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Osciladores - O que é preciso saber? (ART499)

Osciladores são configurações encontradas em praticamente todos os circuitos eletrônicos. Gerando sinais com as mais diversas freqüências e formas de onda os osciladores são críticos e exigem cuidados especiais na sua escolha conforme a aplicação. Veja neste artigo como funcionam os principais osciladores, que tipos de sinais geram e onde são usados.

Osciladores são circuitos que geram sinais. Partindo de uma fonte de corrente contínua os osciladores produzem sinais variáveis cuja freqüência e forma de onda depende de sua configuração.

Pra gerar sinais e, portanto funcionar como osciladores podemos ter as mais diversas configurações que recebem nomes de acordo com a sua arquitetura ou o nome de seu criador.

Os osciladores podem ser separados em dois grandes grupos:

 

a) Osciladores com elementos ativos

Nos osciladores com elementos ativos temos um dispositivo amplificador e uma rede de realimentação positiva, conforme mostra a figura 1.

Saída do amplificador
Saída do amplificador

 

Para a sua operação uma pequena parcela do sinal de saída é aplicada à entrada de modo a haver um processo de realimentação que determina a freqüência e a forma de onda do sinal gerado. Para que este tipo de oscilador funcione o ganho da etapa amplificadora deve ser maior do que 1.

 

b) Osciladores com dispositivos de resistência negativa

Nestes osciladores, o elemento básico é um dispositivo que tenha uma característica de resistência negativa, conforme mostra a figura 2.

 

Resistência negativa.
Resistência negativa.

 

O sinal é gerado quando o dispositivo dispara, de modo que um pequeno aumento da tensão produz uma queda na corrente (o que contraria a Lei de Ohm) e que portanto representa uma resistência negativa.

Analisemos os principais tipos de osciladores com suas principais aplicações.

 

1. Oscilador de Relaxação

No oscilador de relaxação temos um dispositivo de resistência negativa. A configuração mais tradicional é o oscilador com lâmpada neon, e que tem o circuito mostrado na figura 3.

 

Oscilador de relaxação.
Oscilador de relaxação.

 

Analisemos seu funcionamento: o capacitor C carrega-se através do resistor R até a tensão de disparo da lâmpada neon. Nesse momento, a lâmpada conduz intensamente, provocando descarregando parcialmente o capacitor.

A descarga cessa no ponto em que a lâmpada deixa de conduzir e desliga começando um novo ciclo de carga do capacitor.

A forma de onda produzida por este circuito é mostrada na figura 4. Essa forma de onda, denominada "dente de serra" tem freqüências relativamente baixas, não ultrapassando algumas dezenas de quilohertz para a lâmpada neon e mais para outros dispositivos de mesmas características.

 

Dente de serra.
Dente de serra.

 

Dentre outros dispositivos de resistência negativa que podem ser usados neste tipo de circuito temos os transistores unijunção, diacs, SIDACs, SCRs e outros podem ser empregados como elementos ativos.

Na figura 5 temos exemplos de osciladores de relaxação com esses outros dispositivos.

 

Osciladores de relaxação com SCR e SIDAC.
Osciladores de relaxação com SCR e SIDAC.

 

 

2. Oscilador Hartley

Nos osciladores Hartley existem elementos ativos (amplificadores) como transistores ou válvulas além de uma rede de realimentação, num circuito como o mostrado na figura 6.

 

Oscilador Hartley.
Oscilador Hartley.

 

A bobina L e o capacitor C determinam a freqüência de operação o oscilador. Observe que a bobina tem uma derivação. De um lado ela serve de carga e do outro ela fornece um sinal de realimentação defasado de 180 graus. Essa defasagem é fundamental para manter a realimentação.

A freqüência de operação dos osciladores Hartley pode variar entre algumas dezenas de Hertz até mais de 30 MHz e o sinal é senoidal.

 

3. Oscilador Colpitts

Neste oscilador Colpitts também temos um elemento ativo e uma rede de realimentação. A realimentação é ob tida através de um divisor capacitivo conforme mostra a figura 7.

 

 Oscilador Colpitts
Oscilador Colpitts

 

A freqüência de operação é determinada pela bobina e o circuito capacitivo em paralelo. A freqüência pode variar entre algumas centenas de Hertz até mais de 30 MHz e o sinal de saída é senoidal.

 

4. Oscilador de Clapp

Na verdade, o Oscilador de Clapp nada mais é do que uma variação do Oscilador de Colpitts em que o circuito de sintonia é do tipo LC série e não paralelo, conforme mostra a figura 8.

 

Oscilador de Clapp
Oscilador de Clapp

 

Neste circuito não existe carga no indutor o que resulta num elevado fator de qualidade (Q). Esta configuração é muito utilizada em VFO (Variable Frequency Oscillators ou Osciladores de Freqüência Variável) de instrumentos como geradores de sinais e transmissores pela sua capacidade de cobrir uma ampla faixa e pela estabilidade.

 

5. Oscilador por Ponte de Wien

No oscilador por Ponte de Wien, temos um elemento ativo (válvula, transistor ou circuito integrado) e uma rede de realimentação especial formada por dois resistores e dois capacitores, conforme mostra a figura 9.

 

Oscilador ponte de Wien.
Oscilador ponte de Wien.

 

Os osciladores por Ponte de Wien geram sinais senoidais de baixas freqüências, até alguns megahertz. Em algumas configurações, como a mostrada na figura 10, podemos encontrar dispositivos estabilizadores que têm uma característica não linear de condução de modo a melhorar a forma de onda senoidal do sinal gerado minimizando as distorções.

 

Minimizando as distorções.
Minimizando as distorções.

 

6. Oscilador por Deslocamento de Fase

Neste tipo de oscilador temos um elemento ativo (amplificador) e uma rede de realimentação formada por resistores e capacitores conforme mostra a figura 11.

 

Oscilador por deslocamento de fase.
Oscilador por deslocamento de fase.

 

Cada par RC é responsável por um deslocamento de fase de 60 graus no sinal. Assim com três pares RC, o deslocamento de fase é de 180 graus. Obtemos uma inversão de fase, fator fundamental para manter as oscilações.

A freqüência é determinada pela constante de tempo RC do circuito de realimentação e os sinais gerados são senoidais numa faixa de freqüências que vai de alguns hertz até algumas dezenas de quilohertz.

Encontramos este tipo de oscilador na geração de sinais de áudio e efeitos em pedais, sirenes e outras aplicações semelhantes.

 

7. Multivibrador Astável

Este é um oscilador muito comum nos circuitos digitais como em aplicações em que se necessite de sinais retangulares.

A configuração básica do multivibrador é mostrada na figura 12.

 

Oscilador Astável.
Oscilador Astável.

 

Os dois transistores não encontram um estado estável de condução ficando constantemente mudando de estado, passando do corte à saturação, mas de forma alternada.

A velocidade com que essa troca de estados ocorre depende dos valores de R e C e a faixa de freqüências pode variar entre menos de 1 Hz até mais de 20 MHz.

 

8. Osciladores Controlados Por Cristal

Os cristais são elementos de grande estabilidade e precisão no controle de freqüências. Desta forma, quando usado em osciladores eles podem manter sua freqüência fixa num determinado valor.

Os osciladores a cristal são formados por um elemento ativo (válvula ou transistor) e um sistema de realimentação que inclui o cristal como elemento controlador da freqüência, conforme mostra a figura 13.

 

Osciladores controlador por cristal.
Osciladores controlador por cristal.

 

A freqüência destes osciladores pode variar entre algumas dezenas de quilohertz e algumas centenas de megahertz.

Um dos problemas encontrados na elaboração de osciladores a cristal de freqüências muito altas é que os cristais devem ser muito finos e por isso delicados. Nestes casos, o que se faz é utilizar um circuito oscilador que opere numa freqüência harmônica do cristal que então pode ser cortado para uma freqüência mais baixa.

Atualmente, os osciladores que utilizam ressonadores cerâmicos nas mesmas configurações dos cristais de quartzo consistem numa alternativa econômica para o projetista. Custando menos que os cristais comuns, mas não tendo a mesma estabilidade, os ressonadores são utilizados da mesma forma.

Na figura 14 temos um exemplo de circuito com ressonador cerâmico encontrado em muitos equipamentos de uso comum como microprocessadores, rádios, etc.

 

Ressonador cerâmico.
Ressonador cerâmico.

 

 

9. Oscilador de Bloqueio

Uma configuração interessante que pode ser encontrada em alguns aplicativos é o oscilador de bloqueio cujo circuito básico é mostrado na figura 15.

 

Oscilador de bloqueio
Oscilador de bloqueio

 

Neste circuito a realimentação é proporcionada por um enrolamento sobre a bobina de carga, formando assim um transformador. Esta bobina aplica ao elemento ativo um transistor, por exemplo, um sinal que tende a levá-lo ao corte.

Desta forma, quando o circuito é ligado, o resistor de polarização satura o transistor que conduz intensamente produzindo assim um pulso no primário do transformador (L1). A tensão induzida no secundário (L2) leva o transistor imediatamente ao corte.

Levado ao corte a corrente em L1 é interrompida e com isso o transistor pode ser saturado novamente, graças à corrente de polarização do resistor R1. Um novo ciclo começa então.

A freqüência do circuito é basicamente determinada por L1 e pelo capacitor que se encontra em paralelo com essa bobina. O oscilador de bloqueio pode ser usado para gerar sinais de freqüências de algumas dezenas de hertz até dezenas de megahertz.

A forma de onda deste circuito é mostrada na figura 16.

 

As formas de ondas encontradas nas duas saídas.
As formas de ondas encontradas nas duas saídas.

 

Esta configuração pode ser encontrada nos osciladores de varredura de alguns televisores antigos e osciloscópios.

 

10. Oscilador Pierce

No oscilador Pierce, temos um elemento ativo ligado na configuração de base comum, se for um transistor, e a realimentação é feita por um capacitor entre o coletor e o emissor, conforme mostra a figura 17.

 

Oscilador Pierce
Oscilador Pierce

 

A freqüência deste oscilador é determinada basicamente pelo circuito ressonante no coletor do transistor. O capacitor deve ter uma reatância que permita que o sinal de realimentação seja capaz de excitar o elemento ativo do circuito.

 

Conclusão

Conforme a faixa de freqüências e a forma de onda do sinal gerado, temos um tipo apropriado de oscilador. A tabela abaixo permite que o leitor saiba escolher qual é o oscilador mais apropriado para o projeto que está elaborando.

 

Oscilador Forma de Onda Faixa de Freqüências
Relaxação com lâmpada neon Dente de serra e pulsos 0,01 Hz a 30 kHz
Relaxação com Unijunção Dente de serra e pulsos 0,01 Hz a 100 kHz
Relaxação com Sidac Dente de serra e pulsos 0,01 Hz a 1 MHz
Hartley Senoidal 10 Hz a 50 MHz
Colpitts Senoidal 100 Hz a 100 MHz
Pierce Senoidal 1 MHz a 500 MHz
Clapp Senoidal 30 kHz a 100 MHz
Deslocamento de Fase Senoidal 1 Hz a 100 kHz
Controlado a Cristal Senoidal 30 kHz a 200 MHz
Bloqueio Senoidal 100 kHz a 10 MHz
Multivibrador Retangular 0,1 Hz a 100 MHz

 

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