Osciladores electrónicos: clasificación, baja frecuencia y radiofrecuencia

Resumen

El documento explica por qué los osciladores de baja frecuencia usan circuitos RC en lugar de bobinas y describe los principales tipos: desfase (phase shift), puente de Wien, Armstrong, Hartley, Colpitts, Clapp, a cristal y no senoidales. Incluye el principio de funcionamiento y las ventajas y desventajas de cada uno.

Puntos clave

En baja frecuencia no se usan bobinas porque su reactancia inductiva es muy baja y aumentarla implica más pérdidas y menor factor de calidad Q.
El oscilador por rotación de fase usa tres celdas RC que desfasan 60° cada una, sumando 180°, y emplea un amplificador inversor.
El puente de Wien combina una realimentación positiva RC serie-paralelo con una negativa de resistencias, y genera una señal senoidal sin señal de entrada.
El oscilador Hartley usa una bobina como divisor de tensión; tiene frecuencia fácilmente variable y amplitud constante, pero mucho contenido de armónicos.
El oscilador Colpitts toma la realimentación del circuito resonante a partir de la caída de tensión en los capacitores, y el Clapp añade un capacitor en serie con la bobina para compensar capacidades parásitas.
El oscilador a cristal se comporta como un circuito serie, es más estable que un circuito sintonizado puro y tiene mayor exactitud en su frecuencia de resonancia.

Ponte a prueba

En un oscilador de baja frecuencia, no se utilizan bobinas, porque la reactancia inductiva ($X_L$) sería muy baja. Para elevar $X_L$ tendríamos que aumentar $L$, lo que generaría más pérdidas, afectando el factor de calidad ($Q$) y resultando en menor selectividad. Por lo tanto, los osciladores de baja frecuencia se realimentan mediante circuitos RC.

Osciladores de Audio

Osciladores por Rotación de Fase (Phase Shift)

En este circuito (Fig. 1), cada celda debe desfasar 60° para que la suma de las tres celdas resulte en un desfase total de 180°. Este cálculo se realiza para una sola frecuencia. Si se utilizan más celdas, se debe verificar que se cumpla el criterio de Barkhausen. Siempre se utiliza un amplificador inversor.

El circuito de la Fig. 2 es el mismo que el anterior, con la única diferencia de que atrasa la señal.

Puente de Wien

Es un oscilador que, adecuadamente equilibrado, proporciona una señal senoidal pura. Utiliza resistencias y capacitores para su sintonización. Se monta alrededor de un amplificador diferencial (operacional) y posee dos realimentaciones: una positiva a través de un circuito RC serie-paralelo, y otra negativa con resistencias. Si la realimentación negativa iguala a la positiva, la oscilación resultante es senoidal. Genera señales senoidales sin necesidad de ninguna señal de entrada.

Osciladores de Radio Frecuencia (RF)

Oscilador Armstrong

Este oscilador entra en oscilación cuando el circuito entra en resonancia. La señal de realimentación está en contrafase, por lo que requiere un amplificador inversor. Los puntos (en el diagrama de circuito, implícito) indican que la señal de realimentación está desfasada 180° respecto a la señal de salida que se está tomando.

Oscilador Hartley

La bobina actúa como un divisor de tensión, y se toma una porción para generar la realimentación. Se trata de un oscilador de alta frecuencia diseñado para obtener a su salida una señal de frecuencia determinada sin que exista una entrada.

Ventajas del Oscilador Hartley

Frecuencia fácilmente variable.
Amplitud de salida constante.

Desventajas del Oscilador Hartley

Gran contenido de armónicos.
No obtiene una onda senoidal pura.

Oscilador Colpitts

La realimentación se toma a partir del circuito resonante. El nivel de realimentación se obtiene de la mitad de la caída de tensión ($V$) en los capacitores.

Oscilador Clapp

La realimentación se toma entre los capacitores. En este circuito se añade un capacitor en serie con la bobina, con el fin de compensar las variaciones generadas por las capacidades parásitas. Por esta razón, el valor de este capacitor ($C$) debe ser muy pequeño. El oscilador Clapp es una mejora del oscilador Colpitts.

Oscilador a Cristal

Cuanto menor es el tamaño del cristal, mayor es la frecuencia de resonancia, y viceversa. Un cristal se comporta como un circuito sintonizado serie, siendo más estable que un circuito sintonizado puro. Dependiendo de su forma y tamaño, el cristal entra en resonancia a frecuencias determinadas. Se debe considerar el valor del encapsulado, ya que este es de metal y actúa como un capacitor. El cristal se comporta en la mayoría de los casos como un circuito de resonancia serie. El oscilador entra en resonancia en una sola frecuencia y atenúa el resto, lo que le confiere mayor exactitud en la frecuencia de resonancia ($F$) y presenta mayor estabilidad en el circuito.

Osciladores No Senoidales

Es un circuito que permite generar una señal no senoidal. Cuando el capacitor comienza a cargarse, el transistor no entra en conducción. Al llegar al punto máximo, el transistor entra en conducción y el capacitor comienza a descargarse a través del emisor.

Preguntas frecuentes

¿Por qué no se usan bobinas en los osciladores de baja frecuencia?

Porque a bajas frecuencias la reactancia inductiva es muy baja. Para elevarla habría que aumentar la inductancia, lo que genera más pérdidas, afecta al factor de calidad Q y reduce la selectividad. Por eso se realimentan con circuitos RC.

¿Cuál es la diferencia entre el oscilador Colpitts y el Clapp?

Ambos toman la realimentación del circuito resonante. El Clapp añade un capacitor pequeño en serie con la bobina para compensar las variaciones producidas por las capacidades parásitas, por lo que se considera una mejora del Colpitts.

¿Qué ventajas tiene el oscilador Hartley?

Su frecuencia es fácilmente variable y su amplitud de salida es constante. Como desventajas, presenta gran contenido de armónicos y no obtiene una onda senoidal pura.