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Como Funcionam os Osciladores (ART1862)

Osciladores são circuitos necessários em inúmeras aplicações eletrônicas. Sempre que precisamos de um sinal de determinada frequência e forma de onda, quer seja para um simples injetor de sinais ou uma sirene ou para um rádio transmissor, a base é sempre a mesma: o circuito oscilador.Explicaremos neste artigo o princípio de funcionamento de alguns osciladores analisando suas aplicações e limitações. Com base nestas explicações o leitor estará apto a realizar muitos projetos interessantes.

Em muitos circuitos são necessárias correntes que tenham variações de intensidade e sentido que sigam um padrão bem definido.

Chamamos estas correntes genericamente de sinais e elas podem ter diversas características.

Uma das características de um sinal é a sua freqüência, ou seja, a velocidade com que ele muda de sentido ou varia de intensidade.

Esta velocidade é medida em termos de variações por segundo ou hertz (que abreviamos por Hz).

Assim, podemos ter nos osciladores de áudio, sinais que variam desde alguns hertz até milhares de hertz, o que será dito quilohertz (kHz).

Nos chamados circuitos de altas freqüências como, por exemplo, os rádios, podemos ter sinais com freqüências que vão desde algumas centenas de quilohertz (kHz) até milhões de hertz ou megahertz (MHz).

Na figura 1 temos o espectro de freqüências dos sinais que são normalmente usados em aplicações eletrônicas.

 

  Figura 1 – Espectro dos sinais
Figura 1 – Espectro dos sinais

 

Os sinais de freqüências inferiores a 20 000 Hz são denominados de audiofreqüência pois normalmente, quando aplicados em alto-falantes resultam em sons, enquanto os que estão acima de 20 kHz ou 20 000 Hz são denominados radiofreqüências, pois resultam em ondas de' rádio quando aplicados em antenas.

A outra característica importante de um sinal é o seu modo de variação. Podemos representar este modo através de um gráfico que nos dá o que chamamos de forma de onda do sinal.

Assim, se a corrente ou tensão que corresponde a um sinal aumentar de intensidade lentamente, mas de forma linear, para depois diminuir rapidamente, teremos uma forma de onda conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2 – Um sinal dente de serra
Figura 2 – Um sinal dente de serra

 

Esta forma de onda é denominada “dente de serra" pela semelhança que a figura apresenta com os dentes de uma serra comum.

Na figura 3 temos outras formas de onda comuns para sinais encontrados nos circuitos eletrônicos.

 

   Figura 3 – Formas de onda comuns
Figura 3 – Formas de onda comuns

 

A forma mais "natural" e portanto mais comum do sinal é a senoidal.

A senóide representa a forma de oscilação natural dos corpos.

Como produzir estas oscilações?

Se batermos num corpo ou então excitarmos um circuito LC com um pulso, temos a produção de oscilações, no entanto, estas oscilações tendem a diminuir gradualmente de intensidade, conforme mostra a figura 4, pois a energia vai diminuindo gradualmente no sistema.

 

Figura 4 – Um sinal amortecido
Figura 4 – Um sinal amortecido

 

Para que as oscilações se mantenham por tempo indeterminado, é preciso entregar ao sistema a energia que ele vai usando para produzir as oscilações.

Para isso usamos circuitos denominados osciladores.

 

OS OSCILADORES

Um oscilador consiste basicamente num sistema em que temos um elemento que repõe a energia perdida (perdas intrínsecas ao circuito), e assim produz oscilações, e um circuito sintonizado que determina a freqüência do sinal que deve ser reproduzido.

O elemento que repõe a energia pode ser um amplificador com um sistema de realimentação positiva conforme mostra a figura 5.

 

 Figura 5 – A realimentação positiva
Figura 5 – A realimentação positiva

 

Temos então que parte do sinal de saída é injetado de volta na entrada do amplificador o que aumenta sua intensidade para manter a excitação.

É evidente que a energia que "jogamos" de volta na entrada do amplificador deve ser sempre suficiente para obter maior ou igual intensidade de sinal na saída.

Isso significa que, se o ganho do amplificador for menor que 1, o sinal vai perdendo a intensidade até desaparecer.

Temos então a produção de oscilações amortecidas.

Se o ganho for maior que 1, obtemos excitação suficiente para manter as oscilações e ainda sobra um pouco para ser usada externamente, ou seja, levado para as etapas seguintes do aparelho.

A figura 6 mostra o que ocorre.

 

   Figura 6 – Ganho menor que 1
Figura 6 – Ganho menor que 1

 

Diversas são as técnicas de fazermos um oscilador, todas baseadas num elemento de amplificação e um circuito que determina a freqüência de operação e que nem sempre precisa ser um LC (bobina e capacitor).

Analisemos a seguir as principais configurações de osciladores.

 

O OSCILADOR HARTLEY

Na figura 7 temos a configuração básica de um oscilador Hartley com um transistor NPN.

 

   Figura 7 – O oscilador Hartley
Figura 7 – O oscilador Hartley

 

A bobina e o capacitor determinam a freqüência de operação do oscilador, enquanto que o transistor é o elemento ativo que repõe a energia ao sistema.

A bobina possui uma derivação central ou próxima do centro de tal forma que temos dois setores.

Um dos setores, ligado ao' coletor do transistor, recebe toda a energia deste componente, sendo por isso denominado “carga".

É neste setor que realizamos a extração das oscilações, o que pode ser feito, por exemplo, por uma segunda bobina que faria o papel do secundário de um transformador.

O outro setor se encarrega de inverter a fase do sinal e aplicá-lo de volta à entrada do transistor.

E importante observar que a freqüência de um oscilador deste tipo está limitada pelo tempo que o sinal demora para voltar à entrada do transistor.

Como existe uma capacitância entre a base e o emissor do transistor, ou seja, um capacitor que precisa ser carregado, quanto maior for seu valor mais tempo ele demora para iniciar a condução do sinal produzido, figura 8.

 

   Figura 8 – Capacitâncias parasitas num transistor
Figura 8 – Capacitâncias parasitas num transistor

 

Mesmo usando transistores especiais em que esta capacitância é reduzida, a freqüência máxima de um oscilador deste tipo não vai além de algumas dezenas de megahertz.

A forma de onda de um oscilador deste tipo é teoricamente senoidal, no entanto, dependendo da freqüência de operação e da existência de elementos parasitas no circuito, podem ocorrer deformações.

 

OSCILADOR COLPITTS

Na figura 9 temos a configuração básica deste tipo de oscilador, tendo por elemento ativo um transistor.

 

   Figura 9 – Oscilador Colpitts
Figura 9 – Oscilador Colpitts

 

Observe que neste caso também temos um sistema ressonante LC, mas a derivação para realimentação não é mais à bobina mas sim feita por meio de dois capacitores.

O princípio de funcionamento é o mesmo do Hartley.

O sinal retirado do coletor do transistor é aplicado à bobina de carga, de onde podemos fazer seu aproveitamento para um circuito externo.

Parte deste sinal é levado de volta à entrada do transistor de modo a fazer a realimentação que mantém as oscilações.

Na figura 10 temos outra aplicação para este tipo de oscilador como, por exemplo, um VFO (Oscilador de Freqüência Variável).

 

   Figura 10 – Um VFO
Figura 10 – Um VFO

 

Observe que neste circuito o sinal é retirado do emissor do transistor e que o circuito ressonante tem o capacitor variável em série e não em paralelo.

A bobina neste circuito é para a faixa de 5 MHz e consta de aproximadamente 30 espiras de fio esmaltado 28 numa forma de 1,5 cm de diâmetro sem núcleo.

Este tipo de oscilador pode ser usado em freqüências de até aproximadamente 10 MHz.

 

OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE

Na figura 11 temos o circuito básico deste tipo de oscilador.

 

  Figura 11 – Oscilador por deslocamento de fase
Figura 11 – Oscilador por deslocamento de fase

 

Os transistores na configuração de emissor comum invertem a fase do sinal aplicado à base.

Isso quer dizer que variações positivas da tensão de entrada se traduzem em variações negativas de tensão de saída.

Se quisermos formar um oscilador com um transistor, conforme vimos é preciso inverter a fase do sinal que vai ser reaplicado à entrada.

Nos osciladores Hartley e Colpitts isso é conseguido pela presença de indutância, o que garante que o sinal aplicado na entrada tenha fase oposta ao de saída, o que quer dizer que, na amplificação obtemos um reforço nesta mesma saída.

No entanto, nos circuitos em que não temos indutância podemos também conseguir oscilações com uma rede de deslocamento de fase que use resistores e capacitores.

Esta rede que facilmente identificamos no diagrama, não só produz um deslocamento de 180 graus na fase do sinal, ou seja, inverte a fase, como também determina a freqüência das oscilações conforme a fórmula dada no próprio diagrama.

O sinal gerado por este oscilador é senoidal, mas a sua freqüência máxima está limitada a algumas dezenas de quilohertz.

As aplicações deste oscilador são apenas as que se referem aos circuitos de áudio.

Na figura 12 temos um circuito prático que o leitor pode montar na matriz de contactos para conhecer este tipo de oscilador.

 

   Figura 12- Oscilador prático por deslocamento de fase
Figura 12- Oscilador prático por deslocamento de fase

 

Sua saída deve ser ligada à entrada de um amplificador de áudio já que o sinal gerado é de baixa intensidade.

 

OSCILADOR DE DUPLO T

Com resistores e capacitores temos outra forma de fazer a inversão de fase do sinal para a realimentação, garantindo assim a produção de oscilações numa etapa com transistor na configuração de emissor comum.

Isso é mostrado na figura 13 em que temos um oscilador de "duplo T"

 

   Figura 13 – Oscilador de duplo T
Figura 13 – Oscilador de duplo T

 

O duplo T é formado por 3 capacitores e 3 resistores que não só determinam a inversão de fase como também o retardamento do sinal no circuito e, portanto, sua freqüência.

Estes componentes devem manter relações de valores bem definidas para que as oscilações ocorram.

O sinal produzido na saída é senoidal e a sua freqüência está limitada a algumas dezenas de quilohertz, o que torna este circuito aplicável apenas em áudio.

Podemos utilizar no duplo T um elemento variável, que e o trimpot mostrado na figura 14.

 

   Figura 14 – Oscilador de duplo T variável
Figura 14 – Oscilador de duplo T variável

 

Com este componente podemos tornar crítica a realimentação e com isso produzir oscilações amortecidas.

Se o sinal realimentado for insuficiente para excitar o transistor, e produzir na saída uma variação da mesma intensidade que o ciclo anterior, temos um decréscimo gradual da amplitude do sinal gerado, ou seja, um sinal amortecido.

O amortecimento pode ser grande ou pequeno conforme a realimentação se aproxime mais ou menos do necessário para obter a amplitude máxima do sinal de saída, figura 15.

 

   Figura 15- Formas de onda do sinal produzido
Figura 15- Formas de onda do sinal produzido

 

Se o amortecimento for rápido, com o sinal parando logo temos um efeito que lembra a batida seca de blocos de madeira ou objetos sólidos, quando a freqüência está entre 100 Hz e 2000 Hz.

Por outro lado, se o amortecimento for pequeno e a freqüência estiver na mesma faixa, teremos um som de percussão semelhante ao bater em objetos de metal ou vidro.

Muitos instrumentos musicais, geradores de ritmos e de efeitos utilizam este tipo de oscilador para produzir o efeito de percussão,

No site temos diversos projetos que aproveitam esta configuração para se obter sons de instrumentos musicais como o tambor e o bongô.

Na figura 16 damos um circuito simples de oscilador de duplo T que imita o som de sino.

 

   Figura 16 – Oscilador que imita o som de sino
Figura 16 – Oscilador que imita o som de sino

 

O ajuste do efeito é conseguido no trimpot e devemos ligar a saída do oscilador na entrada de um bom amplificador pois o sinal é de baixa intensidade.

Alterando os valores dos capacitores (mantendo as relações exigidas pelo projeto) podemos imitar outros tipos de percussão como o tamborim, o tambor, etc.

 

OSCILADOR DE BLOQUEIO

Um outro tipo muito simples de oscilador que utiliza bobinas e capacitores é o oscilador de bloqueio mostrado na figura 17.

 

  Figura 17 – O oscilador de bloqueio
Figura 17 – O oscilador de bloqueio

 

No coletor de um transistor temos uma bobina e um capacitor variável que formam a carga ressonante, responsável pela freqüência das oscilações que serão produzidas.

Sobre esta a bobina temos uma outra, pertencente ao circuito de realimentação, e que é ligada à base do transistor.

Através desta bobina é feita a polarização do transistor de modo à levá-lo a saturação.

Quando ligamos o circuito, a polarização de base leva imediatamente o transistor à saturação, produzindo assim um pulso de corrente na bobina da carga, o qual induz uma tensão na bobina de realimentação.

No entanto, o sentido de enrolamento da bobina de realimentação é tal que a corrente induzida deve se contrapor à corrente de polarização, ou seja, bloqueia a corrente, levando o transistor imediatamente ao corte.

Com o transistor no corte cessa a corrente pela carga e também a corrente induzida na bobina de realimentação.

Pode entrar em ação novamente a polarização de base que leva o transistor à saturação e um novo ciclo ativo é produzido

Este oscilador produz pulsos, de modo que sua forma de onda não é senoidal, mas sua velocidade permite que sinais na freqüência de até algumas dezenas de megahertz sejam produzidos.

É interessante observar que a freqüência deste circuito é dada na verdade pelos componentes R e C que determinam o bloqueio e polarização do transistor.

Na figura 18 temos um circuito prático para o leitor experimentar.

 

   Figura 18 – Oscilador prático de bloqueio
Figura 18 – Oscilador prático de bloqueio

 

Este oscilador produz sinais na faixa de ondas médias e que podem ser captados num radinho de ondas médias.

A bobina é formada por 100 voltas de fio esmaltado 28 AWG e sobre ela mais 20 espiras do mesmo fio, enrolados num bastão de ferrite de cerca de 1 cm de diâmetro.

Se ao ser ligado o circuito, com um rádio sintonizado em freqüência livre nas proximidades nada for captado, mesmo ajustando-se o variável, inverta a bobina de realimentação que pode estar ligada no sentido contrário ao que se necessita para obter o bloqueio de polarização, responsável pelas oscilações.

 

OUTROS OSCILADORES

Além destes osciladores existem muitos outros que oportunamente abordaremos em artigos independentes, dada sua importância.

Dentre eles destacamos os osciladores de relaxação, os multivibradores astáveis, os osciladores controlados por cristal, etc. (Veja outros artigos no site)

Devemos ainda observar que em todos os exemplos sempre pegamos como elementos ativos os transistores bipolares comuns NPN.

No entanto, os mesmos osciladores podem ser elaborados em torno de outros tipos de elementos ativos tais como transistores de efeito de campo, válvulas, amplificadores operacionais, etc.

Isso mostra ao leitor que no estudo dos osciladores não basta um simples artigo para vermos tudo.

Trata-se de matéria bastante extensa que pode ser encontrada em outros artigos do site.

Aos leitores interessados o que podemos sugerir é que digite a palavra “oscilador” na busca do site, quando aparecerão então dezenas de artigos sobre o assunto

 

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