- El circuito del tanque
- Oscilador Colpitts basado en transistores
- Oscilador Colpitts basado en amplificador operacional
- Diferencia entre el oscilador de Colpitts y el oscilador de Hartley
- Aplicación del circuito del oscilador de Colpitts
Un oscilador es una construcción mecánica o electrónica que produce oscilación dependiendo de pocas variables. Todos tenemos dispositivos que necesitan osciladores como un reloj tradicional o un reloj de pulsera. Varios tipos de detectores de metales, computadoras donde están involucrados microcontroladores y microprocesadores usan osciladores, especialmente osciladores electrónicos que producen señales periódicas. Hablamos de algunos osciladores en nuestros tutoriales anteriores:
- Oscilador de cambio de fase RC
- Oscilador de puente Wein
- Oscilador de cristal de cuarzo
- Circuito del oscilador de cambio de fase
- Oscilador controlado por voltaje (VCO)
El oscilador Colpitts fue inventado por el ingeniero estadounidense Edwin H. Colpitts en 1918. El oscilador Colpitts funciona con una combinación de inductores y condensadores formando un filtro LC. Al igual que otros osciladores, el oscilador Colpitts consta de un dispositivo de ganancia y la salida está conectada con un circuito de retroalimentación del circuito LC. El oscilador de Colpitts es un oscilador lineal que produce una forma de onda sinusoidal.
El circuito del tanque
El dispositivo de oscilación principal en el oscilador Colpitts se crea utilizando el circuito del tanque. El circuito del tanque consta de tres componentes: un inductor y dos condensadores. Dos condensadores están conectados en serie y estos condensadores están conectados en paralelo con el inductor.
En la imagen de arriba, se muestran tres componentes del circuito del tanque con las conexiones adecuadas. El proceso comienza con la carga de dos condensadores C1 y C2. Luego, dentro del circuito del tanque, estos dos condensadores en serie se descargan en el inductor paralelo L1 y la energía almacenada en el condensador se transfiere al inductor. Debido al capacitor conectado en paralelo, el inductor ahora descargado por los dos capacitores y los capacitores comienzan a cargarse nuevamente. Esta carga y descarga en ambos componentes continúa y, por lo tanto, proporciona una señal de oscilación a través de él.
La oscilación depende en gran medida de los condensadores y del valor del inductor. La siguiente fórmula sirve para determinar la frecuencia de oscilación:
F = 1 / 2π√LC
donde F es la frecuencia y L es el inductor, C es la capacitancia equivalente total.
La capacitancia equivalente de los dos capacitores se puede determinar usando
C = (C1 x C2) / (C1 + C2)
Durante esta fase de oscilación en el circuito del tanque, se produce alguna pérdida de energía. Para compensar esta energía perdida y mantener la oscilación dentro del circuito del tanque, se requiere un dispositivo de ganancia. Hay muchos tipos diferentes de dispositivos de ganancia que se utilizan para compensar la pérdida de energía dentro del circuito del tanque. Los dispositivos de ganancia más comunes son transistores y amplificadores operacionales.
Oscilador Colpitts basado en transistores
En la imagen de arriba, se muestra el oscilador Colpitts basado en transistores donde el dispositivo de ganancia principal del oscilador es un transistor NPN T1.
En el circuito, se requieren las resistencias R1 y R2 para el voltaje base. Estas dos resistencias se utilizan para hacer un divisor de voltaje en la base del transistor T1. La resistencia R3 se utiliza como resistencia de emisor. Esta resistencia es muy útil para estabilizar el dispositivo de ganancia durante la deriva térmica. El condensador C3 se utiliza como condensador de derivación de emisor que se conecta en paralelo con la resistencia R3. Si eliminamos este condensador C3, la señal de CA amplificada se descargará a través de la resistencia R3 y dará como resultado una ganancia pobre. Por lo tanto, se proporciona al condensador C3 un camino fácil para la señal amplificada. La retroalimentación del circuito del tanque se conecta además usando el C4 a la base del transistor T1.
La oscilación del circuito oscilador Colpitts basado en transistores depende del cambio de fase. Esto es bien conocido como criterio de Barkhausen para el oscilador. Según el Criterio de Barkhausen, la ganancia del lazo debe ser ligeramente mayor que la unidad y el cambio de fase alrededor del lazo debe ser de 360 grados o 0 grados. Entonces, durante este caso, para proporcionar la oscilación a través de la salida, el circuito total necesita 0 grados o un cambio de fase de 360 grados. La configuración del transistor como emisor común proporciona un cambio de fase de 180 grados, mientras que el circuito del tanque también contribuye con un cambio de fase adicional de 180 grados. Al combinar estos cambios de dos fases, el circuito total logra un cambio de fase de 360 grados que es responsable de la oscilación.
La retroalimentación se puede controlar mediante los dos condensadores C1 y C2. Estos dos condensadores están conectados en serie y la unión se conecta además con la tierra de suministro. El voltaje en C1 es mucho mayor que el voltaje en C2. Al cambiar esos dos valores de condensador, podemos controlar el voltaje de retroalimentación que se realimenta al circuito del tanque. La determinación del voltaje de retroalimentación es una parte crucial de los circuitos porque la baja cantidad de voltaje de retroalimentación no activaría la oscilación, mientras que una alta cantidad de voltaje de retroalimentación terminará destruyendo la onda sinusoidal de salida e inducirá distorsión.
El oscilador Colpitts se puede sintonizar cambiando el valor de inductancia y capacitancia. Hay dos formas de hacer que el oscilador Colpitts funcione en una configuración de ajuste variable.
La primera forma es cambiar el inductor como un inductor variable y la otra forma es cambiar los condensadores como un condensador variable. En la segunda opción, como el voltaje de retroalimentación depende en gran medida de la relación de C1 y C2, es recomendable utilizar un grupo simple. De modo que cuando hay variación en un capacitor, el otro capacitor también cambia su capacitancia de acuerdo con él.
Oscilador Colpitts basado en amplificador operacional
En la imagen anterior se muestra el circuito oscilador Colpitts basado en amplificador operacional. El amplificador operacional está en modo de configuración inversora. Las resistencias R1 y R2 se utilizan para proporcionar la retroalimentación necesaria al amplificador operacional. El circuito del tanque está conectado junto con el inductor único en paralelo con dos condensadores en serie. La entrada del amplificador operacional está conectada a la retroalimentación del circuito del tanque.
El funcionamiento es el mismo que se discutió en el circuito oscilador Colpitts basado en transistores anterior. Durante el arranque, el amplificador operacional amplifica la señal de ruido que es responsable de cargar dos condensadores. La ganancia del oscilador Colpitts basado en amplificador operacional es mayor que la del oscilador Colpitts basado en transistores.
Diferencia entre el oscilador de Colpitts y el oscilador de Hartley
El oscilador Colpitts es muy similar al oscilador Hartley, pero hay una diferencia en la construcción entre estos dos. Aunque estos dos circuitos osciladores constan de tres componentes como un circuito de tanque, el oscilador Colpitts usa un solo inductor en paralelo con dos capacitores en serie, mientras que el oscilador Hartley usa exactamente opuesto, un solo capacitor en paralelo con dos inductores en serie. El oscilador Colpitts funciona más estable en funcionamiento de alta frecuencia que el oscilador Hartley.
El oscilador Colpitts es una excelente opción en el funcionamiento de alta frecuencia. Puede producir una frecuencia de salida en el rango de Megahertz, así como en el rango de Kilohertz.
Aplicación del circuito del oscilador de Colpitts
1. Debido a las dificultades en una variación suave del inductor y el condensador, el oscilador Colpitts se utiliza principalmente para la generación de frecuencia fija.
2. El uso principal del oscilador Colpitts es en dispositivos móviles u otros dispositivos de comunicaciones controlados por radiofrecuencia.
3. En oscilación de alta frecuencia, el oscilador Colpitts es una excelente opción. Por lo tanto, los dispositivos basados en osciladores de alta frecuencia utilizan Colpitts Oscillator.
4. En unas pocas aplicaciones donde se necesita oscilación continua y no amortiguada además de estabilidad térmica, se utiliza el oscilador Colpitts.
5. Para aquellas aplicaciones que necesitan una amplia gama de frecuencias con mínimo ruido inducido.
6. Muchos tipos de sensores basados en SAW utilizan el oscilador Colpitts
7. Varios tipos de detectores de metales utilizan el oscilador Colpitts.
8. El transmisor de radiofrecuencia relacionado con la modulación de frecuencia utiliza el oscilador Colpitts.
9. Tiene una gran aplicación en productos de grado militar y comercial.
10. En aplicaciones de microondas, también se requieren circuitos caóticos relacionados con el enmascaramiento de señales del oscilador Colpitts en el rango de frecuencia diferente.