Los osciladores LC también se denominan osciladores RF porque se utilizan ampliamente para generar altas frecuencias. Es posible generar frecuencias en el rango superior (500 MHz y superiores) utilizando valores prácticos de inductores y condensadores.
Este tipo de osciladores se utilizan en generadores de RF, calefacción por radiofrecuencia, receptores de radio y televisión, etc. Estos osciladores utilizan un circuito tanque que consta de un inductor L y un condensador C. Antes de explicar el circuito oscilador LC y su funcionamiento, explicaremos el funcionamiento básico del circuito tanque LC.
Tabla de contenido
circuito de tanque LC
Un circuito de tanque u oscilador es una forma paralela de elementos inductores y condensadores que producen oscilaciones eléctricas de cualquier frecuencia. Ambos elementos pueden almacenar energía. Cuando existe una diferencia de potencial entre las placas de un condensador, la energía se almacena en ese campo eléctrico.
De manera similar, siempre que fluye corriente a través de un inductor, la energía se almacena en su campo magnético. La siguiente figura muestra un circuito de tanque con el inductor L y el condensador C conectados en paralelo.
Funcionamiento del circuito del tanque LC
Entendamos el concepto de oscilaciones eléctricas producidas por este circuito. Considere que un capacitor se carga inicialmente con una fuente de alimentación de CC con la placa superior con polaridad positiva y la placa inferior con polaridad negativa, como se muestra a continuación.
Esto significa que la placa superior tiene deficiencia de electrones, mientras que la placa inferior tiene un exceso de electrones. Por tanto, existe una diferencia de potencial entre estas dos placas.
- Considere este capacitor cargado conectado a través del inductor a través de un interruptor S como se muestra en la figura. Cuando el interruptor S se cierra, el flujo de corriente convencional o los electrones se mueven de la placa A a la placa B a través de la bobina inductora. Por tanto, se reduce la energía almacenada en el condensador o la intensidad del campo eléctrico.
- La corriente que fluye a través del inductor provoca una FEM que impide el flujo de electrones. Este flujo de corriente crea un campo magnético alrededor del inductor y la energía magnética comienza a acumularse. Cuando el condensador está completamente descargado, la corriente o flujo de electrones a través de la bobina es cero. En este punto, el campo magnético está en su valor máximo y no hay campo eléctrico.
- Una vez que el condensador está completamente descargado, el campo magnético alrededor del inductor comienza a colapsar, creando una fuerza contraelectromotriz. De acuerdo con la ley de Lenz, esta contrafem genera una corriente que comienza a cargar el capacitor con la polaridad opuesta al hacer que la parte superior de la placa sea negativa y la placa inferior positiva, como se muestra en el siguiente diagrama.
- Cuando el capacitor está completamente cargado en la dirección inversa, toda la energía magnética se convierte en energía eléctrica dentro del capacitor. En otras palabras, la energía magnética decae. En este momento, el condensador comienza a descargarse en la dirección opuesta como se muestra en la figura. Una vez más el condensador se descarga por completo y el proceso continúa.
- Este proceso continuo de carga y descarga crea movimientos alternos de electrones que no son más que corrientes oscilantes. Sin embargo, estas oscilaciones en el condensador se amortiguan porque cada vez que se transfiere energía de L a C y de C a L, la energía se disipa en forma de calor en la resistencia de la bobina y en forma de radiación electromagnética en la conexión. cables estará hecho. Estas pérdidas hacen que la amplitud de la corriente oscilante vaya disminuyendo gradualmente hasta detenerse. Estas se denominan oscilaciones amortiguadas o exponencialmente amortiguadas.
Frecuencia del oscilador LC
concepto de resonancia
Si un circuito con un capacitor, inductor y resistencia se excita con un voltaje constante cuya frecuencia varía con el tiempo, la reactancia tanto de la resistencia del inductor RL como de la resistencia del capacitor RC también cambiará. Por lo tanto, la amplitud y frecuencia de la salida cambian en comparación con la señal de entrada.
La reactancia inductiva es directamente proporcional a la frecuencia, mientras que la reactancia capacitiva es inversamente proporcional a la frecuencia. Por tanto, a frecuencias más bajas, la reactancia capacitiva del inductor es muy baja y actúa como un cortocircuito, mientras que su reactancia capacitiva es alta y actúa como un circuito abierto.
En frecuencias más altas sucede lo contrario. En otras palabras, la reactancia capacitiva actúa como un cortocircuito y la inductiva actúa como un circuito abierto.
Para ciertas combinaciones de capacitores e inductores, este circuito se convierte en un circuito resonante o sintonizado donde tanto las reactancias inductivas como capacitivas tienen la misma frecuencia de resonancia y se cancelan entre sí.
Por lo tanto, el uso de un circuito resonante no creará una corriente desfasada a partir del voltaje porque solo hay una resistencia en el circuito que impide el flujo de corriente. La corriente está en fase con el voltaje.
Se puede obtener una oscilación sostenida suministrando energía a los componentes L y C. Por lo tanto, el oscilador LC utiliza este circuito tanque para generar oscilaciones.
La frecuencia de oscilación producida por este circuito tanque depende completamente de los valores del capacitor e inductor y sus condiciones de resonancia.se puede expresar como
XL = 2π f L
XC = 1/ (2πfC)
En resonancia, XL = XC
2π f L = 1/ (2π f C)
f2 = 1/ ((2π)2LC)
f = 1/ (2π √ (LC))
Forma básica de circuito de oscilación LC.
Esta red de oscilador, amplificador y filtro LC se puede construir de varias maneras. Por lo tanto, estos osciladores vienen en varias formas, como osciladores Hartley, osciladores Armstrong, osciladores Colpitts, osciladores Clapp, etc. Antes de analizar todos estos osciladores en artículos futuros, aprendamos algunos funcionamientos básicos de los circuitos osciladores LC.
Como se mencionó anteriormente, un oscilador LC consta de un amplificador y un circuito LC sintonizado como red de retroalimentación. Para los circuitos osciladores LC, se pueden utilizar dispositivos activos como amplificadores operacionales, transistores de unión bipolar o FET para construir la etapa de amplificación.
La forma básica del oscilador se muestra a continuación junto con la ganancia A del amplificador. La red de retroalimentación consta de impedancias Z1, Z2 y Z3, que son capacitancias o inductancias. Esta red de retroalimentación se alimenta de la salida del amplificador.
El circuito amplificador proporciona un cambio de fase de 180 grados y el circuito de retroalimentación proporciona un cambio de fase adicional de 180 grados para cumplir con la condición de oscilación. Considere el circuito equivalente de un oscilador LC donde Ro es la resistencia de salida del amplificador y ZL es la impedancia de carga conectada a la salida del amplificador.
La ecuación general de ganancia para el amplificador en el circuito anterior con carga (AL) y sin considerar realimentación viene dada por:
AL = – A ZL / (Ro + ZL)
El signo negativo indica un cambio de fase de 180 en la etapa de amplificación.
Considerando la retroalimentación, la ganancia de la red de retroalimentación es:
β = Z1 / (Z1 + Z3)
Sin embargo, esta red de retroalimentación debe introducir un cambio de fase desviado de 180 grados.
β = – Z1 / (Z1 + Z3)
Para satisfacer la condición de Barkhausen para las oscilaciones, – Aβ debe ser igual a 1.
A β = – A ZL Z1 / (Ro + ZL) × (Z1 + Z3)
Esta es la ecuación de ganancia de bucle requerida.
Ahora, impedancia de carga ZL = Z2 (Z1 + Z3) / (Z1 + Z2 + Z3)
Resolver la ecuación de ganancia del bucle usando ZL produce:
A β = – A Z1 Z2 / (Ro (Z1 + Z2 + Z3) + Z2 (Z1 + Z3))
Sustituya Z1 = j X1, Z2 = j X2, Z3 = j X3.
A β = A X1 X2 / (jRo (X1 + X2 + X3) – X2 (X1 + X3))
Para que esta red de retroalimentación produzca un cambio de fase de 180 grados, la parte imaginaria del denominador debe ser cero.
(X1 + X2 + X3) = 0 Esto significa -X2 = X1 + X3.
Entonces la ecuación queda:
A β = A X1 / (X1 + X3)
A β = – A (X1 / X2)
Sin embargo, la condición de Barkhausen es – Aβ = 1.
Un(X1/X2) = 1
Esto significa que X1 y X2 deben ser inductivos o capacitivos (tipo similar de reactancia), y las condiciones para la oscilación se obtienen de la siguiente manera:
A = (X2/X1)
Para el oscilador Hartley, X2 y X1 son ambos inductores, mientras que para el oscilador Colpitts, ambos son condensadores. Además, dado que –X3 = X1 + X2, X3 es un capacitor en el oscilador Hartley y un inductor en el oscilador Colpitts.
ejemplo
Encuentre el valor del inductor requerido con un capacitor de 47 pF para una frecuencia de oscilador LC sintonizada de 22,7 MHz.
La frecuencia de resonancia del oscilador LC es:
F2 = 1/ ((2π √ (LC))2
L = 1/(4π2 F2 C)
L = 1/(4π2 (22,7×106)2 ×47×10-12)
L = 1,04 microhenrios