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Projetando osciladores (INS205)

Osciladores são a base de uma infinidade de projetos, desde timers que exigem o emprego de osciladores ultralentos, passando por instrumentos musicais que gerem sinais na faixa de áudio, até transmissores, todos usando configurações semelhantes. Como projetar um oscilador, de que modo calcular os componentes para gerar determinadas frequências são problemas enfrentados por muitos leitores. Neste artigo bastante didático, mostramos como fazer estas coisas.

Existem diversas maneiras de gerar um sinal de determinada frequência e forma de onda. Uma das mais simples consiste na utilização da uma etapa amplificadora na qual ligamos sua saída à entrada, de modo a obter uma realimentação positiva, veja a figura 1.

 

Princípio de funcionamento de um oscilador.
Princípio de funcionamento de um oscilador.

 

Esta realimentação, além de influir na velocidade com que o sinal recircula pelo circuito e, portanto, na frequência, também deve ser tal que modifique a sua fase de modo a haver a excitação conveniente.

Por exemplo, num transistor ligado na configuração de emissor comum, a fase do sinal que obtemos no coletor é oposta à do sinal aplicado na base. Logo, para termos uma realimentação positiva é preciso usar uma rede apropriada que inverta esta fase, conforme observamos na figura 2.

 

Oscilador com transistor NPN na configuração de emissor comum.
Oscilador com transistor NPN na configuração de emissor comum.

 

Uma outra forma de obter um oscilador é com algum dispositivo que possua uma característica de resistência negativa. Este dispositivo pode ser disparado automaticamente pela carga de um capacitor, resultando em osciladores que produzam pulsos ou sinais com a forma de onda dente-de-serra, veja a figura 3.

 

Forma de onda
Forma de onda "dente de serra" gerada por um oscilador de relaxação.

 

Uma rede RC ligada a estes circuitos determina sua frequência de operação, obtendo-se assim uma família de circuitos denominados "osciladores de relaxação".

Baseados nas duas configurações que vimos, existem diversos tipos de osciladores que recebem nomes associados ao tipo de realimentação que utilizam para o sinal ou ao inventor do circuito.

Conhecer as configurações e saber calcular os componentes principais é muito importante para fazer projetos que precisem gerar formas de onda.

Analisaremos a partir de agora os osciladores mais usados.

 

OSCILADOR DE DESLOCAMENTO DE FASE

O oscilador de deslocamento de fase também chamado de oscilador RC é um dos mais usados para gerar sinais de baixas frequências, ou de até algumas dezenas de quilohertz com forma de onda senoidal.

Neste circuito temos uma rede de resistores e capacitores que reaplica o sinal retirado do coletor de um transistor ligado na configuração de emissor à sua base, fazendo a devida inversão de sua fase. Obtém-se assim uma realimentação positiva e a frequência é determinada pelos valores dos componentes usados.

Na figura 4 temos o circuito básico para este tipo de oscilador.

 

Oscilador de deslocamento de fase desenhado no osciloscópio virtual.
Oscilador de deslocamento de fase desenhado no osciloscópio virtual.

 

A fórmula para calcular a frequência deste oscilador é a seguinte:

 

f = (106) / (4,88 x (? x R x C)

 

Nesta fórmula já utilizamos a constante 1 000 000 (106) de modo a possibilitar o uso dos componentes em valores usuais:

f = frequência de operação em hertz

PI = constante = 3,14

R = resistência em ?

C = capacitância em microfarads

 

Os valores típicos de R estão na faixa de 10 k? a 47 k? para um oscilador usando um transistor NPN de uso geral como o BC548. Assim, num projeto, o que o leitor deve fazer é fixar os resistores neste valor e calcular os capacitores que deve usar para obter a frequência desejada. Os valores de componentes do circuito da figura 4 permitem gerar um sinal na faixa de áudio.

Foram simuladas no Electronics Workbench as formas de onda obtidas no circuito da figura 4, na base e no coletor do transistor, mostrando a oposição de fase, veja a figura 5.

 

Formas de onda do circuito da figura 4, simuladas num osciloscópio virtual.
Formas de onda do circuito da figura 4, simuladas num osciloscópio virtual.

 

Observe a amplitude dos dois sinais. Como a etapa é de baixa potência, as seções de amplificação utilizadas devem ter uma impedância de entrada elevada de modo a não carregar este circuito.

 

OSCILADOR DE DUPLO T

No oscilador de duplo T também usamos uma rede de resistores e capacitores para inverter a fase do sinal retirado do coletor de um transistor e reaplicá-lo à sua base. No entanto, conforme a figura 6, esta rede de realimentação usa dois "Ts" ligados de capacitores e resistores que determinam sua frequência, daí sua denominação.

 

Oscilador de duplo T.
Oscilador de duplo T.

 

Este circuito é indicado para a produção de sinais de baixas frequências até algumas dezenas de quilohertz e a forma de onda é senoidal.

Observe que os componentes do duplo T devem manter uma certa relação de valores dados com a fórmula que calcula a frequência. A fórmula é a seguinte:

 

f = 1 / ( 2? R1 C3)

 

Valores típicos para os resistores R1 e R2 do duplo T estão em torno de 100 k? para um transistor NPN de uso geral como o BC548.

Da mesma forma que no caso anterior, será interessante fixar os valores dos resistores e calcular os capacitores necessários para gerar o sinal na frequência desejada.

Na fórmula, a constante utilizada 1 000 000 permite que os valores dos capacitores sejam expressos diretamente em microfarads.

Para nanofarads use como constante 1 000 000 000.

 

Nesta fórmula as unidades usadas são:

f = frequência em hertz

R1, R2, R3 = resistência em ?

C1, C2, C3 = capacitâncias em microfarads

?(Pi) = 3,14 = constante

 

Este tipo de circuito também pode ser montado em torno de um amplificador operacional como elemento ativo, figura 7.

 

 

Oscilador de duplo T com amplificador operacional.
Oscilador de duplo T com amplificador operacional.

 

Os componentes com os valores indicados são típicos para o caso de um amplificador operacional do tipo 741. Na figura 7 temos a simulação do circuito obtida no Electronics Workbench.

 

OSCILADOR POR PONTE DE WIEN

Este é também um circuito indicado para geração de sinais senoidais de baixas frequências até algumas centenas de quilohertz. Trata-se de um oscilador RC, o que significa que a rede de realimentação e os componentes que determinam a frequência são resistores e capacitores.

A configuração básica para transistores NPN de uso geral é mostrada na figura 8.

 

Oscilador por Ponte de Wien.
Oscilador por Ponte de Wien.

 

Os valores típicos dos componentes são mostrados no mesmo circuito, exceto os capacitores e resistores da rede de realimentação.

Este tipo de circuito também pode ser realizado em torno de um amplificador operacional, veja a figura 9.

 

Oscilador de Ponte de Wien com amplificador operacional.
Oscilador de Ponte de Wien com amplificador operacional.

 

Na fórmula para calcular a frequência de operação do circuito, dada a seguir, as unidades usadas são:

 

f = 1/ ( 2? (R1 x R2 x C1 x C2 )

 

f = frequência em hertz

?(Pi) = 3,14 = constante

C1, C2 = capacitâncias em farads

R1, R2 = resistências em ?

 

OSCILADOR DE RELAXAÇÃO

Este é um oscilador que pode ser montado em torno de qualquer tipo de dispositivo que apresente uma característica de resistência negativa, tais como lâmpadas neón, SCRs, diodos tunnel, transistores unijunção, transistores programáveis unijunção (PUT) e até mesmo amplificadores operacionais e transistores em configurações que simulem dispositivos de resistência negativa.

Na figura 10 temos alguns tipos de osciladores de relaxação com valores típicos de componentes. A fórmula para calcular sua frequência é dada a seguir:

 

f = 1 / ( 1,1 x R x C)

 

Osciladores de relaxação.
Osciladores de relaxação.

 

Para o circuito com dois transistores comuns numa configuração equivalente a um transistor unijunção, temos a simulação do seu funcionamento feita no Electronics Workbench com a forma de onda projetada no osciloscópio virtual mostrada na figura 11.

 

Forma de onda no oscilador virtual do oscilador de relaxação.
Forma de onda no oscilador virtual do oscilador de relaxação.

 

Observe que obtemos na saída pulsos cuja duração depende do tempo de descarga do capacitor e cuja ascendente, até o ponto de disparo (dente-de-serra), depende dos valores dos componentes usados na rede RC.

Para dispositivos comuns como transistores unijunção, transistores comuns, amplificadores operacionais e lâmpadas neón este circuito gera sinais tipicamente na faixa de áudio até algumas dezenas de quilohertz. No entanto, os circuitos com diodos tunnel podem gerar sinais de altíssimas frequências, chegando aos gigahertz como o apresentado na figura 12.

 

Oscilador com diodo tunnel.
Oscilador com diodo tunnel.

 

Neste circuito o ponto de tunnel, em que o dispositivo apresenta uma resistência negativa, ocorre com uma tensão muito baixa, da ordem de algumas centenas de milivolts que deve ser ajustada no potenciômetro.

 

OSCILADOR HARTLEY

Este é um oscilador LC capaz de gerar sinais senoidais desde alguns hertz até centenas de megahertz. A configuração básica para um transistor NPN de uso geral como o BC548 e que pode gerar sinais na faixa indicada é mostrada na figura 13.

 

Oscilador Hartley.
Oscilador Hartley.

 

O capacitor de realimentação usado tem o valor (na faixa indicada) determinado pela frequência de operação. Para a faixa de 10 a 100 MHz , por exemplo, este capacitor terá valores entre 47 pF e 1 nF. Para a faixa de áudio, este componente terá valores na faixa de 10 nF a 470 nF.

A frequência depende do circuito LC, segundo a fórmula dada a seguir, onde temos as seguintes unidades usadas:

 


 

f = frequência em hertz

L = indutância de L em henry

C = capacitância em farads

?(Pi) = constante = 3,14

Observe que a inversão de fase do sinal para realimentação vem justamente do fato da bobina possuir uma derivação. Esta bobina se comporta como se fossem duas bobinas enroladas em sentidos opostos. Desta forma, o sinal numa extremidade tem fase oposta em relação à outra, tomando como referência o ponto central de alimentação.

Estas formas de onda podem ser vistas na figura 14 onde temos uma simulação feita com o Electronics Workbench.

 

Formas de onda no oscilador Hartley.
Formas de onda no oscilador Hartley.

 

Os valores típicos dos componentes para transistores comuns como o BC548 (até 50 MHz) e BF494 (até 150 MHz) são dados no diagrama.

 

OSCILADOR DE BLOQUEIO

Este oscilador também é conhecido como Armstrong e tem a configuração básica mostrada na figura 15.

 

Oscilador de bloqueio.
Oscilador de bloqueio.

 

Como carga de coletor é ligada uma bobina que na verdade é o primário de um transformador. Ao ser percorrida por uma corrente, ela induz no secundário (outra bobina) uma tensão que se opõe à polarização do transistor, bloqueando sua condução.

Com o corte do transistor, a corrente de coletor cessa e novamente a base pode ser polarizada, levando o transistor à condução. Com a condução temos nova indução de corrente e o processo se repete indefinidamente enquanto houver alimentação disponível para o circuito.

A frequência é determinada pelo circuito RC e os valores mostrados na figura 15 são para um oscilador que pode gerar sinais na faixa de 100 kHz a 10 MHz, utilizando um transistor de uso geral como BC548.

 

CALCULANDO BOBINAS

Um dos problemas que o projetista encontra num projeto de oscilador é calcular quantas espiras de determinado fio devem ser enroladas numa forma com determinadas dimensões para obter a indutância que, em paralelo com um capacitor, levará à frequência desejada.

A fórmula dada junto à figura 16 é boa para a maioria dos casos, pois trata-se de uma fórmula empírica que pode ser utilizada com pequenos indutores de osciladores entre 10 e 200 MHz com boa precisão.

 


 

Nesta fórmula temos:

L = indutância em henry (H)

n = número de espiras

s = seção de uma espira (área *) em centímetros quadrados

l = comprimento da bobina em centímetros

 

A área, na verdade, pode ser calculada pela fórmula junto ao diagrama em função do raio em centímetros, ou do diâmetro também em centímetros.

Na prática, o que se faz é fixar comprimento e diâmetro e determinar o número de espiras, e em sua função escolher o fio apropriado.

Quando a bobina tem um núcleo, inclui-se na fórmula o coeficiente de permeabilidade do material usado.

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N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

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