Por asterion, hace 8 años y 7 meses

Introducción al oscilador

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Ya hace un tiempo encontré este articulo escrito por Tecnotrón y que me parece lo suficientemente didáctico para que los no entendidos nos iniciemos en el corazón de la radio frecuencia, Los osciladores. Altamente recomendado:

Introducción al oscilador electrónico:

Un oscilador electrónico es un dispositivo que genera una onda de corriente alterna en una frecuencia determinada, a partir de una corriente continua. Las ondas resultantes pueden ser de formas variadas: sinusoidales, cuadradas, triangulares, etc., pero en nuestro caso nos interesa generar una onda sinusoidal, que es la utilizada comúnmente por las emisoras de radio para enviar la información sonora.

ondas

¡No nos asustemos!, a veces las cosas son más fáciles de entender de lo que parece a simple vista. Como siempre, unos ejemplos sobre cosas de la vida cotidiana nos ayudarán a solventar dudas:
Imaginemos las cuerdas de una guitarra: como ya sabemos, cada cuerda, por sus características físicas o por la tensión que le hayamos dado, vibra, oscila o resuena (que todo significa lo mismo) a una frecuencia determinada. En las notas más bajas o graves vibra más lentamente, y en las más altas o agudas lo hace más rápidamente. Así, en una nota grave la cuerda puede vibrar a unos cuantos cientos de ciclos por segundo, mientras que en notas altas puede hacerlo a varios miles de ciclos por segundo. En el caso de un violín, esa frecuencia de oscilación puede alcanzar los 15.000 ciclos; si fuese más allá de los 20.000 entonces ya no seríamos capaces de percibir el sonido que produce, pues se saldría fuera de la banda audible, entrando entonces en la banda de los ultrasonidos (algunos animales pueden escucharlas, como los perros). Las cuerdas no suenan por sí solas, hay que darles un empujón, mediante nuestros dedos o algún utensilio, como una púa; más adelante entenderemos que relación hay entre ese «empujón» y un oscilador electrónico.
Para muchos, quizá el ejemplo de un columpio les resutará más gráfico. Imaginemos un simple columpio cuando está en reposo; en su posición vertical no tiene energía, digamos que se encuentra en su posición cero. Si le damos un «empujón» hacia delante, irá hacia un máximo (que llamaremos «positivo»), regresará, pasará de nuevo por cero, y gracias a la energía del empuje que trae de vuelta vendrá hacia atrás hasta alcanzar otro máximo (que llamaremos «negativo»), volviendo de nuevo a su punto cero. En ese momento el columpio ha desarrollado un ciclo completo. El columpio seguirá completando ciclos en tanto no cesemos la fuerza de empuje. Sin ayuda, el número de ciclos por segundo que complete dependerá de muchas causas: fuerza del empuje inicial, altura del columpio, peso que transporta, rozamiento con el aire, acción de la gravedad, etc.

columpio

Hasta ahora hemos visto que, tanto la cuerda de una guitarra vibrando, como un columpio en movimiento, completan ciclos al desplazarse de un lado a otro en el espacio físico. Pues bien, un oscilador electrónico también completa ciclos, pero en este caso quien se desplaza son los electrones a través de un cable. Al igual que sucede en el columpio, primero lo hace en un sentido llegando a un máximo positivo, después pasando por un punto cero, seguidamente alcanzando otro máximo negativo en sentido contrario, y finalmente regresando de nuevo al punto cero. El tiempo que tardan los electrones en completar un ciclo de ida y vuelta entre los dos máximos positivos y negativos es lo que se llama periodo; y su contrario, es decir el número de veces que sucede ese fenómeno en una unidad de tiempo (por ejemplo en un segundo) es lo que se llama frecuencia. Si en un segundo se completan mil ciclos, se dice que la frecuencia es de 1 kilociclo por segundo; si se completan un millón de ciclos sería 1 megaciclo; mil millones de ciclos un gigaciclo, etc.

Antes de seguir es conveniente hacer una precisión, y es que cuando hablamos en términos eléctricos la expresión correcta para definir un ciclo es el herzio. Por tanto, a partir de ahora cuando me refiera a un ciclo eléctrico o a una onda electromagnética, la definiré como un herzio o una onda herziana. Se dice así en honor al físico alemán Herth, que fue quien estudió la propagación de las ondas de radio y puso las bases para el desarrollo de la radiocomunicación.

Pero sigamos ¿cómo se puede producir esa oscilación tan rápida de los electrones de un lado a otro en un conductor? El secreto está en la maravillosa combinación de dos componentes electrónicos llamados bobina y condensador. Ambos, íntimamente unidos, conforman lo que se puede denominar indistintamente circuito tanque, circuito resonante o circuito sintonizado LC. También existen circuitos tanque con bobina y resistencia (circuito sintonizado RC), pero sólo se utilizan para bajas frecuencias, y en nuestro caso necesitamos que la emisora sea capaz de oscilar a frecuencias muy altas, al menos de 80 megaherzios en adelante, es decir más de 80 millones de ciclos en un segundo, para que su señal pueda ser captada en la banda comercial de FM, que como ya sabemos trabaja entre 88 y 108 Megaherzios.

El siguiente esquema ilustra un circuito tanque LC básico. Como se puede ver, no es más que una bobina (L) y un condensador (C) unidos por sus extremos.

emisora_bolsillo1

Es admirable el ver cómo uno y otro son capaces de intercambiar la energía mutuamente, igual que dos tenistas al devolverse continuamente la pelota. Pero, para entender el proceso tengo que explicar antes determinadas cualidades físicas y eléctricas que tienen estos dos componentes:

El condensador, también llamado capacitor, no es más que dos superficies metálicas enfrentadas entre sí, pero sin tocarse físicamente. Tiene la característica de que puede almacenar energía estática entre ambas placas, es decir, si le aplicásemos los bornes de una pila entre los electrodos de cada placa, al retirar la pila el condesador conservaría ese voltage teóricamente de forma indefinida; una de las placas tendría carga positiva y la otra negativa, y no se descargarían a menos que le diésemos un camino para ello.

condensadores
Diferentes tipos de condensadores: de disco, cerámicos, poliester, tántalo, electrolítico…

En cuanto a la bobina, también llamada inductancia, presenta otra característica incluso más curiosa que el condensador: también es capaz de almacenar una energía, pero sólo durante un tiempo determinado. Resulta, que un efecto eléctrico de cualquier cable, es que crea un campo magnético a su alrededor cuando los electrones circulan a traves de él. Y, al contrario, si le aplicamos al cable un campo magnético, es capaz de producir un movimiento de electrones en su interior. Este principio es, precisamente, el fundamento del generador eléctrico, cuyo mayor exponente es el alternador, un dispositivo con el que se produce la mayor parte de la energía eléctrica en el mundo.

bobinas
Dos bobinas con núcleo de ferrita, y una bobinada al aire

Pues bien, una bobina no es más que un cable largo, desnudo y barnizado para que sea aislante, enrrollado muchas veces sobre sí mismo, al aire o sobre algún soporte. De esta forma, cuando la bobina recibe corriente entre sus dos extremos todos los pequeños campos magnéticos que se desarrollan a lo largo del cable se suman, creando así en su conjunto un único y gran campo magnético (es el fundamento del electroimán). De la misma manera, si se aplica un gran campo magnético alrededor de la bobina, todas las pequeñas corrientes que se desarrollan en el interior del cable se suman, produciéndose finalmente una única gran corriente entre sus extremos (es el fundamento del generador elécrico).

emisora_bolsillo2

Dicho esto, ya tenemos las bases para comprender el funcionamiento del circuito tanque: si mediante una pila u otro sistema de alimentación, aplicamos brevemente un voltaje entre los extremos del condensador, éste se cargará rápidamente hasta el nivel del voltaje aplicado, creando una carga positiva en un extremo y una negativa en el otro. Pero, si ahora retiramos la pila, el condensador intentará descargarse a través del camino que le da la bobina, ya que mediante el cable conductor el condensador puede cerrar el circuito y que se produzca la circulación de la corriente.

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Sin embargo, sucede algo curioso. Cuando el voltaje del condensador llega a la bobina para descargarse a través de ella, ésta comienza a generar un campo magnético a su alrededor, en base al fenómeno que ya expliqué. En consecuencia, cuando el condensador se ha descargado completamente sobre la bobina, toda la energía ha sido convertida en un campo magnético máximo alrededor de la bobina. Pero, como la energía no se crea ni se destruye, ese campo, al no recibir más energía del condensador, comienza a invertir el proceso, es decir, a decrecer.

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Y es aquí donde sucede el otro efecto eléctrico que ya comenté: conforme decrece, las líneas de fuerza magnéticas cruzan los hilos de la bobina, induciendo en ellas una corriente eléctrica, apareciendo de nuevo un voltaje entre los extremos de la bobina pero con polaridad contraria. Por tanto, ahora es la bobina la que está cargada, e intenta descargarse a través del condensador siguiendo el camino contrario. Naturalmente, mientras el campo magnético de la bobina no se haya disipado totalmente y siga entregando corriente, el condensador se va cargando hasta el máximo del voltaje que le entrega la bobina.

Y vuelta a empezar. Ahora el condensador está otra vez cargado, pero como la bobina ya ha perdido todo su campo magnético volverá a producirse de nuevo el ciclo completo: el condensador intentará otra vez descargarse a través de la bobina y viceversa.

Según esta teoría, bobina y condensador podrían estar cargándose y descargándose por los siglos de los siglos. Sin embargo, en la práctica eso no sucede, en caso contrario habríamos descubierto la máquina de movimiento continuo. Y no sucede porque, lamentablemente, existen pérdidas en los materiales, sea por su calidad, resistencia interna, calor disipado, etc. En consecuencia, bobina y condensador se irán alimentando a si mismos durante un tiempo determinado, y las oscilaciones debilitándose progresivamente hasta que la corriente de ida y vuelta desaparece totalmente.

Beno, pues ya tenemos un oscilador, pero su funcionamiento no es permanente, y así de poco nos servirá. Entonces ¿cómo hacemos para que se mantenga la oscilación? Ha llegado el momento de recuperar las explicaciones que di sobre las cuerdas de la guitarra y el columpio. Recordemos que tanto las cuerdas como el columpio, terminaban deteniendo su movimiento si no le dábamos un «empujón» de vez en cuando. Al oscilador electrónico le sucede lo mismo: necesitamos algún método para darle un empujón cuando su energía comienza a debilitarse. Esta función, que en lo sucesivo llamaremos «realimentación», la va a realizar un componente electrónico muy común: el transistor.

transistores
Transistores de diferentes tipos, tamaños y potencias

Un trasistor es un semiconductor capaz de amplificar señales eléctricas. Es muy versátil, pues lo mismo sirve como amplificador, rectificador, oscilador, interruptor, etc. Los tres terminales de un transistor básico son el emisor, la base y el colector, y una característica de este componente es que cuando le aplicamos a la base una pequeña variación de corriente, esto se traduce en una gran variación de corriente en el colector. Este factor de amplificación entre corriente de base y corriente de colector puede llegar a ser de cientos de veces.

simb_transistor

Para nuestro circuito oscilador no necesitamos un transistor de gran amplificación, es suficiente con que sea capaz de reintegrar al circuito resonante bobina-condensador las pequeñas pérdidas que se producen durante su funcionamiento. Para ello, se toma una pequeña muestra de la corriente del circuito tanque y se inyecta al transistor a través de su base, el cual, por su capacidad de amplificar corrientes muy pequeñas, a través del colector dará un «empujón» (realimentará) al oscilador en forma de corriente suplementaria. Este circuito se mantendrá oscilando indefinidamente en tanto no se corte la fuente de alimentación.

Tomando el ejemplo del columpio, el transistor es el equivalente a esa persona que en un momento dado le aplica el empujoncito que lo mantiene en movimiento.

Ya sabemos cómo funciona un circuito tanque y cómo realimentarlo para que mantenga la oscilación, pero de poco nos serviría si no pudiésemos variar la frecuencia para situarnos en la banda que nos interesa cubrir. Dado que durante la construcción del circuito resonante tendremos que hacer pruebas de emisión a lo largo de la banda, es preciso tener claras algunas caracteristicas de comportamiento de estos componentes.

Debemos saber, que a mayor cantidad de bobina (mayor inductancia) y mayor capacidad del condensador (mayor capacitancia), más tiempo tardarán ambos en cargarse y descargarse, y en consecuencia su frecuencia de oscilación será menor. Por el contrario, a menor valor más alta será su frecuencia, pues la velocidad de carga y descarga será más rápida. Por tanto, una regla que tenemos que aprender, es que el valor de la frecuencia es siempre inverso al valor inductivo y capacitivo de estos componentes. Volviendo a nuestro recurrido ejemplo del columpio, cuanto más voluminoso sea éste, más resistencia ofrecerá al aire y otros elementos, y más lentos serán los movimientos de ida y vuelta.

Aunque existen valores aproximados que podemos dar al componente de un oscilador para que resuene en determinada frecuencia, ésto es siempre aproximado. Y es así, porque no hay dos componentes idénticos aunque se llamen igual, ni tampoco es fácil conseguir que dos bobinas tengan idéntica altura, anchura, sección de cable, etc. A esto se le llama tolerancia, y dependiendo de la calidad de un componente tendrá más o menos tolerancia. Por eso, muchos circuitos electrónicos son construidos con componentes que puedan ser ajustables, y así poder corregir estos pequeños errores durante la fase de prueba o montaje. Por ejemplo, nos pueden dar los valores de una bobina y condensador para funcionar en la frecuencia de 95 Mhz, y sin embargo en la práctica resonar en 85 o en 102 Mhz. Es aquí donde necesitamos contar con algún componente que pueda variar esa frecuencia arriba o abajo hasta conseguir situarnos en la frecuencia exacta que nos interesa.

Como se ha dicho, a mayor inductancia de la bobina o a mayor capacidad del condensador, menor frecuencia y viceversa. Hay varias formas de dar mayor o menor inductancia a una bobina:

1) Utilizando un hilo más o menos grueso (tendrá mayor inductancia cuanto más delgado sea porque se podrán dar más vueltas de hilo en el mismo espacio).

2) Introduciendo más o menos un núcleo de ferrita en el interior de la bobina (tendrá mayor inductancia cuanto más núcleo se haya introducido).

3) Separando más o menos las vueltas de hilo entre sí (tendrá mayor inductancia cuanto más juntas estén las vueltas).

Una vez construida la bobina, la forma más fácil de modificar la inductancia para corregir su tolerancia es utilizando el núcleo de ferrita. De esta forma, una vez que hayamos conseguido que el circuito resonante oscile dentro de un margen de la banda de frecuencias que nos interese, podremos ajustar la frecuencia introduciendo más o menos el núcleo en el cuerpo de la bobina, utilizando un pequeño destornillador aislante.

condensad_variab
Diferentes tipos de condensadores variables y ajustables.

En cuanto al condensador, podemos variar su capacidad utilizando uno de tipo variable. Así, si moviendo el núcleo de la bobina no consiguiéramos llegar a la frecuencia deseada, podríamos desplazarnos también por la banda de frecuencias variando la capacidad del condensador. Los condensadores variables disponen de un eje al cual se acopla un botón, con el cual podemos hacerlo girar y así cerrar o abrir más o menos las placas. Los que son ajustables, no llevan botón, porque están pensados para que el eje sea movido mediante un pequeño destornillador.

7 comentarios

Gravatar #1. Diegos
hace 8 años y 3 meses

Tenes alguna explicacion donde hacer un generador de corriente pequeño y casero de bajo rendimiento? continua o alterna. para prender un led o foquito de bajo voltaje. Gracias

Gravatar #2. asterion
hace 8 años y 3 meses

Gravatar #3. mlqsdc
hace 7 años y 8 meses

no me puedes mostar cómo sería cuando le colocamos un transistor bjt??? como seria la configuración?? de ante mano muchas gracias... AH! muy bueno este articulo!

Gravatar #4. Rober
hace 7 años y 4 meses

Muy buen artículo para mi que comienzo en esto. gracias Asterion

Gravatar #5. Jose Luis
hace 7 años y 4 meses

Tengo un circuito de control para variar la frecuencia de un tanque resonante LC, puedo utilizar el circuito tanque LC en un rango de frecuencias, sin que altere su resonancia?

Gravatar #6. asterion
hace 7 años y 4 meses

Jose Luis, puedes explicarte mejor? no he entendido bien la pregunta...

Gravatar #7. Jose Luis
hace 7 años y 4 meses

Hola Asterion

necesito saber que pasa con el funcionamiento del circuito tanque LC, cuando se lo hace funcionar en un rango de frecuencias, es decir diferente a su frecuencia de resonancia?.

De ante mano muchas gracias.

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