- ¿Qué es el oscilador?
- Oscilador RC y fase:
- Cambio de fase usando el circuito del oscilador RC:
- Conexión en cascada de múltiples filtros RC:
- Oscilador de cambio de fase RC con transistor:
- Frecuencia del oscilador RC:
- Oscilador de cambio de fase RC con amplificador operacional:
¿Qué es el oscilador?
Un oscilador es una construcción mecánica o electrónica que produce oscilación dependiendo de algunas variables. Todos tenemos dispositivos que necesitan osciladores, un reloj tradicional que todos tenemos en nuestra casa como reloj de pared o reloj de pulsera, varios tipos de detectores de metales, computadoras donde intervienen microcontroladores y microprocesadores, todos usan osciladores, especialmente el oscilador electrónico que produce señales periódicas.
Oscilador RC y fase:
Como discutimos sobre el oscilador RC, y como también se lo conoce como oscilador de cambio de fase, necesitamos una comprensión justa de qué es la fase. Vea esta imagen: -
Si vemos la onda sinusoidal anterior como esta, veremos claramente que el punto de inicio de la señal es 0 grados en fase, y después de eso, cada punto máximo de la señal de positivo a 0, luego nuevamente el punto negativo y nuevamente 0 es, respectivamente, denota 90 grados, 180 grados, 270 grados y 360 grados en posición de fase.
La fase es un período de ciclo completo de una onda sinusoidal en una referencia de 360 grados.
Ahora, sin más demora, veamos qué es el cambio de fase.
Si cambiamos el punto de inicio de la onda sinusoidal a otro que no sea 0 grados, la fase cambia. Entenderemos el cambio de fase en la siguiente imagen.
En esta imagen, se presentan dos ondas de señal sinusoidal de CA, la primera onda sinusoidal verde tiene una fase de 360 grados, pero la roja, que es la réplica de la primera señal de lectura, está a 90 grados de la fase de la señal verde.
Usando el oscilador RC podemos cambiar la fase de una señal sinusoidal.
Cambio de fase usando el circuito del oscilador RC:
RC significa resistencia y condensador. Simplemente podemos formar una red de condensadores de resistencia de cambio de fase utilizando solo una resistencia y una formación de condensador.
Como se ve en el tutorial de filtro de paso alto, aquí se aplica el mismo circuito. Un oscilador de cambio de fase RC típico puede ser producido por un capacitor en serie junto con una resistencia en paralelo.
Esta es una red de cambio de fase unipolar; el circuito es el mismo que el del filtro de paso alto pasivo. Teóricamente, si aplicamos una señal en fase a través de esta red RC, la fase de salida se desplazará exactamente 90 grados. Pero si lo intentamos en realidad y verificamos el cambio de fase, logramos un cambio de fase de 60 grados a menos de 90 grados. Depende de la frecuencia y las tolerancias de los componentes que crean un efecto adverso en la realidad. Como todos sabemos que nada es perfecto, debería haber alguna diferencia entre los llamados valores reales o esperados y la realidad. La temperatura y otras dependencias externas crean dificultades para lograr un cambio de fase exacto de 90 grados, 45 grados es en general, 60 grados es común dependiendo de las frecuencias y lograr 90 grados es un trabajo muy difícil en muchos casos.
Como se discutió en el tutorial de paso alto, construiremos el mismo circuito e investigaremos sobre el cambio de fase del mismo circuito.
El circuito de ese filtro de paso alto junto con los valores de los componentes se encuentra en la siguiente imagen:
Este es el ejemplo que usamos en tutoriales anteriores de filtros pasivos de paso alto. Producirá 4,9 KHz de ancho de banda. Si comprobamos la frecuencia de esquina identificaremos el ángulo de fase en la salida del oscilador.
Ahora podemos ver que el cambio de fase se inicia desde 90 grados, que es el cambio de fase máximo por la red del oscilador RC, pero en el punto de la frecuencia de esquina, el cambio de fase es de 45 grados.
Ahora, considerando el hecho de que el cambio de fase es de 90 grados o si seleccionamos la construcción del circuito del oscilador como una forma especial que producirá un cambio de fase de 90 grados, entonces el circuito perderá su inmunidad en el rango límite debido a un factor de estabilización de frecuencia pobre. Como podemos imaginar, en el punto de 90 grados donde la curva que acaba de comenzar, desde 10 Hz o más bajo hasta 100 Hz, es casi plana. Eso significa que si la frecuencia del oscilador cambia ligeramente debido a la tolerancia de los componentes, la temperatura u otras circunstancias inevitables, el cambio de fase no cambiará. Esa no es una buena elección. Por lo tanto, consideramos que 60 grados o 45 grados es el cambio de fase aceptable para el oscilador de red RC de un solo polo. La estabilidad de la frecuencia mejorará.
Conexión en cascada de múltiples filtros RC:
Filtros RC en cascada tres:
Al considerar este hecho de que no podemos lograr solo lograr un cambio de fase de 60 grados en lugar de 90 grados, podemos conectar en cascada tres filtros RC (si el cambio de fase es de 60 grados por osciladores RC) o conectando en cascada cuatro filtros en serie (si el cambio de fase es 45 grados por cada oscilador RC) y obtener 180 grados.
En esta imagen, tres osciladores RC en cascada y cada vez se agregó un cambio de fase de 60 grados y finalmente después de la tercera etapa obtendremos un cambio de fase de 180 grados.
Construiremos este circuito en un software de simulación y veremos la forma de onda de entrada y salida del circuito.
Antes de entrar en el video, veamos la imagen del circuito y también la conexión del osciloscopio.
En la imagen superior usamos un capacitor de 100pF y un valor de resistencia de 330k. El osciloscopio está conectado a través de la VSIN de entrada (A / canal amarillo), a través de primera salida de polo (B canal / azul), 2 nd salida polo
(canal C / rojo) y la salida final a través tercer polo (D / canal verde).
Veremos la simulación en el video y veremos el cambio de fase en 60 grados en el primer polo, 120 grados en el segundo polo y 180 grados en el tercer polo. Además, la amplitud de la señal se minimizará paso a paso.
1 st polo amplitud> segunda amplitud polo> tercera amplitud polo. Cuanto más vamos hacia el último polo, disminuye la disminución de la amplitud de la señal.
Ahora veremos el video de simulación: -
Se muestra claramente que todos los polos que cambian activamente los cambios de fase y en la salida final se desplazan a 180 grados.
Filtros RC en cascada cuatro:
En la siguiente imagen, se utilizan cuatro osciladores de cambio de fase RC con un cambio de fase de 45 grados cada uno, que producen un cambio de fase de 180 grados al final de la red RC.
Oscilador de cambio de fase RC con transistor:
Todos estos son elementos o componentes pasivos en el oscilador RC. Obtenemos el cambio de fase de 180 grados. Si queremos hacer un cambio de fase de 360 grados, entonces se requiere un componente activo que produzca un cambio de fase adicional de 180 grados. Esto lo hace un transistor o un amplificador y requiere voltaje de suministro adicional.
En esta imagen, se utiliza un transistor NPN para producir un cambio de fase de 180 grados, mientras que el C1R1 C2R2 C3R3 producirá 60 grados de retraso de fase. Por lo tanto, la acumulación de estos tres cambios de fase de 60 + 60 + 60 = 180 grados se realiza, por otro lado, agregando otros 180 grados por el transistor se crea un cambio de fase total de 360 grados. Obtendremos 360 grados de cambio de fase en el condensador electrolítico C5. Si queremos cambiar la frecuencia de esta única forma de cambiar el valor de los condensadores o usar un condensador preestablecido variable en esos tres polos individualmente eliminando los condensadores fijos individuales.
Se realiza una conexión de retroalimentación para recuperar las energías de regreso al amplificador usando esa red RC de tres polos. Es necesario para una oscilación positiva estable y para producir voltaje sinusoidal. Debido a la
conexión de retroalimentación o la configuración, el oscilador RC es un oscilador de tipo retroalimentación.
En 1921, el físico alemán Heinrich Georg Barkhausen introdujo el "criterio de Barkhausen" para determinar la relación entre los cambios de fase a través del circuito de retroalimentación. Según el criterio, el circuito solo oscilará si el cambio de fase alrededor del bucle de retroalimentación es igual o múltiplo de 360 grados y la ganancia del bucle es igual a uno. Si el cambio de fase es preciso en la frecuencia deseada y el bucle de retroalimentación crea una oscilación de 360 grados, la salida será una onda sinusoidal. El filtro RC sirve para lograr este propósito.
Frecuencia del oscilador RC:
Podemos determinar fácilmente la frecuencia de la oscilación usando esta ecuación:
Donde,
R = Resistencia (Ohmios)
C = Capacitancia
N = Número de red RC que se utiliza / utilizará
Esta fórmula se utiliza para el diseño relacionado con el filtro de paso alto, también podemos usar un filtro de paso bajo y el cambio de fase será negativo. En tal caso, la fórmula superior no funcionará para calcular la frecuencia del oscilador, se aplicará una fórmula diferente.
Donde,
R = Resistencia (Ohmios)
C = Capacitancia
N = Número de red RC que se utiliza / utilizará
Oscilador de cambio de fase RC con amplificador operacional:
Como podemos construir un oscilador de cambio de fase RC usando Transistor, es decir, BJT, también existen otras limitaciones con Transistor.
- Es estable para bajas frecuencias.
- Usando solo un BJT, la amplitud de la onda de salida no es perfecta, se requieren circuitos adicionales para estabilizar la amplitud de la forma de onda.
- La precisión de la frecuencia no es perfecta y no es inmune a interferencias ruidosas.
- Efecto de carga adversa. Debido a la formación de cascada, la impedancia de entrada del segundo polo cambia las propiedades de resistencia de las resistencias del primer filtro de polo. Cuanto más los filtros caigan en cascada, más empeorará la situación, ya que afectará la precisión de la frecuencia calculada del oscilador de cambio de fase.
Debido a la atenuación través de la resistencia y el condensador, la pérdida a través de cada etapa se aumenta y la pérdida total es de aprox pérdida total de 1/29 ésimo de la señal de entrada.
Como los circuitos atenúa en 1/29 º que necesitamos para recuperar la pérdida.
Este es el momento de cambiar el BJT por un amplificador operacional. También podemos recuperar esos cuatro inconvenientes y obtener más margen sobre el control si usamos amplificador operacional en lugar de BJT. Debido a la alta impedancia de entrada, el efecto de carga también se controla eficazmente porque la impedancia de entrada del amplificador operacional promueve el efecto de carga general.
Ahora, sin la modificación adicional , cambiemos el BJT con un amplificador operacional y veamos cuál será el circuito o esquema del oscilador RC usando amplificador operacional.
Como podemos ver, Just BJT reemplazado por un amplificador operacional invertido. El bucle de retroalimentación se conecta a través del oscilador RC del primer polo y se alimenta al pin de entrada invertido del amplificador operacional. Debido a esta conexión de retroalimentación invertida, el amplificador operacional producirá un cambio de fase de 180 grados. Las tres etapas RC proporcionarán un cambio de fase adicional de 180 grados. Obtendremos la salida deseada de una onda de fase desplazada de 360 grados a través del primer pin del amplificador operacional llamado OSC out. El R4 se utiliza para la compensación de ganancia del amplificador operacional. Podemos ajustar los circuitos para obtener una salida oscilante de alta frecuencia, pero dependiendo del ancho de banda del rango de frecuencia del amplificador operacional.
Además, para conseguir el resultado deseado tenemos que calcular la ganancia de resistencia R4 para lograr 29 th veces mayor amplitud a través del amplificador operacional, ya que necesitamos para compensar la pérdida de 1/29 XX a través de las etapas de RC.
Veamos, haremos un circuito con valor de componentes reales y veremos cuál será la salida simulada del oscilador de cambio de fase RC.
Usaremos una resistencia de 10k ohmios y un capacitor de 500pF y determinaremos la frecuencia de la oscilación. También calcularemos el valor de la resistencia de ganancia.
N = 3, ya que se utilizarán 3 etapas.
R = 10.000, como 10k ohms convierten en ohms
C = 500 x 10 -12 como valor del condensador es 500pF
La salida es 12995Hz o el valor relativamente cercano es 13 KHz.
Como se necesita la ganancia op-amp 29 º veces el valor de la resistencia de ganancia se calcula utilizando la siguiente fórmula: -
Ganancia = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k
Así es como se construye el oscilador de cambio de fase utilizando componentes RC y amplificador operacional.
Las aplicaciones del oscilador de cambio de fase RC incluyen amplificadores donde se usa el transformador de audio y se necesita una señal de audio diferencial pero la señal invertida no está disponible, o si se necesita una fuente de señal de CA para cualquier aplicación, entonces se usa el filtro RC. Además, el generador de señales o el generador de funciones utilizan un oscilador de cambio de fase RC.