C amplifier in this circuit. This makes an excellent RF oscillator for other purposes, if you do not have a signal generator. A Hartley oscillator is shown at the right. It uses most of the same components as the Clapp oscillator. A capacitor is necessary to block the gate bias voltage from the tuned circuit. The tuning capacitor is a 100 pF poly capacitor. L1 is a coil wound with 30 wire on a 12 form--I used a lucite tube. It has 210 turns, tapped at the 45th turn, and is about 3 long. The tube makes a nice handle while winding the coil, and is cut off when the winding is finished. The ends of the coil can be put through 60 holes in each end. When you get to the 45th turn, scrape off a little of the enamel with sandpaper and solder the tap wire to it. This is a delicate operation, but not really difficult. The turns can be secured with coil dope, if you have it. If not, just use transparent tape or nail lacquer. Solder 22 leads to each of the three wires. My oscillator went at 1.67 MHz. The inductance of the coil can be estimated from the formula L D 2 N 2 (18D 40L) muH, where D is the diameter and L the length of the coil in inches, and N is the number of turns, which gave 85 muH. With 100 pF, this predicts a resonant frequency of 1.73 MHz, close enough agreement. There was a very noticeable parasitic oscillation at about 10 MHz, caused by stray capacitance with the long, looping leads to the coil better layout would cure this. The gate operated at -5.86 V, and the output was again about 5 V peak to peak. It is very satisfying to see the oscillator work with coils you wound yourself. Other oscillators are discussed on other pages, for example The VTVM and GDO. where the grid-dip oscillator is studied, and Vacuum Tubes. where local oscillators for superheterodynes are presented. Composed by J. B. Calvert Created 30 July 2001 Last revised 13 May 2002
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