Como escolher a configuração certa de oscilador para uma determinada aplicação? Este é um problema que muitos técnicos, com sólida formação em eletrônica, podem encontrar dificuldades para solucionar. Precisando gerar um sinal de determinada frequência e forma de onda, sempre existem diversas configurações para auxiliar o projetista, mas certamente uma delas pode atender às finalidades melhor. Para descobrir qual é essa configuração é a melhor o técnico precisa conhecer os princípios de funcionamento dos principais osciladores e é justamente disso que vamos falar neste artigo. O leitor que faz projetos deve guardá-lo para consulta permanente.
Preciso gerar um sinal de 1 MHz com forma de onda senoidal. Que tipo de oscilador devo usar?
Não sabemos quantas vezes os leitores já tiveram de responder a este tipo de pergunta, folheando esquemários ou sua coleção de revistas na procura de uma configuração que atendesse a essas características. Talvez o leitor até tenha encontrado vários circuitos capazes de gerar o mesmo sinal, mas na hora da escolha mais uma dúvida: qual deles usar?
Dúvidas sobre o uso de osciladores são comuns, e a melhor maneira de saná-las é entendendo como funcionam estes úteis circuitos.
Isso significa que, para sabermos como usar um oscilador, devemos "começar do começo", ou seja, analisar o que é um oscilador e como ele funciona.
Basicamente existem dois tipos de osciladores: os que fazem uso de elementos com características de resistência negativa ou que "disparam" quando uma tensão é atingida, e os que fazem uso e amplificadores que partem para um processo de realimentação positiva, ou simplesmente "jogam" de volta parte do sinal da saída na sua entrada, conforme mostra afigura 1.
Onde usar cada um é algo que vai depender do tipo de sinal gerado, ou seja, faixa de frequências e forma de onda. Vamos analisá-los separadamente.
a) OSCILADORES COM DISPOSITIVOS DE RESISTÊNCIA NEGATIVA
Num resistor temos uma característica determinada resistência que tem um valor constante, ou seja, independe da corrente e da tensão. A resistência, conforme sabemos é dada pela tangente do ângulo que a característica corrente em função da tensão forma com o eixo I, conforme mostra a figura 2.
No entanto, existem componentes que não apresentam uma resistência constante para uma determinada faixa de correntes e tensões. Tomemos por exemplo uma simples lâmpada neon. Aumentando a tensão a partir de zero volt, vemos que a corrente pouco aumenta, o que significa a presença de uma resistência mais ou menos constante de um valor muito alta. Esta resistência de muitos meg? praticamente impede a circulação da corrente.
Quando a tensão chega a um valor em torno de 80 volts, entretanto, repentinamente a lâmpada tem seu comportamento alterado. O gás no seu interior ioniza e ela se torna condutora com uma redução muito grande a sua resistência.
Colocando esse comportamento na forma de um gráfico vemos que a partir do ponto de ionização, quando a lâmpada se torna condutora, a curva se torna descendente com um ângulo que tem uma tangente negativa. Ora, como a tangente desse ângulo indica a resistência, dizemos que neste trecho da curva temos um setor de resistência negativa, conforme mostra a figura 3.
Componente que se comportam desta forma "disparam" com determinadas tensões e podem ser usados num tipo de oscilador denominado "oscilador de relaxação".
Analisemos alguns desses osciladores:
Oscilador de Relaxação Com Lâmpada Neon:
Este é um oscilador bastante primitivo, tendo sido muito usado antes mesmo do advento dos transistores, por ser a lâmpada neon um componente antigo. Na figura 4 temos o circuito básico de um oscilador de relaxação com lâmpada neon.
O princípio de funcionamento deste circuito é o seguinte: o capacitor se carrega através do resistor até ser atingida a tensão de disparo da lâmpada, em torno de 80 V. Quando isso ocorre, a lâmpada conduz intensamente a corrente provocando a descarga parcial do capacitor. Essa descarga vai ocorrer até o momento em que a lâmpada não mais consegue se manter ionizada. Com o desligamento da lâmpada, o capacitor volta a se carregar até ocorrer o novo disparo.
O circuito oscila então com o capacitor carregando-se e descarregando-se entre dois valores de tensão: a mais elevada em que ocorre a ionização e uma mais baixa que é a tensão de manutenção, ou seja, aquele em que a lâmpada desliga. A forma de onda deste sinal é dente-de-serra.
A lâmpada neon é um dispositivo lento, o que impede que esse circuito possa ser usado para gerar sinais de frequências muito altas. O limite para este oscilador está em torno de 10 kHz e a intensidade do sinal depende da corrente de descarga do capacitor.
Como o sinal obtido é bastante fraco, este circuito pode ser usado em aplicações de áudio, com o sinal excitando um transdutor ou um pequeno amplificador. Se a frequência for muito baixa, veremos a lâmpada piscar no instante de ionização e o circuito pode ser usado como um pisca-pisca.
Podemos colocar num quadro as vantagens e desvantagens deste oscilador:
CARACTERISTICAS:
* Faixa de frequências: 0,001 Hz a 10 000 Hz (áudio)
* Tensão mínima de operação: 90 V
* Forma de onda gerada: dente de serra e pulsos
* Potência de saída: muito baixa
Usos: temporizadores, geradores de áudio, injetores de sinais, bases de tempo, decoração, sinalização, disparo de SCRs e TRIACs.
Oscilador de Relaxação Com Transistor Unijunção:
O transistor unijunção (TUJ ou UJT) pode ser considerado um equivalente semicondutor da lâmpada neon e por isso pode ser usado como base para um oscilador de relaxação. Na figura 5 temos a configuração de um oscilador com este componente.
O resistor e o capacitor determinam a constante de tempo do circuito. A frequência deste oscilador pode ser dada com boa aproximação pela expressão:
f = 1/(RC)
O funcionamento do circuito é o seguinte: o capacitor carrega-se através do resistor até ser atingida a tensão de disparo do transistor. Essa tensão é fixada pela característica do componente denominada "relação intrínseca" que diz em que proporção da tensão aplicada entre as bases, uma tensão de emissor leva o dispositivo à condução.
Quando a tensão de disparo é atingida o transistor "liga" permitindo que o capacitor se descarregue com a produção de um pulso de curta duração.
A descarga não é total. No ponto certo, o transistor desliga e novamente o capacitor se carrega pelo resistor para um novo ciclo de funcionamento.
São obtidas basicamente duas formas de onda neste circuito: no capacitor temos um sinal dente de serra, exatamente como no caso do oscilador com lâmpada neon, e na base 1 (B1) do transistor, temos pulsos de curta duração que correspondem à descarga do capacitor.
Como as lâmpadas neon, os transistores unijunção são algo lentos, e este oscilador não consegue funcionar satisfatoriamente em frequências que passem de 100 kHz.
Os pulsos obtidos, entretanto podem ser bastante intensos servindo para o disparo de dispositivos comutadores como SCRs e TRIACs. Se o capacitor usado for suficientemente grande os pulsos podem excitar pequenos alto-falantes e até produzir piscadas em LEDs.
Para um transistor unijunção popular como o 2N2646 a tensão de alimentação pode ficar entre 6 e 30 V. Os pulsos gerados terão uma tensão de pico menor que a usada na alimentação e que justamente vai ser fixada pelo ponto de disparo.
Um LED ligado entre a base 1 (B1) e o terra do circuito (circuito de descarga), com capacitores de 1 µF e resistores de 10 k? a 1 M? piscará numa frequência muito baixa, entre 1 e 10 Hz.
Para se obter um sinal dente de serra linear, já que a curva de carga do capacitor é exponencial, podem ser agregados recursos como um transistor na configuração de fonte de corrente constante. Desta forma, pode-se obter um dente mais próprio para se usar num circuito de varredura ou base de tempo linear.
CARACTERÍSTICAS:
* Faixa de frequências: 0,001 Hz a 100 kHz
* Tensões de alimentação: 6 a 30V
* Sinais gerados: dente de serra e pulsos
* Potência de saída: baixa e média
Usos: temporização, áudio, disparo de SCRs e TRIACs, sinalização, bases de tempo e circuitos de varredura, etc.
Outros Osciladores de Relaxação:
Além da lâmpada neon e dos transistores unijunção existem outros componentes interessantes que apresentam características de resistência negativa e que por isso podem ser usados como osciladores de relaxação.
Dentre os mais lentos citamos as lâmpadas fluorescentes, os transistores programáveis unijunção (PUTs) e os SCRs que podem ser empregados em osciladores de áudio de temporizadores, conforme mostram os circuitos da figura 6.
Dentre os mais rápidos citamos os Diacs e os Diodo Túnel.Os diodos túnel podem gerar sinais acima de 1 000 MHz (1 GHz) servindo com isso para a elaboração de micro-transmissores e osciladores para a faixa de micro-ondas (UHF e SFH).
Na figura 7 temos um exemplo de um oscilador para a faixa de micro-ondas usando um diodo túnel.
Entretanto, tais diodos não são comuns no mercado o que torna bastante difícil o acesso a este tipo de circuito por parte do montador comum.
b) OSCILADORES COM DISPOSITIVOS AMPLIFICADORES
Qualquer dispositivo que amplifique um sinal pode ser usado como base para um circuito oscilador. Podemos dar como exemplos as válvulas, os transistores comuns, transistores de efeito de campo, etc.
Um oscilador deste tipo tem então um elemento amplificador e uma "rede de realimentação positiva" que tem por finalidade "jogar" parte do sinal retirado na saída, de volta na entrada.
Evidentemente, um amplificador para oscilar tem de satisfazer certos requisitos: a parte do sinal retirada da saída e jogada de volta à entrada tem de ser capaz de excitar o circuito e portanto mantê-lo funcionando. Isso implica que a condição necessária para se obter a oscilação é que o ganho do circuito seja maior que 1.
Os diversos tipos de osciladores recebem nomes que dependem da maneira como a realimentação é feita ou então que homenageiam seus descobridores. Os mais comuns são os seguintes:
Oscilador Hartley:
Este oscilador é bastante popular tanto em vista de sua simplicidade como pelas suas características que permitem gerar sinais que vão desde a faixa de áudio até algumas dezenas de megahertz, utilizando-se componentes comuns.
A configuração básica do oscilador Hartley com transistor NPN é mostrada na figura 9.
Neste oscilador, a frequência das oscilações é basicamente determinada pela bobina e pelo capacitor em paralelo que formam um circuito ressonante. A fórmula que relaciona estes dois componentes com a frequência gerada está junto ao diagrama.
O resistor tem por finalidade fazer a polarização de base do transistor e o capacitor Cb fornece o percurso para o sinal de realimentação. O resistor, juntamente com o capacitor Cb possuem certa constante de tempo que "retarda" o sinal de realimentação e por isso esses componentes têm certa influência na frequência do sinal gerado. Assim, nos circuitos de baixa frequência é comum agregar-se um controle de frequência a este tipo de oscilador na forma de um potenciômetro que atua sobre a polarização.
A realimentação é obtida fazendo-se com que o enrolamento da bobina forme um auto-transformador. Metade do enrolamento é a carga e a outra metade funciona como um secundário que inverte a fase do sinal e o joga com a fase invertida à base do transistor de modo a manter as oscilações. Veja que o transistor na configuração de emissor comum inverte a fase do sinal amplificado, por isso, para excitá-lo precisamos desta inversão que é garantida pela bobina com derivação.
O sinal para ser usado num circuito externo pode ser retirado diretamente do coletor do transistor. No entanto, também podemos ter um segundo enrolamento no transformador para esta finalidade.
Com uma segunda bobina, conforme mostra a figura 10, não só podemos ter melhor casamento de impedância com o circuito que vai ser excitado como ainda garantimos um isolamento entre o oscilador e o que vai ser excitado.
Nos circuitos de áudio, em que o oscilador Hartley deve gerar sinais de frequências menores que 10 Hz, um transformador comum de saída para transistores ou semelhante pode ser usado, pois se necessita de impedâncias elevadas.
Veja que o sinal deste circuito, à medida que a frequência aumenta, se aproxima bastante da forma de onda senoidal. A potência gerada também pode ser bastante alta. Com transistores como os TIP41 e 2N3055 é possível obter diretamente de um circuito como esses sinais de até algumas dezenas de watts na faixa de áudio.
Para a faixa de RF este circuito também tem bom rendimento, podendo ser elaborados pequenos transmissores para a faixa de ondas médias e curtas, conforme mostra a figura 11.
Na figura 12 temos um circuito básico para a faixa de áudio e RF até alguns megahertz com os valores típicos dos componentes que podem ser usados num projeto.
Para maiores potências podem ser usados transistores como o BD135 ou TIP41 montados em radiadores de calor e a tensão de alimentação pode chegar aos 12 ou 15 volts.
CARACTERÍSTICAS:
* Faixa de frequências: alguns hertz a 50 MHz (tip)
* Tensões de alimentação: 3 a 30V com transistores e 80 a 1000V com válvulas (dependendo do tipo)
* Sinais gerados: senoidais
* Potência de saída: 5 mW a 50W com componentes comuns
Usos: geradores de áudio, inversores, pequenos transmissores, geradores de ultrassons, osciladores de RF, etc.
Observe que nas baixas frequências precisamos de bobinas de grandes indutâncias neste circuito. O núcleo dessas bobinas deve ser de ferro laminado ou ferrite o que leva a dispositivos de grande porte para o caso de potências elevadas como por exemplo em inversores.
OSCILADOR COLPITTS
No oscilador Hartley a realimentação de sinal é feita por meio de derivação no enrolamento. O oscilador Colpitts tem um princípio de funcionamento semelhante ao Hartley com a diferença de que a realimentação é obtida por uma derivação capacitiva e não pela bobina, conforme mostra a figura 13.
A bobina empregada neste caso não tem derivação. A frequência de operação do circuito vai ser determinada pela indutância da bobina e pelos valores dos capacitores. Um oscilador como este pode gerar sinais que vão desde a faixa de áudio até algumas dezenas de megahertz. O rendimento do circuito é bom, mas menor que o Hartley.
A retirada do sinal para um circuito externo pode ser feita da mesma maneira que no caso do oscilador Hartley.
Variações para este circuito podem ser obtidas com a alteração da configuração do elemento ativo (válvula ou transistor). No exemplo que demos o transistor está na configuração de emissor comum, mas podemos modificar a configuração conforme a faixa de frequências geradas.
Por exemplo, na configuração de base comum temos uma redução dos efeitos das capacitâncias de base do transistor o que permite alcançar frequências bem mais elevadas do que nas outras configurações.
CARACTERÍSTICAS:
* Faixa de frequências: alguns hertz a 50 MHz
* Tensões de alimentação: 3 a 40V com transistores (tip)
* Sinais gerados: senoidais
* Potência de saída: mW a alguns watts
Uso: transmissores, geradores de RF, bases de tempo, receptores, etc.
Oscilador Por Deslocamento de Fase:
Este circuito não tem um rendimento muito elevado, servindo mais para a produção de sinais senoidais de pequena potência na faixa de áudio. No máximo algumas dezenas de quilohertz podem ser obtidos desta configuração, partindo-se do circuito mostrado na figura 14.
Nesta configuração, os resistores e capacitores da rede de realimentação são calculados para fornecer um deslocamento de fase apropriado para o sinal na frequência deve ser gerada. Assim, o sinal obtido no coletor, ao ser reaplicado via rede de realimentação, à entrada do circuito chega com sua fase invertida, condição fundamental para a manutenção das oscilações numa etapa de emissor comum.
Como o rendimento do circuito é baixo, pois as perdas são elevadas no circuito de realimentação, o sinal obtido na saída normalmente é fraco, e para seu uso é sempre preciso contar com etapas de amplificação.
A utilização deste circuito, entretanto, é bastante atraente quando precisamos de sinais senoidais de frequências muito baixas, na faixa de 0,1 a 10 Hz, já que a distorção obtida é pequena e a estabilidade é grande.
Na figura 15 temos um exemplo de circuito de efeitos para guitarras e violões (trêmulo) usando um oscilador deste tipo.
Como a amplificação deve ser grande para a manutenção das oscilações é importante que o transistor (ou outro elemento ativo) usado neste circuito tenha um bom ganho, pois pelo contrário, sua partida pode ser difícil e ele se "negará" a oscilar.
CARACTERÍSTICAS:
* Faixa de frequências: alguns hertz a dezenas de quilohertz
* Tensões de alimentação: 6 a 30V (com transistores)
* Sinais gerados: senoidais
* Potência de saída: baixa
Usos: baixas frequências, efeitos sonoros, metrônomos, áudio, instrumentos musicais, etc.
Oscilador de Bloqueio:
Este é um oscilador bastante usado, sendo encontrado principalmente nas aplicações de baixa e média potência de até alguns megahertz. Nos circuitos de varredura de televisores este circuito também é muito usado, dada sua simplicidade e a possibilidade de se obter sinais dente de serra. na figura 16 temos a sua configuração básica.
Neste circuito, o enrolamento principal (L1) do transformador é ligado ao coletor do transistor tendo em paralelo cum capacitor Cv que forma o sistema ressonante responsável pela frequência das oscilações. Nesse enrolamento aparece a corrente total do circuito, servindo portanto como "tanque" de saída.
O enrolamento L2 serve de derivação ou secundário, de onde é retirado o sinal para realimentação. Por meio de L2 temos a reaplicação, com a fase apropriada de parte do sinal de saída de volta à entrada de modo a manter as oscilações.
Este sinal, na realidade atua sobre o circuito bloqueando sua condução, ou seja, com sua presença não há corrente daí a denominação do circuito. O resistor R polariza a base do transistor para o funcionamento.
O resistor R deve ser dimensionado de tal forma a produzir uma corrente de coletor de acordo com as características do transistor.
A saída deste oscilador tanto pode ser obtida diretamente do coletor do transistor como a partir de uma terceira bobina enrolada sobre L1 e L2.
CARACTERÍSTICAS:
* Faixa de frequências: alguns hertz até algumas dezenas de megahertz.
* Tensões de alimentação: 3 a 100 Volts (conforme o transistor)
* Sinais gerados: senoidais ou dente de serra
* Potência de saída: média e alta (até alguns watts)
Usos: RF, sincronismo de televisores, pequenos transmissores, geradores de áudio e sinais, bases de tempo, etc.
Na figura 17 damos um diagrama de um pequeno transmissor de ondas curtas utilizando como base este tipo de oscilador.
A forma de onda rica em harmônicas, entretanto, exige o emprego de filtros na saída para se obter um funcionamento apropriado em telecomunicações. Experimentalmente, a antena pode ser do tipo telescópico.
Oscilador Controlado Por Cristal:
Alguns dos osciladores que vimos podem ter suas frequências controladas com precisão a partir de cristais de quartzo. Nos casos em que existe um cristal para se fixar ou estabilizar a frequência do oscilador, dizemos que se tratam de osciladores controlados por cristal ou simplesmente osciladores à cristal.
Na figura 18 temos um exemplo de oscilador controlado por cristal para operação em frequências elevadas.
A principal vantagem do cristal está na enorme estabilidade de frequência obtida. Em radiotransmissão é muito importante usar cristais assim como em instrumentos de precisão.
Na figura 19 temos o aspecto de cristais usados em radiotransmissão e mesmo em outros tipos de circuitos.
Os cristais podem ter frequências de vibração naturais que variam entre algumas dezenas de quilohertz até megahertz.
Existem osciladores com cristais em que a frequência pode ser ajustada numa determinada faixa de valores. Tais osciladores são denominados VXO e são bastante usados em transmissores.
CARACTERÍSTICAS:
* Faixa de frequências: 20 kHz a 200 MHz
* Tensões de alimentação: a partir de 5V tipicamente
* Sinais gerados: senoidais
* Potência de saída: pequena e média
Usos: osciladores de precisão, instrumentação, transmissores de telecomunicações, circuitos digitais, relógios, cronômetros, TV, etc.
Multivibradores:
Um tipo importante de gerador de formas de onda e que encontra uma infinidade de aplicações práticas é o que recebe o nome de multivibrador astável ou somente multivibrador. Seu circuito básico é mostrado na figura 20.
Este oscilador se baseia da alternância entre os estados de condução e corte de dois transistores. Essa alternância não encontra um estado estável, e os transistores ficam constantemente trocando de estado numa velocidade determinada pelos valores dos resistores e capacitores.
A frequência máxima de operação deste circuito, com componentes comuns, não vai além de algumas dezenas de megahertz e podemos obter dois tipos de sinais.
Nos coletores dos transistores obtemos sinais retangulares defasados (complementares) e nas bases podemos obter uma forma de onda que se aproxima do dente de serra.
Observe que este circuito não utiliza bobinas, o que o torna bastante interessante em determinados tipos de aplicação, por exemplo em frequências muito baixas, onde indutores de valores elevados seriam caros e volumosos. Na integração também, a não utilização de bobinas consiste numa vantagem que merece ser considerada.
Na figura 21 temos um exemplo de multivibrador obtido a partir de portas de um circuito integrado.
Outra característica importante deste tipo de circuito é que, em frequências não muito elevadas, é possível obter boas potências, ligando a carga diretamente ao coletor de um ou dos dois transistores, como no pisca-pisca mostrado na figura 22.
Os multivibradores podem ser usados em bases de tempo, injetores de sinais, efeitos sonoros, instrumentos musicais e em muitos outros casos onde a frequência está dentro da faixa de áudio ou no máximo de alguns megahertz.
CARACTERÍSTICAS:
* Faixa de frequências: fração de hertz a algumas dezenas de megahertz
* Tensão de alimentação: a partir de 1V
* Sinais gerados: retangulares e dente de serra
* Potência de saída: média e alta
Usos: bases de tempo, instrumentos musicais, efeitos sonoros, pisca-piscas, inversores, etc.
Osciladores Integrados:
Muitos circuitos integrados lineares possuem configurações que permitem a elaboração de osciladores. É o caso de amplificadores operacionais, comparadores de tensão, funções lógicas, etc. Os osciladores elaborados em torno destes circuitos integrados podem ter os mais diversos tipos de configurações, dependendo da realimentação. Assim, em torno de tais integrados podem ser elaborados circuitos osciladores conhecidos como os Hartley, Colpitts, etc.
Como a variedade de configurações possíveis é muito grande, não temos condições de apenas em um artigo fazer a abordagem completa. Assim, será interessante focalizarmos alguns integrados que possuam uma compatibilidade maior com este tipo de função.
Dentre os integrados próprios para a elaboração de osciladores, sem dúvida o mais famoso é o 555 que pode ser usado na configuração astável, conforme mostra a figura 23.
Este circuito pode gerar sinais retangulares cujas frequências vão de fração de hertz até perto de 100 kHz. O circuito integrado 555 pode ser alimentado com tensões entre 5 e 30V e fornece uma potência de saída bastante elevada podendo excitar cargas como LEDs, pequenas lâmpadas e até mesmo relés.
Outro integrado que é bastante usado como oscilador é o 4093, conforme mostra o circuito da figura 24.
Este circuito pode gerar sinais de até uns 4 MHz, sempre com forma de onda retangular e usando alimentação de 3 a 15 Volts.
A potência do sinal é bastante boa podendo excitar LEDs e até transdutores de alta impedância como os tipos cerâmicos.
CARACTERÍSTICAS:
* Faixa de frequências: até alguns megahertz dependendo do tipo.
* Tensão de alimentação: varia conforme o tipo.
* Sinais gerados: retangulares tipicamente
* Saída: media potência e pequena potência
Usos: injetores de sinais, temporizadores, bases de tempo, efeitos sonoros, áudio, inversores, alarmes, etc.
CONCLUSÃO:
O que vimos é apenas uma pequena parcela dos tipos de osciladores com que o projetista pode contar. No entanto, as amostras dadas servem perfeitamente para um trabalho prático, facilitando a escolha do leitor.
Devemos oportunamente abordar novos tipos de osciladores já que se trata de assunto de grande interesse para os nossos leitores.
