10 Osciladores (ART1086)

Se bem que existam soluções integradas para osciladores que podem gerar qualquer freqüência como, por exemplo, as baseadas em microprocessadores, em situações de emergência, no reparo de máquinas e equipamentos, ou simplesmente para se testar um circuito, o desenvolvedor pode precisar de um oscilador usando uma configuração tradicional, usando transistores ou circuitos integrados simples. Neste artigo damos uma coletânea de circuitos osciladores que podem ser de utilidade para quem está precisando de uma configuração deste tipo. (2004)

Osciladores são circuitos necessários numa infinidade de aplicações práticas.

Sempre que precisarmos de uma forma de onda determinada, numa certa freqüência, a solução está num oscilador e para isso o desenvolvedor também tem uma infinidade de opções.

Neste artigo damos alguns osciladores prontos que, com pequenas alterações envolvendo tanto a determinação da freqüência como a intensidade do sinal pode atender às necessidades específicas.

Damos também as fórmulas que permitem calcular os componentes para as freqüências desejadas, mantendo os demais fixos.

O projetista que souber calcular e otimizar um projeto não terá dificuldades em adaptar qualquer dos osciladores que descrevemos para a aplicação que tenha em mente.

Multivibrador Astável

Uma outra configuração tradicional de oscilador usada quando se deseja um sinal retangular é a que faz uso de dois transistores ligados como multivibrador astável.

A configuração mostrada na figura 1 pode gerar sinais que vão de fração de Hertz até algumas dezenas de megahertz, sem problemas, usando transistores comuns.

 

Junto ao diagrama temos a fórmula que permite calcular os componentes para a freqüência desejada.

Fazendo R2 = R3 e C1 = C2 o ciclo ativo será de 50%. Podemos usar capacitores diferentes para obter outros ciclos ativos.

Os capacitores podem ter valores entre 10 nF e 100 µF tipicamente.

Os resistores R1 e R4 podem ser alterados assim como R2 e R3 em função da tensão de alimentação. O circuito opera satisfatoriamente entre 3 e 12 V.

Na figura 2 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para a montagem deste oscilador.

 

Para os valores indicados a freqüência estará em torno de 3,5 kHz, com alimentação de 6 V.

Oscilador de Duplo T

Osciladores de duplo-T consistem numa solução simples para se gerar sinais senoidais de baixas freqüências, até uns 10 kHz tipicamente.

Esses circuitos também podem ser usados para gerar oscilações amortecidas bastando para isso que R/2 seja substituído por um trimpot de mesmo valor.

No caso de oscilações amortecidas, o estímulo para sua produção pode ser aplicado à base do transistor através de um capacitor ou um diodo.

Na figura 3 temos então a configuração básica de um oscilador de duplo-T.

 

Valores típicos de R estão entre 100 k e 150 k Ω e para os capacitores (C) valores entre 4,7 nF e 470 nF podem ser usados.

Observe a necessidade dos componentes do duplo T manter as relações de valores indicadas no diagrama.

A fórmula que permite calcular a freqüência em função dos componentes do duplo T também é dada junto ao diagrama, de modo a facilitar o desenvolvedor.

Uma placa de circuito impresso para a montagem do oscilador é mostrada na figura 4, caso ele seja usado isoladamente.

 

Oscilador 555

Pela sua versatilidade, baixo custo e capacidade de gerar sinais retangulares entre fração de hertz até 500 kHz, o 555 consiste numa solução das mais usadas em projetos práticos.

Na verdade, a possibilidade de se contar com 555 em versões CMOS e de baixas tensões abre uma gama enorme de possibilidades de aplicação deste CI para o desenvolvedor.

Como oscilador, o 555 é ligado na configuração mostrada na figura 5, onde as fórmulas junto ao diagrama dão os tempos de saída no nível alto e no nível baixo e a partir delas a freqüência de oscilação.

 

Ra e Rb não podem ser menores que 1 k Ω e o valor máximo recomendado, dadas as instabilidade que podem ser geradas por fugas no capacitor, é 1 M Ω.

Para o capacitor, os valores típicos estão entre 100 pF e 1 500 µF. Valores muito altos podem instabilizar o circuito se o componente usado tiver fugas.

A saída do 555 pode drenar ou fornecer até 200 mA mas com cargas indutivas é interessante usar um circuito driver.

O ciclo ativo deste circuito é maior que 50%. Recursos externos como o uso de diodos para descarga podem ser usados para se modificar o ciclo ativo.

Na figura 6 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para a montagem deste oscilador.

 

A alimentação pode ficar entre 5 e 18 V tipicamente, se bem que existam versões que podem operar com 1,5 V ou menos.

O circuito dado como exemplo gera um sinal de áudio de alguns quilohertz.

Relaxação com Transistores Bipolares

Quando se fala em oscilador de relaxação, logo se pensa nos transistores unijunção que, apesar de serem extremamente versáteis, pela sua antiguidade já não são muito fáceis de obter.

No entanto, o que talvez muitos leitores não saibam é que é possível simular um transistor unijunção com dois transistores bipolares e elaborar um interessante oscilador para baixas freqüências.

Esse oscilador, que pode gerar sinais de 0,001 Hz a 10 kHz tipicamente, tem seu circuito mostrado na figura 7.

 

A alimentação deve ser feita com tensões de pelo menos 12 V e a freqüência é determinada por R e C1 conforme a fórmula aproximada junto ao diagrama.

Essa fórmula é aproximada tanto em função das tolerâncias dos componentes de tempo como dos próprios ganhos dos transistores usados.

O sinal gerado por esse oscilador pode disparar com facilidade entradas de contadores CMOS se for usado um transistor driver adicional, conforme mostra a figura 8.

 

Uma placa de circuito impresso para a montagem do oscilador é dada na figura 9, caso o leitor queira implementá-lo de modo independente.

 

Transistores equivalentes podem ser usados e os valores tanto de R como C1 indicados são os limites recomendados.

R pode ser substituído por um resistor de 47 k Ω em série com um potenciômetro ou trimpot de 1 M para se obter um oscilador de freqüência variável.

Oscilador de Relaxação Neon

Se bem que se trata de uma configuração já superada, pois podemos ter osciladores com componentes mais modernos, trata-se de uma opção interessante para quem precisa de um sinal de baixa freqüência dente de serra com grande amplitude.

Este tipo de circuito pode ser usado no disparo de SCRs, bases de tempo de baixas freqüências e temporização. A grande vantagem está na facilidade de se obter os componentes e na simplicidade do circuito.

Na figura 10 temos então a configuração básica deste oscilador, indicado para a alimentação direta pela rede de energia. A fonte de alimentação é dada em conjunto.

 

Com este oscilador é possível gerar sinais numa faixa que vai de frações de hertz (menos de 0,001 Hz) até uns 20 kHz ou pouco mais, já que a lâmpada neon é um dispositivo lento.

A mesma configuração pode ser implementada com dispositivos mais modernos como diacs e sidacs e até mesmo SCRs, conforme.mostra a figura 11.

 

A fórmula que permite calcular a freqüência de operação é dada junto ao diagrama onde V é a tensão de alimentação, Vt é a tensão de disparo tipicamente de 80 a 90 V para as lâmpadas comuns e Vh a tensão de manutenção entre 50 e 60 V para as mesmas lâmpadas.

O resistor R pode ter valores entre 100 k a 10 M Ω e o capacitor entre 10 nF e 10 µF. Para valores altos recomenda-se o uso de capacitores despolarizados (poliéster).

Observe no gráfico que a tensão oscilará entre Vh e Vt quando o oscilador estiver em operação.

Na figura 12 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para implementação deste oscilador.

 

Oscilador Controlado por Cristal

Uma forma de se obter um sinal de freqüência exata é com o uso de um oscilador controlado por cristal de quartzo.

Para esta finalidade podemos ter circuitos que tanto fazem uso de transistores como de circuitos integrados.

O circuito mostrado na figura 13 pode gerar sinais retangulares (compatíveis com lógica) entre 100 kHz e 2 MHz servindo como clock para microprocessadores, microcontroladores e outras aplicações semelhantes.

 

Utilizamos uma porta de um 4011 mas qualquer porta que possa ser configurada como inversor pode ser empregada.

A alimentação pode ser feita com tensões de 5 a 15 V e os capacitores devem ser cerâmicos.

O sinal produzido é próximo do retangular podendo ser amplificado digitalmente (bufferizado) pelas outras portas do mesmo CI.

Na figura 14 temos uma sugestão de placa de circuito impresso, se bem que, na maioria dos casos, o circuito seja parte de uma configuração mais complexa incluída na mesma placa.

 

O trimmer serve para ajustar o ponto de partida para que o oscilador entre em funcionamento facilmente logo ao ser ligado. Este trimmer também ajusta levemente a freqüência pela sua ação nas ressonâncias internas do cristal.

Uma sugestão para quem deseja freqüências mais baixas utilizando este oscilador é fazer a divisão do sinal por valores que sejam potências de 2 com base num 4020, conforme mostra a figura 15.

 

Conforme mostra a figura, aplicando o sinal na entrada deste CI a freqüência ficará dividida por potências de 2, com a possibilidade de se obter a divisão por até 16 384.

Com isso, freqüências de uns poucos hertz podem ser obtidas com um cristal de maior freqüência, sem problemas. Dois ou mais 4020 podem ser cascateados para se obter freqüências extremamente baixas a partir de cristais.

Oscilador Integrado 4093

Talvez esta seja uma das soluções de oscilador com circuito integrado com maior quantidade de projetos já publicados por nós.

De fato, pela sua versatilidade, capaz de gerar sinais de 0,001 Hz a quase 10 MHz com facilidade e apenas dois componentes externos ela consiste na solução ideal quando se necessita de um sinal retangular.

No caso, aproveitamos apenas uma das quatro portas NAND do 4093 podendo as outras três portas ser usadas com outras finalidades. O circuito básico, com a formula que permite calcular sua freqüência é dado na figura 16.

 

T1 é o período em que a saída permanece no nível alto, enquanto que T2 é o tempo que ela permanece no nível baixo.

Vdd é a tensão de alimentação, Vt a tensão de excursão positiva e Vn a tensao de excursão negativa. Essas duas últimas tensões dependem da alimentação, conforme tabela dada abaixo:

Esses são valores típicos à temperatura ambiente, podendo variar sensivelmente na prática. Assim, eles servem apenas para um cálculo aproximado da freqüência.

O 4093 pode oscilar até uns 7 ou 8 MHz com alimentação de 10 V.

Valores típicos de R estão na faixa de 1 k Ω a 1 M Ω e para C entre 100 pF e 100 µF.

Na figura 17 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para aproveitarmos apenas a primeira porta como oscilador. As demais portas podem ser usadas em outras funções ou ainda ligadas em paralelo como inversores para amplificação digital do sinal gerado.

 

A corrente drenada ou fornecida por cada saída com alimentação de 10 V é de 2,25 mA.

Oscilador Hartley

Para gerar sinais numa faixa de freqüências entre algumas dezenas de quilohertz até 30 ou 40 MHz, o oscilador Hartley mostrado na figura 18 serve perfeitamente.

 

Nesse circuito é o par ressonante LC que determinam a freqüência de operação. Para altas freqüências podemos usar tanto uma bobina com núcleo ajustável como um capacitor variável.

Os valores de C1 são escolhidos em função da faixa de freqüências a serem geradas, assim como a bobina, que deve ser enrolada num bastão de ferrite para as frequências abaixo de 20 MHz e sem núcleo acima de 20 MHz.

A tabela abaixo dá o número de espiras num bastão de 1 cm de diâmetro x 10 cm de comprimento assim como o valor de C1. O valor de C também é dado

Para os valores de resistores indicados no diagrama a alimentação pode ficar entre 3 e 12 V.

A fórmula junto ao diagrama permite calcular de maneira mais exata a freqüência de operação.

Na figura 19 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para a montagem deste oscilador.

 

Observamos que, para freqüências acima de 1 MHz os capacitores devem ser cerâmicos.

Oscilador com Transistor de Efeito de Campo (FET)

Na figura 20 temos um oscilador controlado a cristal que pode gerar sinais na faixa de 100 kHz a 30 MHz, com base no FET de junção (JFET).

 

O capacitor C1 deve ser cerâmico e o transistor admite equivalentes como o MPF102 que, no entanto, tem uma disposição de terminais diferente da indicada.

O choque de RF pode ser do tipo comercial ou fabricado enrolando-se aproximadamente 100 voltas de fio 32 ou mais fino num núcleo de FI aproveitada de rádio transistorizado.

Na figura 21 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para implementação deste simples oscilador.

 

Oscilador RC com dois Inversores

Uma outra solução para se gerar sinais retangulares de alguns hertz até 5 MHz aproximadamente é a que faz uso de dois inversores CMOS, conforme mostra a figura 22.

 

Este oscilador RC tem sua freqüência calculada de modo exato pela primeira fórmula onde Vtr é a tensão de disparo de cada porta. Uma fórmula mais simples, que despreza esse fator, já que ele é aproximadamente o mesmo para uma ampla faixa de alimentações, é dada abaixo, no próprio diagrama.

O resistor Ra deve ser pelo menos 10 vezes maior que R. Valores típicos de R estão na faixa de 10 k Ω a 100 k Ω e o capacitor entre 100 pF e 100 nF. O sinal gerado é retangular.

Qualquer função CMOS que possa ser configurada como inversor pode ser usada neste oscilador, como portas NOR, NAND, Inversores, etc.

Na figura 23 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para implementação deste oscilador.