OSCILADORES | PDF | Rede Elétrica | Corrente Alternada
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Parte I - OSCILADORES
A oscilao com certeza a mais importante funo que um dispositivo activo (vlvula ou transstor) pode executar a seguir amplificao A possibilidade que um dispositivo tem de oscilar deriva justamente do facto de que ele tem de amplificar. H muitos e variados tipos de osciladores. Todos eles so alimentados com tenses contnuas e geram tenses alternadas de formas diversas: sinusoidais, quadradas, triangulares, pontiagudas (ou de picos), etc. Os Osciladores geralmente no recebem nenhum sinal exterior de excitao: fazem uso da realimentao positiva ou regenerao. Nestas condies o sinal de entrada uma fraco do sinal de sada, nenhum outro sinal existe. Poder-se- dizer ento que um oscilador um amplificador totalmente realimentado, um amplificador de ganho infinito, uma vez que capaz de fornecer uma tenso ou corrente alternada, com uma tenso ou corrente de excitao nula. H, certo, alguns osciladores que recebem impulsos vindos de uma fonte que lhes exterior. Dizem-se osciladores comandados, mas so menos frequentes. De um modo geral os osciladores dizem-se sinusoidais quando geram ondas alternadas sinusoidais; de relaxao se so outras as formas de ondas produzidas (por exemplo nos multivibradores que j estudmos). Vamos agora abordar os osciladores sinusoidais, que podem ser do tipo LC, quando empregam bobinas e condensadores, ou do tipo RC quando fazem uso de resistncias e condensadores. Claro que h osciladores para variadssimas frequncias. H osciladores que geram frequncias udio, usados nos equipamentos de laboratrio (geradores de sinais) normalmente como instrumentos de prova e verificao. H osciladores de radiofrequncias (RE) que tm grande aplicao nos transstores e receptores de rdio e TV. Um oscilador sinusoidal, que no recebe qualquer sinal com origem exterior ao seu prprio circuito, diz-se auto-excitado. Um circuito destes exige os seguintes elementos fundamentais: 1. um transstor ou uma vlvula capaz de um ganho de potncia superior unidade; 2. um circuito de realimentao positiva, que pode ser interior ou exterior ao transstor ou vlvula: 3. uma fonte de energia externa (continua normalmente) que alimente o oscilador: 4. um dispositivo que determina a frequncia da onda gerada. O dispositivo que determina a frequncia do oscilador pode ser um circuito de bobina e condensador (os osciladores LC), uma malha de resistncias e condensadores (oscilador RC). um cristal de quartzo (osciladores de cristal), uma cavidade ressonante. Esta ltima usa-se em osciladores sinusoidais que fornecem frequncias muito elevadas e recebem por isso o nome de osciladores de microondas ou osciladores de hiperfrequncias. O seu estudo s poder ser feito aps o conhecimento do funcionamento das linhas de transmisso de energia de RF.
OSCILADORES Introduo
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILADOR
Vamos prestar ateno ao circuito da figura 1. O oscilador fundamentalmente como j se disse um amplificador. Pois bem, aqui se v um amplificador de ganho A. urna rede de realimentao com um factor de realimentao, e um circuito inversor que inverte o sinal sado da rede de realimentao. Tal circuito inversor pode ser to simples como a simples troca de fios.
Princpio de funcionamento de um oscilador. O circuito com o algarismo -1 representa inverso de fase.
Quando o comutador s est ligado na posio 1, o amplificador recebe um sinal externo Xi e manda para o exterior um sinal Xs, A vezes maior, sendo A o ganho do amplificador A sada pois Xs = A Xi. Temos porm uma rede de realimentao, que recebe o sinal X s, mas manda para a sua sada uma fraco desse sinal, isto , X r = Xs. A pergunta que agora se faz esta: que ser necessrio para que o amplificador trabalhe de modo igual com o condensador S na posio 1 e na posio 2? Certamente que a resposta s pode ser uma: necessrio que o amplificador seja igualmente excitado, e portanto que (1) claro que, como um amplificador inverte sada o sinal de entrada, ler de inverter-se a tenso Xr = Xs para que a realimentao seja positiva, condio necessria para que o oscilador trabalhe. Da expresso (1), e atendendo que Xs=Ai, teremos Xi = AXi e portanto
Ou simplesmente (2) que a condio necessria para que um oscilador possa trabalhar. O produto -A constitui aquilo que se chama o ganho do anel. Efectivamente, este ganho o produto do ganho do amplificador A pelo factor de realimentao e pelo factor -1, que representa a inverso. Ora, para que um oscilador possa funcionar necessrio que o produto -A seja igual unidade. Estamos a tratar de osciladores sinusoidais, mas o facto que a condio X i = -Xr no implica que o oscilador seja sinusoidal. O que preciso que em todo o instante aquela condio se verifique, podendo portanto o oscilador gerar um sinal no sinusoidal e at mesmo fornecer sada um sinal diferente daquele que lhe reenviado para a entrada. Se na rede de realimentao houver bobinas, condensadores, ou ambos estes tipos de elementos, a nica forma de sinal que se mantm da entrada para a sada a sinusoidal. A igualdade (1) implica que sejam iguais a amplitude, a frequncia e a fase dos sinais Xi e Xr. Sendo isto assim, e visto que a alterao de fase que se processa atravs de uma rede reactiva sempre funo da frequncia, podemos dizer que a frequncia com que o oscilador sinusoidal trabalha aquela que produz uma variao total de fase nula ao
longo de rodo o anel. Isto quer dizer que desde a entrada do amplificador, ate justamente ao mesmo ponto, passando pelo amplificador, rede de alimentao e inversor, no h desfasamento.
Diferena bsica entre um amplificador (a) e um oscilador (b). O amplificador recebe um sinal exterior alternado e amplifica-o custa de uma energia contnua: o oscilador gera o sinal alternado custa da energia contnua.
Claro que dizer-se que o desfasamento sofrido pelo sinal ao longo do trajecto total do anel nulo, o mesmo que dizer-se que de 360, ou qualquer mltiplo inteiro de 360. Tambm de notar que pode haver mais do que uma frequncia capaz de produzir um desfasamento nulo, sendo ento possvel que o oscilador v trabalhar uma das vrias frequncias possveis, ou mesmo gerar vrias frequncias simultneas. A condio de funcionamento de trabalho de um oscilador, traduzida pela expresso simples A = 1 ou A = 1, conhecida por critrio de Barkausen. Por exemplo, um oscilador pode trabalhar com um ganho de tenso (A v) de 100 e um factor de realimentao () de 0,01. Efectivamente 0,01 x 100 = 1, e basta portanto que disponha ainda de um inversor de fase, de modo que se tenha 0,01 x 100 x (-1) = 1. Neste caso, se a tenso de excitao de 0,1 V, a tenso de sada ser sempre de 10V, assim como sempre ser de 0,1 V a tenso de excitao. Se ns aplicarmos a expresso do ganho dos amplificadores realimentados aos osciladores
Atendendo a que A = 1 vem
Isto significa que um oscilador um amplificador realimentado com um ganho infinito. Efectivamente assim, pois um oscilador d-nos urna tenso alternada de sada, por exemplo, sem que receba qualquer tenso alternada
de entrada. Isto , ele d-nos uma tenso de sada com zero de tenso alternada de entrada. Ora um valor qualquer dividido por zero matematicamente um nmero infinito. Isto permite-nos dizer que um oscilador um amplificador totalmente realimentado, ou um amplificador realimentado com um ganho infinito. A realimentao tem de ser positiva: se o amplificador trabalhasse com os dois sinais (adicionados) Xi e Xr (fig. 1) evidente que, como o amplificador inverte a fase de Xi, Xs viria em oposio de fase em relao a Xi. Tambm Xr estada em oposio a Xi. Para que a realimentao seja positiva (os dois sinais aditivos) tornase pois necessrio haver inverso de fase. Mas agora pense-se que no existe Xi. Ligado o oscilador, isto , ligada a tenso da fonte contnua que o alimenta, qualquer tenso alternada que se engendre entrada tem imediatamente de ser reforada por aco da rede de alimentao caso contrrio o oscilador nunca arrancar, isto , nunca se por em marcha. O funcionamento de um oscilador deve obedecer a trs condies fundamentais: a) possibilidade de auto-excitao; b) estabilidade de frequncia e de fase: c) estabilidade de amplitude. A primeira condio exige que entre a sada e a entrada exista uma rede de realimentao, mas realimentao positiva, capaz de levar entrada uma fraco suficiente da tenso de sada (se o transstor do tipo MOS ou se uma vlvula electrnica), ou ento capaz de levar entrada uma potncia suficiente se o transstor bipolar. O circuito de realimentao pode ser interior ou exterior ao dispositivo activo. Em muitos casos um simples transformador. Bastar inverter o conveniente sentido de enrolamento das espiras do primrio ou do secundrio para que o oscilador deixe de trabalhar. A estabilidade de frequncia e fase imposta por meio de um circuito ressonante LC, por uma rede RC, ou por outro dispositivo, como seja uma lmina de cristal de quartzo ou um diapaso. Deve dizer-se que h certos tipos de osciladores que apresentam urna estabilidade de frequncia to elevada osciladores padro que ronda as raias do absurdo. Quanto estabilidade de amplitude, ela deriva de o prprio dispositivo activo (vlvula ou transstor), que o oscilador emprega, no apresentar caractersticas lineares. A condio de Barkausen que, desprezando o sinal negativo, se escreve A = 1, uma condio de equilbrio, uma condio que efectivamente no verificada em todo o momento. Quer isto dizer que O ganho do anel num oscilador no unitrio em todo o momento. O que importa que o ganho mdio o seja. Quando o oscilador posto em funcionamento, o ganho do anel superior a 1. Isto bom, porque o que sucede que, quando se liga a fonte de alimentao, surgem variaes nos circuitos, oscilaes nascentes que so inicialmente fracas, e que preciso ento amplificar fortemente para que no se extingam. E enquanto o produto A for superior a 1 as oscilaes vo crescendo em amplitude. O crescimento das oscilaes origina uma maior tenso de excitao, esta, uma maior tenso de sada, que de novo produz maior tenso de excitao, etc. Mas este processo cumulativo no termina? Tem de terminar, de contrrio o transstor manter-se-ia na saturao e acabaria provavelmente at por destruir-se. Ora o que se passa que, medida que as oscilaes vo crescendo no sentido de se atingir a saturao, o ganho de tenso do amplificador vai diminuindo, reduzindo-se consequentemente a velocidade de aumento da tenso de sada. Por fim, a tenso de salda deixa de aumentar e, momentaneamente, torna-se constante. Aps isto, algumas pequenas alteraes no circuito, que fatalmente se do sem parar, fazem com que a tenso de sada comece a decrescer a partir do seu elevado nvel.
O sinal de realimentao tambm cai, naturalmente, acelerando assim a reduo da tenso de sada at um valor prximo do corte. Quase de imediato o ganho do amplificador comea a aumentar, e tudo se repete indefinidamente. Podamos provar matematicamente que a condio A = 1 vai dar origem a uma expresso de equilbrio diferente, que
em que o factor de amplificao do elemento activo empregado, gm a transcondutncia e Z a impedncia da carga de placa (da vlvula), do dreno ou colector (de transstor); o factor de reaco ou de realimentao. E o que sucede que no arranque (oscilaes pequenas) o valor de gm grande, de modo que
que a condio chamada de sobreexcitao. Quando, pelo contrrio, as oscilaes so grandes cai-se na expresso
que a chamada condio de desexcitao. Portanto, um oscilador em funcionamento trabalha constantemente entre estas trs condies: equilbrio, sobreexcitao e desexcitao. e isto pelo facto de as caractersticas do elemento permitirem que gm varie com a grandeza das oscilaes, diminuindo quando elas aumentam e aumentando quando diminuem. A frequncia de um oscilador pode alterar-se indevidamente se o ponto mdio de funcionamento variar. Este ponto em regra escolhido de modo que o oscilador trabalhe dentro da zona linear das caractersticas, dentro da qual h uma notvel constncia do valor dos parmetros. Se as tenses polarizadoras arrastam o ponto de funcionamento para a zona no linear, os parmetros variam e a frequncia altera-se. Da se ter como requisito fundamental tenses de alimentao invariveis. Os transstores tm comparativamente zonas lineares de caractersticas mais largas do que as vlvulas. Daqui resulta que o rendimento dos osciladores com unidades transistorizadas superior ao daqueles que fazem uso de vlvulas. A capacidade emissor/colector pode tambm alterar a frequncia de trabalho do oscilador, uma vez que ela se altera com as variaes de tenso do colector ou do emissor, e at com as variaes de temperatura. Isto sobretudo nas frequncias mais elevadas. Por isso, nessas frequncias recorre-se por vezes prtica de colocar em paralelo com essa capacidade um condensador de capacidade muito mais alta. A capacidade adicional, que pode at lazer parte do circuito sintonizado, faz com a outra um conjunto menos sensvel s variaes de tenso ou temperatura. Note-se que o facto de se usar uma fonte comum para alimentar o emissor e o colector atenua um pouco o efeito da variao dessa tenso. que um acrscimo de tenso do colector produz um aumento na frequncia de oscilao, enquanto um acrscimo da tenso do emissor produz efeito inverso. A compensao nunca e porm perfeita, de modo que o melhor fazer uso de tenses de alimentao estabilizadas.
DIFERENTES TIPOS DE OSCILADORES SINUSOIDAIS
Vamos ver como trabalha este primeiro oscilador, tambm conhecido por oscilador Armstrong, pelo que chamamos a ateno para a figura 3.
Oscilador de colector sintonizado ou oscilador Amstrong.
O oscilador recebe este nome por ter um circuito sintonizado (L1C1) como carga de colector. este circuito que fundamentalmente determina a frequncia de trabalho do oscilador, cujo valer aproximadamente
que a bem conhecida frmula de Thompson, que d a frequncia de ressonncia de um circuito ressonante. O facto de C 1 ser de capacidade varivel permite seleccionar a frequncia de trabalho do oscilador, dentro, evidentemente, de determinados limites. Aqui as resistncias R 1 e R2 formam um divisor de tenso que, em conjunto com a resistncia do emissor Re, polariza a juno base/emissor. Cb e Ce so condensadores de grande capacidade para deixarem passar sem queda de tenso aprecivel as correntes de RF. As bobinas L1 e L2 formam um transformador, que pode ser escolhido para trabalhar em frequncias to baixas como as udio, utilizando ncleo de ferro laminado, ou trabalhar em altos valores de RF, fazendo ento uso de ncleo de ar ou de ferrite. este transformador que permite estabelecer a realimentao positiva, necessria oscilao, pois ele que aplica entrada (espao base/emissor) uma fraco da tenso de sada, isto , da tenso alternada entre o colector e a massa, ou mesmo entre o colector e o emissor, uma vez que a tenso alternada entre o colector e o emissor simplesmente a tenso alternada entre os pontos 1 e 2. Portanto a rede de realimentao aqui constituda pelo transformador de enrolamentos L1 e L2. Para que a realimentao seja positiva, uma vez que a montagem EC inversora, a tenso de reaco tenso em L2 - deve estar em oposio de fase relativamente tenso desenvolvida em L1. Quer isto dizer que, quando o terminal 2 negativo relativamente ao terminal 1, deve o terminal 3 ser positivo relativamente ao
terminal 4. O oscilador posto em marcha desde que se ligue a bateria Ec. Nesta altura flui imediatamente corrente por R 1 e R2 e tambm atravs do emissor, base e colector. Constitui isto uma perturbao no circuito, perturbao que, surgindo no colector, transmitida base de forma a refor-la. Surgem portanto oscilaes no circuito ressonante (L1,C1), cuja amplitude cresce rapidamente porque o oscilador trabalha numa zona de alta transcondutncia, s que medida que elas vo crescendo a transcondutncia do transstor vai baixando, de modo que em breves Instantes se atinge a condio de equilbrio. O valor de g m da condio de equilbrio no um valor da transcondutncia de um ponto mas um valor mdio das transcondutncias em todos os pontos de funcionamento percorridos pelo oscilador. usual os osciladores trabalharem em classe C. Mas isso depende dos valores que se derem a R1 e R2. Trabalhando em classe C, o circuito de colector percorrido por impulsos de corrente, sendo que L1, e C1 regeneram a onda sinusoidal a partir desses impulsos. Se no houvesse perdas bastaria um impulso, e teramos permanentemente uma onda sinusoidal no circuito L1 C1. Ora sabemos que as h, e at porque a sada, obtida por um terceiro enrolamento. pode e geralmente acontece absorver potncia, sendo portanto necessrio enviar por cada ciclo de oscilao um impulso de corrente para compensar a energia dissipada pelo circuito ou por ele entregue carga. Que relao de espiras dever ter o transformador? O critrio de Barkausen A = -1. O sinal menos est garantido por o transformador inverter a fase da tenso do primrio para o secundrio. O valor de ser ento dado por 1/A, e este no mais nem menos do que a relao do nmero de espiras entre L2 e L1. Diga-se porm que o ganho do anel no obedece exactamente ao critrio de Barkausen, e faz-se um pouco maior do que a unidade. Ora o ganho pode ser definitivamente ajustado com uma resistncia Re e um condensador Ce apropriados, podendo ento assegurarmo-nos de que o transstor no atinge a saturao nem o corte, fornecendo-nos urna boa onda sinusoidal No nos deveremos esquecer que o sistema RE CE. se der origem a uma queda de tenso alternada, produz realimentao negativa e pode consequentemente ajustar a um valor correcto o ganho do anel A). A amplitude das oscilaes no deve ser to alta que torne, em qualquer instante, o colector positivo em relao base, nem to-pouco a tenso de reaco deve levar a base positiva em relao ao emissor. Num e noutro caso haveria distoro. Este inconveniente evitado Fazendo com que a carga de colector apresente um valor moderado, por utilizao de uma relao L1 1C, baixa. Convm at um valor alto de C. para atenuar o efeito das variaes das capacidades internas do transstor devido alterao da temperatura e possvel modificao das condies de funcionamento das unidades. Dever haver adaptao entre a entrada e a sada. Poder dizer-se que o circuito paralelo v as resistncias de entrada e de sada como valores iguais. Com efeito, a resistncia de sada, que a resistncia colector/emissor, fica em paralelo com o circuito sintonizado para efeito das componentes alternadas. Note-se que R, no conta, no apenas por ser relativamente pequena, mas porque est curto-circuitada pelo condensador para essas componentes. A resistncia base/emissor baixa, sim, mas urna conveniente relao de espiras entre L1 e L2 faz reflectir no circuito ressonante (em paralelo com ele) uma resistncia com um valor igual, ou sensivelmente igual, resistncia colector/emissor. a adaptao. CB e CE, como se disse, controlam a energia de reaco, isto , a energia que o colector envia para a base, que no deve ser alta de mais (perigo de embalamento do transstor que pode ocasionalmente dar azo sua destruio, ou pelo menos provocar grande distoro na onda sinusoidal), nem baixa de mais (possibilidade de amortecimento das
Aqui ternos um oscilador Armstronq, em tudo idntico ao da figura anterior, com a rede de polarizao R b e Rb e capaz de oscilar entre cerca de 1 MHz o 2,5MHz, por variao de C1, respectivamente entre 250 pF e 40pF. O ncleo do transformador de realimentao de ferrite e o transstor do tipo NPN.
oscilaes at extino). O controlo dessa energia e ento feito por esta forma: se as oscilaes crescem de modo que a sua amplitude ultrapassa a tenso de polarizao, a juno base/emissor vai trabalhar como um rectificador (que haveremos ainda de estudar), fazendo aparecer uma carga adicional em C B e CE, carga essa que tende a tornar o emissor mais negativo e a base menos negativa; desta forma a polarizao decresce, decresce a corrente de colector e o ganho de potncia do andar; menos energia ento reenviada base. O contrrio se d se as oscilaes crescem. H pois estabilizao.
Em a) oscilador de realimentao de base comum; em b) oscilador de realimentao emissor/colector
O oscilador de colector pode ser realizado numa montagem de base comum (BC), que e at um sistema muito aplicado nos receptores super-heterodinos de ondas mdias e longas. O principio de funcionamento e essencialmente aquele que foi longamente descrito para a montagem EC, apenas havendo aqui que tomar conecto o sentido dos enrolamentos L1 e L2 (fig. 5a). O caso que esta montagem no inversora de fase, como a montagem EC, de modo que, quando o colector (ponto 1) se toma menos negativo, deve o ponto 2 tornar-se tambm menos negativo e inversamente. S assim se realiza a realimentao positiva, a realimentao que pode manter indefinidamente as oscilaes no circuito ressonante L1 C1. Pois bem, uma vez que na montagem BC as tenses do colector e do emissor ficam praticamente em fase, nada impede que se taa uma realimentao atravs de uma capacidade C. como se mostra na segunda parte da figura 5. Aqui L2 uma bobina de choque de RF, uma bobina que impede a passagem das correntes de RF, forando-as a ir para o emissor. Se L2 no existisse, as correntes de RF, passando por C, fluam por CE, massa, e regressavam a L1, desviando-se da juno base/emissor, e deixando portanto de haver realimentao. J agora podemos ver (fig. 6) um esquema prtico de um oscilador de colector sintonizado capaz de nos fornecer uma frequncia de 250 MHZ. Repare-se que o circuito ressonante, que determina a frequncia de oscilao, dado pela bobina L1 apenas de uma espira com o dimetro de 1cm e dois condensadores de capacidades variveis. A realimentao do colector e feita atravs de uma bobina de choque para as RF de 0,6 H. Repare-se que a realimentao entre o colector e o emissor se consegue com um
condensador apenas de 1pF, sendo bastante a resistncia de 3k para impedir que as correntes de RF se desviem da juno do emissor. Claro que o transstor est em montagem BC. No se admirem os nossos leitores se porventura virem nas bandas de UHF um oscilador destes sem o condensador de realimentao. Neste caso a realimentao far-se- muito simplesmente atravs da capacidade interna colecto/emissor do transstor
Oscilador para 250MHz, de colector sintonizado, fazendo uso de um transstor PNP, tipo 2N1141.
Oscilador de base sintonizada
O oscilador de base sintonizada e menos usual do que o de colector sintonizado. Neste caso o circuito ressonante (L1C1) est intercalado entre a base e o emissor, sendo a bobina de reaco (L2) derivada do colector, aplicando a energia de reaco a L1C1, C3 e C2 bloqueiam as componentes continuas de colector e de base e a polarizao feita pelo mesmo processo que os osciladores precedentes. (Em vez de R1 R2, podamos escrever RB RB). No convm aqui que haja condensador de ponte para a resistncia R 2. Ele desviaria as componentes alternadas da juno base/emissor,
Oscilador de base sintonizada.
deixando portanto de haver a excitao necessria A frequncia de oscilao selecciona-se por variao da capacidade de C 1. A sada tirada do colector por condensador, sendo que R C, desenvolvendo quedas de tenso de RF, produz tambm uma queda de tenso contnua que da a competente polarizao ao colector.
Oscilador de grelha sintonizada
Estes so tipos de osciladores que, como o seu nome indica, fazem uso de vlvulas electrnicas e no de transstores. So porm correspondentes aos osciladores de base e de colector sintonizados. O oscilador de grelha sintonizada (fig. 8) dispe do circuito sintonizado determinativo da frequncia de oscilao entre grelha c ctodo. L 2 a chamada bobina de reaco. que produz a realimentao entre placa (sada) e grelha (entrada), e para isso esta indutivamente acoplada a L1, formando ambas um transformador de RF. O condensador C 2 e a resistncia de fugas de grelha R engendram a polarizao de grelha, levando normalmente o oscilador a trabalhar em classe C. Quando se fecha o interruptor S ligada a tenso placa da vlvula e a corrente de placa comea a subir a partir do zero. Esta corrente, circulando por L2, cria a um campo magntico crescente que abraa as espiras de L1. Consequentemente, uma tenso induzida em L1 e esta tenso vai carregar C1. Deste modo o nodo fornece energia ao circuito FIGURA 8 de grelha fazendo com que apaream oscilaes em L1 C1. Tais Esquema do oscilador de grelha sintonizada (os sinais + e oscilaes desenvolvem uma tenso alternada atravs de C 1, que e indicam a tenso nas bobinas num dado instante). aplicada entre grelha e ctodo, e passa a comandar a corrente de placa. A polaridade da tenso de grelha relativamente da placa e de importncia fundamental para que a realimentao seja positiva e as oscilaes cresam em amplitude. Por isso as bobinas L1 e L2 tm de ser enroladas de modo que as suas tenses venham a estar em oposio de fase, isto quer dizer que, quando o terminal superior de L1 vai no sentido positivo, a tenso que lhe aplica L2 deve reforar esse sentido e, inversamente, quando vai no sentido negativo deve igualmente reforar o abaixamento. Numa palavra: quando a corrente cresce atravs da vlvula produzindo um abaixamento do potencial andico. a tenso induzida em L1 deve fazer crescer o potencial da grelha isto o que se chama regenerao. O grau de regenerao e limitado por vrios factores. Quando a grelha se tende a tornar positiva relativamente ao ctodo, h uma corrente que atravessa R e vai procurar carregar C 2. Mas a verdade e que tambm existe uma corrente de grelha mais alta (R e grande) que vai carregar aquele condensador. O condensador carrega-se, quando muito, ao valor de pico da tenso desenvolvida no circuito ressonante, de modo que esta tenso e a carga do condensador C 2, de polaridades opostas, no permitem que a grelha v seno ligeiramente positiva em relao ao ctodo e isto apenas nos picos do sinal de RF. Portanto, a certa altura a corrente de placa deixa de crescer, podendo mesmo atingir-se a saturao da vlvula e o crescimento ter de cessar por isso. Agora a corrente oscilatria no circuito ressonante inverte o seu sentido, a diferena de potencial atravs de C1 decresce e o potencial da grelha baixa. A corrente atravs da vlvula comea a decrescer. Ento o potencial andico comea a crescer - tentando por L; evitar o decrescimento da corrente - e em L1 induzida uma tenso que tende a tomar a grelha mais negativa e a vlvula pode atingir o corte. A tenso de grelha vai ao ponto mais negativo, ate que as oscilaes no circuito comecem a inverter o seu sentido e as oscilaes voltam a crescer por aco da tenso induzida por L2 em L1.
A partir do arranque a polarizao da grelha vai crescendo automaticamente ale se estabilizar num valor mdio. O seu valor constantemente igual (ou sensivelmente igual) ao valor de pico das oscilaes em C1. No devemos esquecer que C 2 se carrega fcil a rapidamente atravs da baixa resistncia grelha/ctodo sempre que a grelha positiva, mas a sua descarga muito lenta, pois s pode fazer-se sobre a resistncia R de elevado valor.
Crescimento mdio da tenso de polarizao.
Repare-se na figura 9. No primeiro ciclo do oscilao indicado por a, a grelha torna-se ligeiramente positiva em relao ao ctodo. Os electres fluem do ctodo para a grelha e acumulam-se na placa direita de C2. Durante o espao de tempo entre a e b, o potencial da grelha est abaixo do potencial do ctodo e C2, descarrega ligeiramente atravs de R (a figura no mostra essa descarga). Isto faz com que um potencial negativo seja aplicado grelha da vlvula. Como C2 e R so grandes, s uma pequena parte da carga do condensador perdida. Quando o potencial da grelha volta a subir acima do potencial catdico (em b), mais corrente de grelha flui e a tenso de polarizao atravs de R aumenta. medida que a amplitude das oscilaes aumenta, aumenta tambm a tenso de polarizao. A polarizao limita o tempo durante o qual existe corrente de placa e deste modo limita a energia que L2 envia a L1. Alm disso o circuito perde energia em cada ciclo devido ao calor que desenvolve e at s perdas por irradiao. Tais perdas so mais pronunciadas medida que as oscilaes aumentam. Ento dever ser alcanado um ponto para o qual as perdas e a polarizao de grelha evitam que as oscilaes cresam mais. A polarizao alcana um valor fixo quando a carga que C 2 recebe em cada alternncia positiva 6 igual a que perde atravs de R durante a restante parte do ciclo. O circuito continua oscilando a uma amplitude constante enquanto se mantiverem iguais as condies de funcionamento. A polarizao automtica de grelha tem a vantagem de permitir que as oscilaes arranquem. Quando o oscilador e inicialmente ligado, a polarizao de grelha e zero, a corrente flui e, como a transcondutncia da vlvula alta, est-se na condio de sobreexcitao, crescendo as oscilaes. medida que a polarizao aumenta com o crescimento das oscilaes, a transcondutncia vai sendo cada vez menor at que se atinge a condio de equilbrio. Se porventura alguma usa fizer crescer demasiado as oscilaes, a transcondutncia decresce e o oscilador entra na condio de desexcitao, fazendo decrescer as oscilaes para o valor de equilbrio. A frequncia de oscilao sensivelmente igual a:
mas certos factores podem fazer alterar o seu valor, tais como: variao na tenso de alimentao de placa (B +), envelhecimento da vlvula e dos circuitos, aquecimento e o facto de o oscilador poder ou no fornecer energia a uma carga qualquer. Uma vez que a corrente e a tenso no circuito de grelha apresentam valores pequenos, pequena potncia se consome para manter em marcha este tipo de oscilador.
Oscilador de placa sintonizada O Circuito sintonizado (L1 C1) pode ser (fig. 10) intercalado na placa da vlvula. Temos ento o chamado oscilador de placa sintonizada O principio de funcionamento deste tipo de oscilador praticamente o mesmo que o anterior. Pode porm fornecer uma maior potncia de sada. A realimentao positiva entre os Circuitos de placa e de grelha e leito, da mesma forma, por acoplamento magntico entre L1 e L2. Ligada a fonte de alimentao (B+), a corrente atravs da vlvula comea a subir a partir do zero. Isto produz um campo magntico crescente em L 1, que carrega C1. Assim, fornecida energia ao circuito oscilatrio e as oscilaes desencadeiam-se. A corrente oscilatria em L1 produz uma tenso alternada em L2 da mesma frequncia. L1 e L2 esto acopladas de tal modo que um aumento de corrente atravs da vlvula produz uma tenso em L2 que faz a grelha positiva Esta tenso aumenta ainda mais a corrente de placa, at que ela alcana o seu valor mximo. Quando a corrente em L1 C1 se inverte, a tenso induzida em L2 faz com que o potencial de grelha decresa Isto reduz a corrente atravs da vlvula, e de novo se assiste s oscilaes em L1 C1. Enfim, devido amplificao da vlvula e regenerao conseguida por L1 e L2, as amplitudes das oscilaes Crescem at que atingem um valor de equilbrio. Isto sucede quando as perdas no circuito, a tenso de grelha e a alternncia positiva da tenso de grelha evitam que as oscilaes cresam mais. Alis como no caso anterior. Ser de notar que R por vezes aparece directamente em paralelo com o condensador C2, so variantes do mesmo processo de resistncia de fugas de grelha, estudados na devida altura. A frequncia de trabalho do oscilador sensivelmente igual frequncia de ressonncia do circuito sintonizado, dependendo portanto de um modo fundamental dos valores de L1 e C2. O circuito da figura 10 diz-se de alimentao srie porque o circuito ressonante fica em srie no circuito andico. Pode porm o oscilador ser de alimentao em paralelo (ou shunt) tal como indicado na figura 11.
Oscilador de placa sintonizada de alimentao srie.
Oscilador de placa sintonizada de alimentao em paralelo.
Este novo tipo de oscilador tem a vantagem de evitar que as componentes alternadas das correntes passem fonte de alimentao (B +), pois para isso l existe o choque de RF, que a bobina L3. Tambm o circuito ressonante, no ficando ligado alta tenso de alimentao, deixa de ser to perigoso quando se sintoniza, ou quando se lhe aplica uma carga. C 3 evita a passagem da corrente contnua para o circuito, deixando porm passar as componentes alternadas. Devemos dizer que C3 descarrega algo atravs da vlvula quando a corrente da vlvula est no mximo, fornecendo energia ao circuito ressonante. Durante a restante parte do ciclo C 3 ganha tenso da fonte de alimentao atravs de L. Vamos mostrar que a frequncia de trabalho de um oscilador de placa sintonizada no exactamente igual frequncia de ressonncia do circuito sintonizado. Para o efeito h que reparar na figura 12. Aqui se v o circuito equivalente de placa do oscilador, em que r representa a resistncia &mica da bobina L1. Como se sabe, ri a resistncia interna diferencial da vlvula e -Eg a f.e.m. do hipottico gerador, com o sinal contrrio tenso de grelha Eg. Ora bem, tanto vale apresentar o circuito com valores instantneos, como com valores eficazes, respectivamente E g Eg IL e Ip.
Em a)- circuito equivalente de placa do oscilador de placa sintonizada; em b)- diagrama vectorial das tenses e correntes.
Como em ressonncia o circuito essencialmente resistivo, a tenso A e B est em fase com a tenso -Eg. Consequentemente, a corrente l C no condensador ceve estar em avano de 90 relativamente a -Eg. Ora a corrente IL no est exactamente em oposio (desfasamento de 150) em relao a IC mas algo menos. E isto devido resistncia r da bobina. Tal facto faz com que a soma de IC com IL (que a componente alternada da corrente andica da vlvula) fique um pouco avanada relativamente a Eg. Quer isto dizer que o circuito ressonante oscilador apresenta a vlvula urna impedncia ligeiramente capacitiva. o que significa tambm que o oscilador deve trabalhar um pouco acima da frequncia de ressonncia do circuito ressonante. Diz-se que capacitivamente sintonizado.
Modificaes destinadas a aumentar o rendimento dos osciladores
Os osciladores trabalham normalmente em classe C. piar Ser esta a classe que fornece um melhor rendimento. Porque afinal O que faz um oscilador transformar uma energia contnua numa energia alternada E naturalmente pretende-se que essa transformao se faa com o maior rendimento possvel.
Ora um oscilador a trabalhar em classe C, ou mesmo B, um circuito em que a corrente de placa da vlvula flui por impulsos. Tais impulsos tm um valor mdio componente contnua da corrente de placa e depois um certo nmero de termos sinusoidais (harmnicas) em que a primeira corresponde a frequncia de trabalho do oscilador. As harmnicas geradas tm amplitudes que variam com a polarizao da vlvula, o factor de qualidade (Q) do circuito ressonante e at com a alta tenso B + aplicada. Ora, para que o rendimento de converso em potncia alternada seja alto, preciso que a componente contnua da corrente de placa seja o mais pequena possvel. Dois factores de importncia fundamental para um bom rendimento so a adaptao de impedncias e o ngulo de circulao de corrente. Adaptao de impedncias. Num oscilador, a vlvula (ou transstor) a fonte de potncia alternada, e o circuito LC a carga. A impedncia de um circuito paralelo ressonncia com um elevado factor de qualidade Q muitssimo elevada. Ento a tenso no circuito toma-se muito alta e a corrente muito pequena. Para que a impedncia se apresente um pouco mais baixa para a vlvula, torna-se necessrio ligar a placa, no ao termina! da bobina do circuito, mas a um ponto qualquer P intermdio da bobina (fig. 13). Este ponto esta a um potencial alternado mais baixo do que o extremo da bobina e o ajustamento apropriado adapta a impedncia da carga resistncia interna da vlvula. Ento transferida para o circuito a mxima potncia alternada possvel. No muito fcil encontrar a posio exacta que deve ter P; e isto porque a impedncia interna da vlvula varia bastante ao longo do ciclo de funcionamento. Em qualquer instante a impedncia o quociente entre a tenso placa/ctodo e a corrente de placa nesse instante. Durante o tempo em que a vlvula est ao corte naturalmente a impedncia infinita Quando a tenso de grelha vai para o valor de pico positivo, a tenso de placa desce para um mnimo Assim, no pico do ciclo a impedncia interna da vlvula desce para um valor baixo. Em suma: a posio de P, que fornece a maior potncia de sada, deve ser procurada experimentalmente. ngulo de circulao da corrente. Este ngulo est representado por na figura 14 para um oscilador a trabalhar em classe C. As tenses de grelha e de nodo (alternadas) esto desfasadas de 180, ficando a grelha mais positiva no justo momento em que a placa menos positiva. A tenso alternada andica Vp uma sinuside que varia em torno do potencial de alimentao B+. A vlvula est polarizada para alm do corte e a tenso Vg uma tenso sinusoidal que varia em torno do valor da tenso de polarizao. A corrente andica circula precisamente durante aquele espao de tempo (a tracejado) em que a tenso V g ultrapassa a
A posio do ponto P pode ser ajustvel para efeitos de adaptao.
Formas de onda da tenso oscilatria num oscilador em classe C.
polarizao, ao passo que a corrente de grelha s flui momentaneamente, nos breves instantes em que a grelha se torna positiva em relao ao ctodo. E a corrente de grelha que mantm a polarizao automtica da vlvula. A potncia instantnea dissipada pela vlvula Igual ao produto da tenso instantnea pela corrente instantnea, andicas. A potncia dissipada num ciclo o valor mdio das potncias instantneas tomadas durante um ciclo completo. Para que o rendimento seja mximo este consumo deve ser mnimo. Isto exige que o ngulo de circulao de corrente seja reduzido ao mnimo, fazendo com que a corrente de placa flua por fortes impulsos de curta durao nas alturas em que muito baixa a tenso de placa. A grelha deve portanto ser polarizada bem para alm do corte, de modo que apenas os seus picos positivos sejam capazes de provocar corrente de placa. OS osciladores trabalham com um rendimento entre 75% e 85% quando o ngulo de circulao de corrente de 60%. O valor da tenso de polarizao fundamentalmente determinado pela grandeza da bobina ligada grelha, pelo grau de acoplamento magntico entre esta e a bobina de placa e ainda pelos valores de C e R (fig. 12). De um modo geral convm para um bom rendimento altos valores de R e C, pois assim se eleva a tenso de polarizao. H porm que ver que a elevao destes valores tem um limite. que, se R e C forem excessivos, a polarizao desenvolvida de tal ordem que a vlvula pode manter-se no corte durante vrios ciclos de oscilao, at que a carga do condensador se perca atravs de R e a corrente andica flua de novo. Isto produz um funcionamento intermitente, que porm algumas vezes aproveitado nos chamados osciladores de bloqueio, destinados a gerar sinais com formas especiais. Factor de qualidade do circuito sintonizado. O factor de qualidade do circuito ressonante de um oscilador tem usualmente o valor 12. Um valor mais alto requer urna Construo mais robusta de L e de C para suportarem correntes elevadas de circulao. Tambm, se o Q inferior a 12, h uma perda de energia grande de mais para um funcionamento eficiente; a forma de onda de sada deixa de ser sinusoidal e o oscilador torna-se instvel. A escolha da frequncia de um oscilador faz-se normalmente variando o valor da capacidade de sintonia Contudo, se pretendermos aumentar a banda coberta pelo oscilador at um limite muito alto, acontece que se vai alterar o valor de Q e aparece a instabilidade. Para que o oscilador cubra uma vasta gama de frequncias, o que h a fazer dividir essa gama num certo nmero de faixas ou bandas mas estreitas. O condensador de sintonia o mesmo e a cada faixa corresponde uma bobina diferente que se escolhe por meio de um comutador. Desta forma mantm-se o factor Q dentro de valores razoveis operacionalidade do circuito.
um oscilador que pode trabalhar a vlvulas ou a transstores. A figura 15 mostra o tipo transistorizado. Este oscilador, ainda que apresente ligeiramente modificadas as suas ligaes, caracteriza-se facilmente por dispor de dois condensadores (C1 e C2) unidos a uma tomada. Tais condensadores (em srie) formam com a bobina L o circuito ressonante que d a frequncia de oscilao do circuito. A componente alternada da corrente de placa circula parcialmente por R C da ordem dos 1000, por C2 e pela associao srie constituda
por L e C1. Todos estes elementos se encontram em paralelo para formarem a carga do colector para as componentes alternadas, se bem que em paralelo com C1 haja que contar com a resistncia de entrada do oscilador.
Oscilador Colpitts transistorizado
A tenso de reaco (Vr) a queda de tenso em C1, e a tenso de sada a queda em C,(tenso alternada entre colector e massa), e pode ser retirada por meio de um condensador ligado ao colector do transstor. Claro est que estas duas tenses tm de estar em oposio para que a realimentao seja positiva e efectivamente esto, pois o colector est ligado armadura superior de C2 e a base armadura inferior de C1. R1 e R2 constituem o divisor de tenso (por vezes referido por R B e R'B) que, em conjugao com o dispositivo de compensao trmica (R E-CE) polarizam a juno base/emissor. O condensador C de acoplamento para as componentes alternadas e de bloqueio para as contnuas. A adaptao de impedncia: entre a entrada e a sada do oscilador fica a cargo da conveniente relao entre as capacidades C 2 e C1. Na montagem de emissor massa, que o raso da figura, C1 10 a 20 vezes maior do que C2, justamente porque a impedncia de sada do transstor tambm muito maior do que a de entrada. Isto faz com que a capacidade resultante dos dois em serie seja quase igual ao valor da capacidade C, Mas se quisermos ser mais precisos na determinao da frequncia de oscilao escreveremos:
pois o produto (C1 C2), dividido pela soma (C1 + C2), que nos d a capacidade resultante em paralelo com a bobina L. J se disse que a sada se pode retirar do colector. Mas pode tambm obter-se por intermdio de algumas espiras formando um enrolamento magneticamente acoplado a L. A frequncia de trabalho pode alterar-se por variao de L ou das capacidades C1 e C2. No ltimo caso convm que ambas variem simultaneamente, de modo a manter-se a relao dos seus valores para efeitos de adaptao. Clapp chegou concluso de que, se em vez da bobina L, fosse utilizada uma bobina em srie com um condensador, obter-se-ia uma estabilidade de frequncia muito maior, especialmente se esta capacidade
adicional tosse de valor muito mais pequeno do que a resultante de C 1 e C2. O oscilador Colpitts assim modificado recebe o nome de oscilador C!app. A variante Clapp atenua os eleitos das variaes das tenses de alimentao ou da temperatura sobre a frequncia do oscilador. que. com efeito.,C1 e C2 esto em paralelo respectivamente com a capacidade de entrada e sada do transstor. Se as frequncias de trabalho so altas, a variao da temperatura ou da tenso de alimentao vai lazer variar as capacidades internas e alterar a frequncia de oscilao.
Qual a frequncia de trabalho do oscilador Colpitts (fig. 15) se C 1 for de 1500pF, C2 de 80pF e L=200H? Desprezam-se as capacidades parasitas e externas. Nada mais h e fazer do que aplicar directamente a frmula:
Antes de se inventaram os transstores j trabalhavam os osciladores tipo Colpitts a vlvula, consoante a figura 16. Cremos que no precisaremos de explicar mais nada, dada a exposio j feita a respeito do oscilador transistorizado. Diga-se porm que a existncia de C4 evita que a alta tenso (B+) atinja o circuito sintonizado e L1 uma bobina de choque para as correntes de RF, impedindo que elas penetram na fonte de alimentao. Ainda assim podemos acrescentar que a frequncia de trabalho 6 ligeiramente superior a frequncia dada pelo circuito ressonante, o que significa que a carga capacitiva para realimentao positiva. O tracejado a ligar C1 a C2 indica que os condensadores esto mecanicamente ligados para, quando se selecciona uma frequncia, no se alterar a relao das capacidades.
Oscilador Colpitts a vlvula.
Aqui temos outra variante que pode ser transistorizada ou a vlvulas. A figura 17 mostra um oscilador Hartley tipo srie. H ainda o tipo paralelo (fig. 18). Em qualquer dos casos, o oscilador reconhece-se com facilidade por dispor de uma tomada sobre a bobina que faz parte do circuito sintonizado (bobinas L1 e L2 e condensador C1). O oscilador Hartley o que d melhor resultado em frequncias elevadas,
desde que sela utilizado na configurao EC. R1 e R2 constituem o divisor de tenso para efeitos de polarizao, como R E-CE o dispositivo de compensao trmica. A bobina do circuito ressonante fraccionada em duas partes, respectivamente L1 e L2. A componente alternada da corrente do colector flui parcialmente por C 1 e L2 para, atravs da fonte de alimentao (-EC), se fechar para o emissor.
Oscilador Hartley transistorizado tipo srie.
Outra parcela flui por L. e faz tambm retomo pela tonto de alimentao. De qualquer modo podemos dizer que o emissor. para efeito das componentes alternadas. est ligado a tomada mdia sobre e bobina pois que a fonte de alimentao praticamente um curto-circuito para as tenses alternadas, como tambm o o condensador que deriva a resistncia ligada ao emissor. A parcela da corrente que atravessa C1 e L2 deixa em L2 uma queda de tenso, que vem a ser a tenso de reaco, ligada a base pelo condensador de acoplamento C. A componente continua da corrente do colector s pode circular por L1, vai fonte de alimentao, massa e fecha-se pelo emissor atravs de RE. A adaptao de impedncias entre a sada e a entrada obtida por conveniente escolha da posio da tomada sobre a bobina, assim como a
Oscilador Hartley transistorizado tipo paralelo.
grandeza da tenso de reaco. Se a bobina. de troos L 1 e L2, for de ncleo de ferrite, o coeficiente de acoplamento entre os troos pode
supor-se igual a unidade, e a frequncia de oscilao do sistema vem muito aproximadamente igual a:
sendo M o coeficiente de induo mtua entre L1 e L2. Ser , uma vez que o coeficiente de acoplamento K sensivelmente igual a 1. O facto de se chamar tipo srie significa apenas que a componente contnua da corrente de colector circula no circuito sintonizado (no caso, em L1). Mas fcil desvi-la de l, visto que, efectivamente, nenhum benefcio l vai fazer e ento temos o chamado tipo paralelo. O desvio conseguido por um condensador (fig. 18) que lhe trava a marcha, deixando-se porm a resistncia RC para o seu trnsito. A tomada sobre a bobina pode agora perfeitamente ser ligada massa. O Hartley a vlvulas naturalmente mais antigo. Mas os seus fundamentos so os mesmos. O circuito oscilante (L1, L2 e C1) aplicado entre o nodo e a grelha. A tenso atravs de L2 aplicada entre grelha e ctodo por aco de C2 e C3. a tenso de reaco. Quando a tenso B + aplicada, a corrente sobe, desde zero, atravs da vlvula, O aumento da corrente circula por L1 e fornece energia ao circuito oscilante. Ento aparecem oscilaes no circuito sintonizado que desenvolvem uma tenso alternada ao longo da bobina. Esta tenso formada por duas parcelas: a parcela andica atravs de L1 e a parcela da grelha atravs de L2.
Oscilador Hartley a vlvulas de alimentao srie.
Uma vez que os dois extremos da bobina so de polaridade oposta, a grelha menos negativa quando a placa menos positiva, e vice-versa. Este facto assegura que a realimentao positiva e que as oscilaes que se desenvolvem no circuito sintonizado podem perdurar indefinidamente. O ponto mdio da bobina, que identifica este oscilador, ajustado para fornecer a necessria tenso de reaco (tenso de grelha), e para adaptar a impedncia do circuito oscilante impedncia interna da vlvula. A polarizao automtica feita por resistncia de fugas de grelha, com a resistncia R e o condensador C2. O circuito da figura 19 do tipo srie. Isto porque a componente contnua da corrente de placa circula pela bobina do circuito sintonizado ou, o que o mesmo, porque o circuito se encontra ao potencial contnuo da fonte de alimentao (B +). Mas tal inconveniente pode ser eliminado pelo tipo paralelo ou de alimentao em paralelo, consoante a figura 20. Aqui aplicado um condensador de bloqueio (C3), que impede a corrente contnua de atingir o circuito oscilante, ao mesmo tempo o choque L 3 ope-se a passagem da corrente alternada para B+. Neste caso o circuito ressonante fica a um potencial continuo igual a zero, o que torna inofensivo ao operador c manejo do condensador de sintonia C1. A parte b da figura 20 mostra aquilo que se designa pelo oscilador
Hartley modificado. Repare-se que neste caso a placa fica ao potencial alternado da massa, pois para isso l existe o condensador de desacoplamento C4. O caminho para a componente contnua da corrente de placa. que tem sempre de existir, faz-se por L4, B+, massa, parte superior de L e depois regressa ao ctodo pela tomada media. um tipo de alimentao srie. A grelha e o ctodo ficam a um potencial alternado elevado, mas de qualquer modo o funcionamento o mesmo que o de qualquer outro tipo de oscilador Hartley. Este tipo de oscilador geralmente usado nos receptores de rdio.
Em a)- oscilador Hartley tipo paralelo; em b)circuito Hartley modificado
O oscilador Hartley no oscila exactamente a frequncia de ressonncia do seu circuito ressonante. Oscila a uma frequncia um pouco interior. E isto significa que o circuito (carga de placa) tem de ser indutivo para que se verifique a realimentao positiva. O oscilador Hartley pode ser adaptado a uma montagem push-pull quando se pretende uma potncia de sada alta O oscilador toma ento o aspecto da figura 21, com o circuito sintonizado intervalado entre os colectores dos dois transstores. Embora a figura no deixe entender isso, as bobinas L2 e L1 com tomadas mdias esto acopladas magneticamente, funcionando como um transformador. As tenses de reaco so ento aplicadas s bases de T1 e T2 em oposio de fase, como requer o pushpulI. As funes de R1, R2, RE e CE so conhecidas, restando-nos apenas dizer que o condensador C1, de grande capacidade, tem por funo colocar o ponto mdio de L1 massa para efeito das componentes alternadas. O oscilador push-pull pode trabalhar em classe A, B ou C, dependendo isso da polarizao base/emissor que lhe aplicada. Na sua verso a vlvulas o esquema do oscilador push-pull pode apreciar-se na figura 22. Aqui as coisas passam-se de modo semelhante ao do caso anterior. Existem os dois circuitos sintonizados, magneticamente acoplados entre si, ou no.
Oscilador Hartley em montagem push-pull.
Oscilador Hartley em montagem push-pull (a vlvula).
O Condensador C3 mantm ao potencial alternado nulo o ponto mdio da bobina L1. tal como C4 relativamente a L2. Assim sendo, as duas grelhas recebem sempre sinais de excitao em contra-fase, assim como em contra-fase ficam os potenciais de placa das duas vlvulas. conveniente talvez relembrar o seguinte: quando a tenso B + ligada, as duas vlvulas comeam a conduzir, cada uma pelo semi-enrolamento de L2 e em sentidos contrrios. Se as correntes fossem rigorosamente iguais, no se desencadeariam oscilaes no circuito de placa porque as tenses anulavam-se. Eis o que no acontece. H sempre uma que conduz mais do que a outra por motivos que podem ser muito diversos, e at porque no h perfeita igualdade de dispositivos, nem perfeita simetria de circuitos. E, porque no h um exacto equilbrio, que as oscilaes comeam a desenvolver-se em L2-C2. Ora bem, se a frequncia de oscilao que se pretende alta, a realimentao entre o circuito de placa e o de grelha pode fazer-se atravs das capacidades entre grelhas e ctodos das vlvulas, dispensando-se qualquer acoplamento magntico entre L1 e L2. Ento, suficiente energia reenviada da sada para a entrada, de modo a compensar as perdas no circuito de grelha. e a manter indefinidamente as oscilaes. Normalmente usam-se trodos com capacidades grelha/ctodo propositadamente elevadas para manter a realimentao suficiente. Em geral quando urna vlvula conduz fortemente, a outra vai ao corte, e so fornecidos ao circuito de grelha dois impulsos de energia por cada ciclo de oscilao.
O circuito andico sintonizado um pouco fora da frequncia de trabalho do oscilador, a fim de apresentar uma carga capacitiva s vlvulas, e com isso estabelecer uma realimentao positiva. O sistema R-C3 desenvolve uma polarizao automtica de grelha. Se porventura a frequncia de trabalho for muito elevada a capacidade grelha/ctodo de cada vlvula suficientemente elevada para se poder dispensar o condensador C 3. O sistema trabalha geralmente em classe C, fornecendo um bom rendimento e a sada retirada por uma bobina acoplada magneticamente a L2, isto , por aco de um transformador de RF.
Outros tipos de Osciladores
Existem variadssimos tipos de osciladores sinusoidais. quase impossvel descrev-los todos. Alguns so meras variantes de tipos conhecidos. Na figura 23 podemos observar o esquema de um oscilador transistorizado do tipo Reinartz. Aqui o circuito sintonizado (L1-C1) est electricamente apenas ligado massa, mas magneticamente ligado a duas bobinas: uma no colector que injecta a tenso no circuito sintonizado, a outra aplica a tenso de reaco base. A sada ainda retirada por uma quarta bobina.
Oscilador tipo Reinartz.
Para haver adaptao, a resistncia que a sada do transstor reflecte sobre o circuito sintonizado deve ser igual resistncia que a entrada reflecte tambm sobre o circuito. Esta igualdade conseguida por uma conveniente relao de espiras. claro que preciso que a tenso de colector e a tenso de reaco sejam de fase oposta e isso implica que haja inverso entre os enrolamentos de base e de colector. A tenso pode porm ser injectada no emissor (fig. 24), ficando ento a montagem de BC. Ser preciso dizer para que servem os elementos R 1, R2, CB, CE e RE da figura 23, ou os elementos RE, CE, RB, R'B e CB da figura 24? Supomos bem que no. Note-se no entanto que se no existissem os condensadores CE e CB (figs. 23 e 24) a tenso de reaco (desenvolvida em L2) no era integralmente aplicada entre a base e o emissor, mas iria fundamentalmente cair nas resistncias. O oscilador no poderia trabalhar por falta de excitao de entrada.
O circuito (fig. 24) pode ser simplificado omitindo L3 e C3, e ligando um condensador de sintonia entre L1 e L2. Mas a forma ilustrada mais vantajosa nos receptores, pois permite que as placas mveis do condensador de sintonia (C3) sejam ligadas a massa. Alm disso o acoplamento frouxo entre L3-C3 e o transstor aumenta a estabilidade de frequncia. No caso da figura 24 as bobinas L1 e L2, devem estar enroladas de tal modo que, quando a base tende a tornar-se mais negativa e o ponto 1 menos negativo, o ponto 2 deve tornar-se menos negativo. S assim a tenso de reaco desenvolvida em L2 refora qualquer variao de tenso que se apresente na base.
Oscilador Reinartz com reaco no emissor.
Na figura 25 vamos encontrar outras variantes de osciladores de base comum ou de base massa. No caso a) a tenso de reaco injectada no emissor atravs do condensador C2 que a deriva do circuito ressonante L1-C1. Repare-se que RE j no pode levar em paralelo o condensador C E, pois isso implicaria que as tenses alternadas no agissem entre o espao emissor/base. A base est massa para efeito dessas tenses, mas o emissor no pode estar.
Oscilador de montagem de base massa.
Outro tipo o da figura 25 b). Duas tomadas sobre o circuito ressonante, bem colocadas, fornecem a tenso de reaco e a adaptao de impedncias. Convm neste caso que seja o negativo da bateria de alimentao a ficar massa. E isto apenas para que o condensador de capacidade varivel no tenha as lminas sujeitas a tenso contnua. As revistas da especialidade apresentaram, h relativamente pouco tempo, o que designaram por oscilador sinusoidal de potncia, cujo esquema se pode observar na figura 26. Este tipo de oscilador pode fornecer uma potncia de sada considervel em relao aos osciladores clssicos que fazem uso de transstores de fraca potncia. Por exemplo, se utilizarmos um transstor BC160 ele pode fornecer uma tenso sinusoidal de 50kHz com a potncia de 1W. A montagem faz uso de trs bobinas separadas (L1, L2 e L3) sem qualquer acoplamento magntico entre elas. O enrolamento do colector L1 sintonizado por C1. O enrolamento do emissor L2 forma uma parte do circuito de sintonia quando o transstor conduz e vai saturao. O enrolamento L3 fornece uma corrente em fase com a corrente do colector e C2 impede a passagem de corrente contnua. O condensador C 3 em conjugao com D1 fornece a polarizao. D1 impede o aparecimento de um potencial elevado atravs da juno base/emissor durante o perodo de corte e constitui uma passagem entre L1 e L2 quando a tenso de sada cai do potencial positivo a zero e depois ao corte. A caracterstica mais importante na montagem devida ao facto de ser possvel comandar a corrente do colector pela corrente de base enquanto o transstor est na saturao e de poderem circular correntes elevadas sem ultrapassarem os limites de dissipao do transstor. A tenso de saturao tpica de 0.5V e, fazendo uso de um transstor BC160, possvel obter-se uma corrente de 125mA, ao passo que com um BD236 essa corrente pode ir aos 2A. L1 e L2 ficam em serie para efeitos da corrente continua e em paralelo para efeitos da corrente alternada. As extremidades de L 1 e L2 ficam ao mesmo potencial alternado, que o da massa. No vamos terminar este assunto sem nos referirmos a um oscilador a vlvula, que tem o nome de oscilador de acoplamento electrnico. J se disse que a estabilidade de frequncia de um oscilador fundamental, especialmente naqueles que se destinam aos emissores. Se o oscilador bsico variar de frequncia, vai para o ar uma frequncia diferente daquela que os regulamentos internacionais impuseram ao emissor e isso proibido pela fiscalizao radioelctrica, uma vez que pode interferir com outras emisses. Ora o oscilador de acoplamento electrnico apresenta uma notvel estabilidade de frequncia. Diga-se que h vrias causas susceptveis de produzir instabilidade de frequncia de um oscilador: variao da temperatura, variao da tenso de alimentao, variao da carga (absoro de energia) que aplicada ao oscilador, etc.
Oscilador sinusoidal de potncia.
Oscilador de acoplamento electrnico.
O facto de uma carga poder absorver energia do oscilador, que varia de instante para instante, afecta muito a frequncia do oscilador e por isso costume usar-se entre a carga e o oscilador, por vezes, um andar chamado isolador ou separador, cuja funo fazer com que a carga aplicada ao oscilador seja sempre a mesma, e, se possvel, evitar at que o oscilador seja obrigado a fornecer energia. Mas aqui o oscilador de acoplamento electrnico tem urna particularidade curiosa: que ele capaz de evitar que as flutuaes da tenso de alimentao lhe alterem a frequncia de trabalho. O nosso oscilador emprega uma vlvula que pode ser um ttrodo ou um pntodo. Desta vlvula, a seco osciladora constituda pelo ctodo da vlvula, grelha de comando e grelha de blindagem. Esta seco trabalha como se fosse um oscilador Hartley, em que a grelha de blindagem faz o papel de placa do Hartley. Alm desta seco osciladora (a frequncia de trabalho determinada por L1 e C1) existe um circuito sintonizado na placa de vlvula (L2-C2), que constitui a carga de placa. da que se retira a onda de sada. O potencial de grelha de blindagem determinado pelos valores do divisor de tenso R1 e R2, sendo que C4 mantm essa grelha a um potencial fixo. O circuito ressonante L2 C2 tem muito pouco efeito na frequncia de trabalho do oscilador. Ele batido por impulsos de corrente de placa frequncia determinada pelo circuito do oscilador Hartley. Quando L2 C2 est sintonizado frequncia de L1 C1 aparece uma grande corrente alternada circulatria entre L2 e C2. Mas o circuito de placa pode estar sintonizado para uma frequncia mltipla da frequncia de ressonncia de L1 e C1. Ento temos sada uma frequncia mltipla da frequncia do oscilador Hartley. O circuito passa a ser aquilo que se designa por um multiplicador de frequncia. No h outro acoplamento entre os dois circuitos sintonizados que no seja atravs do fluxo electrnico pelo interior da vlvula. Dai o nome do oscilador. Ora bem, acontece aqui um caso esquisito: que um aumento da tenso de placa produz um aumento da frequncia do trabalho do oscilador e um aumento na tenso da grelha de blindagem, uma variao oposta. Deste modo, escolhendo bem o potencial (ou o ponto sobre o divisor) a que deve ficar ligada a grelha de blindagem, possvel tornar as oscilaes independentes da variao da tenso de alimentao B +.
H certas substncias na natureza que possuem urna curiosa propriedade: se as deflectirmos, elas geram uma tenso entre as fases deflectidas, isto , acumulam cargas elctricas positivas numa das faces e cargas elctricas negativas na outra face. Abandonando o esforo deflector elas voltam a posio inicial e as cargas desaparecem. Por outro lado, aplicando uma tenso entre as faces opostas de uma lmina dessas substncias, a lmina deflecte-se, encurva, e s vem posio primitiva quando cessar a tenso aplicada. Se porventura a tenso alternada, a lmina vibra, de acordo com a frequncia da tenso aplicada, assim como, fazendo-a vibrar mecanicamente, ela engendra entre faces uma tenso alternada. Este curioso efeito chamado efeito piezoelctrico, havendo na natureza vrias substncias que o possuem. Entre elas temos a turmalina, os chamados sais de La Rochelle e o quartzo. O efeito piezoelctrico foi descoberto pelo casal Curie em 1886 em substncias naturais, sem serem submetidas a qualquer tratamento, como as atrs referidas. Ultimamente tem-se trabalhado certos tipos de cermicas, tornando-as piezoelectricas, como sejam o titanato de bario e o titanozirconato de chumbo. Estas substncias cermicas so electrossensitivas,
o que significa que a aplicao de um campo elctrico faz-lhes alterar as dimenses. Praticamente as substncias cermicas piezoelctricas so constitudas por misturas policristalinas de titanatos de brio, de chumbo ou de titanozirconatos de chumbo. So empregadas na construo de hidrofones e microfones submarinos, assim como em dispositivos de captao de ondas mecnicas. Os sais de La Rochelle (monofosfato de amnia, sulfato de ltio, niobato de chumbo) so tambm aplicados em certos microfones, porque, sob o impacte das ondas de som, geram tenses elctricas, que so a rplica das ondas sonoras. No caso dos osciladores, o que fundamentalmente se emprega o quartzo. ele que tem na oscilao uma importncia muito grande, digamos extrema. Porque se prefere o quartzo? No porque gere tenses mais elevadas para o mesmo efeito deflector, mas porque muito resistente (vibra tempos infinitos sem se romper ou partir), porque muito abundante na natureza e, consequentemente, pode ser barato. O quartzo, que quimicamente o bixido de silcio (SiO2) aparece na natureza sob forma cristalina, transparente, geralmente branco, leitoso, mas pode apresentar outras coloraes se tiver xidos metlicos incorporados. So bonitas as colnias de quartzo, cristais que apresentam a forma de um prisma hexagonal, terminado por uma pirmide, tambm hexagonal. A maioria dos cristais de quartzo provm do Brasil, de Madagscar e do Japo. A configurao geomtrica cristalina do quartzo permite (fig. 28) distinguir trs eixos principais: o eixo dos ZZ (ou eixo ptico) segundo o comprimento do prisma cristalino, e que vai terminar no vrtice da pirmide, os eixos dos XX (ou eixos elctricos) unindo os vrtices opostos do hexgono que forma a seco recta do prisma e, finalmente, os eixos YY (ou eixos mecnicos) que unem as faces opostas do hexgono. Quando se diz que um oscilador comandado a cristal, diz-se automaticamente que o oscilador tem uma boa estabilidade de frequncia. Mas o cristal, que se adquire no mercado, uma lmina talhada segundo uma determinada orientao no prisma natural, lamina essa que depois metida numa caixa metlica apropriada (suporte do cristal) com contactos para o exterior. O cliente quando compra um cristal no v pois a lmina de quartzo, a menos que desmonte, com os devidos cuidados, o suporte que a encerra. A lmina vibrante, que metida no respectivo suporte, pode ser talhada segundo vrias direces, segundo vrios cortes, correspondendo a cada corte determinadas propriedades.
Em a)- corte perpendicular ao prisma hexagonal mostrando a disposio dos eixos XX e YY; em b)- prisma hexagonal terminado em piramide.
Na figura 28 podemos ver dois tipos de cortes: o corte X e o corte Y. O corte X aquele que e feito perpendicularmente ao eixo dos XX, o corte Y aquele que feito perpendicularmente ao eixo dos YY. O facto de se chamar eixos elctricos aos eixos XX no coisa arbitrria, como tambm o no e chamar-se eixos mecnicos aos eixos YY. que, se exercermos um esforo mecnico na direco dos eixos dos YY, aparecero cargas elctricas nas faces do cristal perpendiculares ao eixo dos XX. Se, pelo contrrio, aplicarmos uma tenso nas faces perpendiculares ao eixo dos XX, o cristal deformar-se- segundo a direco do eixo dos YY. Os primeiros cortes a serem efectuados na massa do cristal foram os perpendiculares ao eixo dos XX (corte X ou corte de Curie), e os perpendiculares ao eixo dos YY (corte Y). Mas cedo se verificou que qualquer destes cortes enfermava de um mal: as suas frequncias de ressonncia, que dependem das respectivas dimenses, variam com a temperatura. Ora designa-se por coeficiente de temperatura de um cristal o nmero que exprime a variao de ciclos por cada megaciclo e por grau centgrado. Pois bem, o corte X apresenta um coeficiente de temperatura negativo, isto , a sua frequncia de ressonncia diminui medida que a temperatura aumenta; ao passo que o corte Y apresenta em certos casos um coeficiente de temperatura positivo, e como o que se pretende uma frequncia to constante quanto possvel, e, sabendo-se que o cristal aquece medida que vibra, natural que se pensasse num corte qualquer, cuja frequncia de ressonncia mecnica fosse independente da temperatura. Na tentativa de se conseguir um corte de frequncia independente da temperatura tm-se adoptado vrias maneiras de talhar a lmina. Uma delas e o chamado corte AT (AT so as iniciais de antitemperatura). Neste corte as faces da lmina so paralelas ao eixo dos XX e fazem um ngulo de 35,5 com o eixo ptico. o corte mais usado pois permite obter frequncias to altas como 10MHz e mais. Podemos dizer que o coeficiente de temperatura do corte X varia entre 150 e -25Hz por MHz e C, ao passo que o corte Y varia entre -20 e +100Hz por MHz e C. A frequncia de ressonncia de um cristal depende, quase inteiramente, das suas dimenses, em especial da sua espessura na direco de vibrao. A frequncia inversamente proporcional a esta dimenso. AS espessuras podem ser de 5,7mm para uns 500kHz e 0.14mm para 20MHz. O prprio corte AT no tem um coeficiente de temperatura absolutamente nulo, por isso, quando se quer extremo rigor na frequncia de trabalho de um oscilador a quartzo (osciladores-padro e relgios-padro), o cristal ainda metido num forno cuja temperatura controlada termostaticamente. A turmalina uma substncia rara, e por isso cara, para ser utilizada nos osciladores Os sais de La Rochelle so muito sensveis electricamente mas so tambm muito frgeis. Por isso se usa o quartzo, cujas lminas requerem certos cuidados, entre os quais ficarem preservados da sujidade e da humidade. Por essas razes e para efeitos de proteco a lmina cristalina colocada num suporte adequado. Os suportes dos cristais. A lmina de quartzo, que se aplica nos osciladores dos emissores, deve ser colocada entre os dois elctrodos metlicos de um suporte. H diversas variedades de suportes, at porque o cristal pode encontrar-se no vazio, numa atmosfera rarefeita ou presso atmosfrica. Por outro lado, o suporte pode ser feito de tal modo que uma presso seja exercida pela armadura superior sobre a lmina do cristal, ou ento poder haver entre a armadura e o cristal uma folga de ar regulvel ou ajustvel. Neste ltimo caso a frequncia do conjunto cristal-suporte pode ser ligeiramente ajustada, volta de 1kHz por MHz, e isto por aco de um parafuso micromtrico que faz o
Cristal de quartzo de 3,579 545kHz. Note as suas reduzidas dimenses.
ajustamento da posio do elctrodo superior, variando a espessura da folga de ar. Diga-se que tanto o corte X como o corte Y no se prestam para este tipo de suportes de folga de ar, porque as suas frequncias no variam lentamente com a espessura da folga. Pelo contrrio, as suas frequncias tendem a alterar-se abruptamente medida que a espessura da folga lentamente ajustada. Os suportes em que se faz o vazio so realizados para se obter uma estabilidade de frequncia muito alta uma vez que o cristal subtrado aco dos agentes atmosfricos A temperatura pode ento ser facilmente controlada por um termopar, previsto no interior da ampola que encerra o cristal.
A lmina cristalina de quartzo no seu suporte. No primeiro caso a frequncia do cristal-suporte fixa e no segundo ajustvel.
Os suportes de gs rarefeito iluminam-se no momento em que o cristal entra em ressonncia: so aplicados nos aparelhos de medida para indicar que um circuito entra em ressonncia O suporte deve possuir duas armaduras metlicas, onde encaixa a lmina cristalina, perfeitamente planas. O metal das armaduras deve ser preferentemente pouco oxidvel (nquel, por exemplo). Um suporte que possua uma das armaduras de grande volume, com largas superfcies exteriores em contacto com o ar, vantajoso para radiar eficazmente o calor armazenado no cristal e consequentemente reduzir toda a variao de frequncia. A massa metlica maior constitui normalmente a armadura inferior do suporte, enquanto uma placa mais leve cobre completamente (ou em parte) o cristal colocado horizontalmente entre estes dois elctrodos. A presso sobre a lmina de quartzo pode ser exercida simplesmente por meio de uma mola. Elctrodos e cristal so metidos numa caixa, geralmente metlica ou de baquelite, donde emergem os contactos aos dois elctrodos para o exterior. O circuito equivalente do cristal e suporte. Normalmente quando se fala num cristal entende-se que se trata do conjunto cristal-suporte. Ora os cristais nos osciladores substituem os circuitos ressonantes de bobina e condensador, com a vantagem de apresentarem factores de qualidade muitssimo mais elevados (da ordem das dezenas ou centenas de milhar), ao passo que os usuais circuitos LC no conseguem factores que ultrapassem muito as duas centenas. So estes enormssimos factores de qualidade que proporcionam uma alta estabilidade de frequncia dos osciladores comandados a cristal. Uma lmina de cristal tem um comportamento elctrico equivalente a um circuito RCL. Ela comporta-se como se fosse um circuito srie constitudo por uma resistncia, um condensador e uma bobina. Quando urna lmina de cristal vibra, ela vibra com uma frequncia mecnica prpria, pelo menos vibra mais violentamente a essa frequncia. Ora bem, a essa frequncia mecnica corresponde uma frequncia elctrica dada pelos valores R, C e L H pois urna certa analogia elctrica e
mecnica O coeficiente de auto-induo L corresponde massa do cristal, a capacidade C representa a resilincia mecnica, ou seja, a flexibilidade do cristal e, finalmente, R equivale ao coeficiente de frico. s perdas elctricas em R por efeito de Joule correspondem as perdas mecnicas por frico. Os valores de R, L e C podem ser medidos ou calculados. Por exemplo uma seco de quartzo com 0,636cm de espessura na direco de vibrao apresenta os seguintes valores: frequncia de ressonncia: 451kHz coeficiente de auto-induo 3,65H capacidade 0,0316pF resistncia 9040 Para esse exemplo, o valor ao factor de qualidade para o respectivo circuito srie R, L, C de 1100. Repetimos que a frequncia de vibrao mecnica (ou elctrica) de uma lmina de cristal depende fundamentalmente da espessura da lmina segundo a direco de vibrao. Um cristal representa-se nos esquemas consoante se indica na figura 31. Em a) tem-se as duas armaduras, entre as quais fica a lmina de quartzo. Em b) tem-se um circuito srie L, C, R, que electricamente equivalente lmina de quartzo, depois tem-se a capacidade da folga de ar C a (ajustvel) que pode porm no existir e, finalmente, em paralelo com estes quatro elementos existe a capacidade do suporte, fundamentalmente a capacidade das armaduras metlicas que encaixam a lmina cristalina.
Em a)- forma esquemtica de representar o conjunto cristal-suporte; em b)- circuito elctrico equivalente do cristal.
Ora um cristal substitui o circuito sintonizado ou ressonante de um oscilador. Sendo assim, a frequncia de trabalho do oscilador h-de fazer com que o ramo srie L, C, R, Ca seja indutivo, isto , equivalente a uma bobina. Essa bobina equivalente ficar ento em paralelo com C s para efectivamente formar um circuito L'C paralelo ressonante. Designamos por L' a auto-induo equivalente da malha srie. Ora bem, para simplificarmos as coisas, vamos supor que a folga de ar no existe. Neste caso a frequncia de ressonncia srie da malha L, C, R (desprezando o efeito da resistncia) dada por:
sendo f, a frequncia srie. E esta frequncia que faz a impedncia da malha srie igual a R, como se sabe dos circuitos sintonizados. H porm uma outra frequncia de ressonncia do circuito da figura 31 b). aquela frequncia que faz resistiva toda a impedncia entre A e B, e que tem de contar tambm com a capacidade do suporte C. Essa frequncia (dita paralela) tem sensivelmente o valor:
Ora o que acontece que Cs muito maior do que C e o resultado e f s e fp serem praticamente iguais. evidente que, se existir folga de ar, estas frequncias modificam-se. Nessa altura no se tem a capacidade C nas frmulas, mas sim a resultante de C e Ca. A malha entre A e B, para uma dada frequncia f, apresenta uma impedncia que pode ser expressa pela frmula:
e o estudo adequado desta frmula (que no faremos) pode dizer-nos que, para frequncias compreendidas entre f s e fp, a reactncia da malha indutiva; para valores superiores a f p a reactncia capacitiva. Ora o oscilador deve trabalhar justamente a uma frequncia compreendida entre fs e fp. Se o oscilador trabalha mais prximo da frequncia f s diz-se que o modo de funcionamento srie: se mais prximo de fp diz-se que o modo paralelo. A estabilidade de frequncia de um oscilador tanto mais alta quanto mais prximo estiverem os dois valores fs e fp. Cady, em 1922, indicou o valor dos elementos L, C e R em funo das dimenses geomtricas do cristal. A frmula que apresentou as seguintes:
Diversos tipos de filtros construdos a partir de cristais.
em que a espessura do cristal, Z a dimenso do cristal segundo o eixo ptico. X a dimenso segundo o eixo elctrico e Y a dimenso segundo o eixo mecnico. Todas as dimenses em mm. Na prtica L da ordem de alguns milihenries, C de algumas centsimas de pF, R de alguns milhares de ohms, sendo a capacidade do suporte C s de alguns pF (a constante dielctrica de quartzo de 4,49). A relao L/C e o factor Q do cristal so muito elevados. As lminas de quartzo podem ser talhadas segundo formas diversas: quadradas, rectangulares, circulares, elpticas e anulares. Vejamos agora com mais pormenor as propriedades particulares de cada tipo de corte. CORTE X. A lmina de quartzo cortada paralelamente ao eixo ptico (eixo dos ZZ) e ao eixo mecnico (eixo dos YY). Vamos designar por a espessura do quartzo segundo a direco do eixo dos XX, h a altura segundo a direco do eixo dos ZZ e a largura segundo a direco do eixo mecnico. Esta lmina dispe de trs frequncias de ressonncia correspondentes s trs direces precedentes Para um cristal rectangular de corte X as trs frequncias so dadas petas expresses Seguintes: Frequncia de vibrao segundo a espessura (eixo dos XX):
fx = 2870/ sendo fx a frequncia em kHz e a espessura e em mm. Esta espessura est indicada na figura 32. Para a mesma lmina rectangular a frequncia de vibrao segundo a largura (direco do eixo dos YY) : f y = 2700/. fy a frequncia de vibrao em kHz e a largura em mm (fig. 32) A frequncia de vibrao segundo a altura teixo dos ZZ) dada por: f z = 3300/h.
Lmina de cristal segundo o corte X (corte paralelo ao eixo dos ZZ e dos YY).
A primeira frmula a que tem mais interesse porque o cristal de cone X usa-se geralmente vibrando segundo a sua espessura. Deste modo uma lmina rectangular de quartzo com a espessura de 0,4mm tem uma frequncia fundamental de ressonncia que de: Se porm o cristal circular j no so estas as expresses que se aplicam, mas sim as seguintes:
A frequncia sempre expressa em kHz, mas agora d o dimetro em mm. Claro que, quanto maior for a tenso que se aplica a uma lmina de quartzo, mais intensamente ela vibra. Maior tambm o seu aquecimento. E no vibra apenas frequncia desejada, pois j vimos que existem pelo menos mais duas frequncias de vibrao. Tambm estas contribuem para o aquecimento da lmina, criando esforos e tenses mecnicas internas. Se tais esforos ultrapassam determinados limites, o cristal no pode resistir e acaba por se destruir. portanto necessrio evitar correr este risco. O limite de emprego de um cristal determinado pela amplitude da tenso de RF mxima que se pode aplicar entre os elctrodos. S que esta tenso difcil de medir. Por isso prefere-se indicar o valor mximo da corrente de RF que pode atravessar o cristal. Admite-se, por exemplo), que um cristal de corte Y, construdo para as gamas de 160 e 80 metros de comprimento de onda no deve ser atravessado por correntes superiores a 100 miliamperes.
CORTE Y. A lmina cortada paralelamente ao eixo ptico e
paralelamente ao eixo elctrico. Tambm por vezes se designa por corte a 30, porque a lmina faz um ngulo de 30 com um dos eixos mecnicos (YY) do cristal. Designemos por a espessura da lmina segundo a direco do eixo dos YY, h a altura segundo a direco do eixo ptico e a largura segundo a direco do eixo dos XX. A frequncia de vibrao de um cristal de corte Y. cuja superfcie grande, dada pelas seguintes frmulas: f y = 1960/, sendo fy a frequncia fundamental em kHz e a espessura do cristal em mm. A frequncia de vibrao segundo a largura (direco do eixo dos XX) dada por fy= 2860/ , em que a largura do cristal em mm. a primeira frequncia de vibrao de que normalmente se faz uso. V-se que um cristal de corte Y, para uma mesma espessura que outro de corte X, apresenta uma frequncia de vibrao fundamental mais baixa. Uma lmina de corte Y, que vibra segundo o eixo dos YY, apresenta um coeficiente de temperatura positivo, isto , a frequncia de vibrao aumenta com a temperatura. O coeficiente de temperatura porm negativo no que toca s vibraes segundo o eixo dos XX. As lminas de corte Y so mais sujeitas a saltos bruscos de frequncia com as variaes de temperatura. Em vez de apresentar uma variao progressiva na frequncia com a temperatura, a lmina Y passa bruscamente a uma vibrao numa frequncia diferente de algumas centenas de ciclos, logo que determinada temperatura atingida Ora tal anomalia torna o cristal inutilizvel logo que aquela temperatura est dentro das condies normais de funcionamento. As lminas de corte Y tm a vantagem de vibrar mesmo com uma presso forte sobre os elctrodos do suporte. Por isso so por vezes usadas nas instalaes mveis em que cristal e suporte devem constituir um conjunto suficientemente rgido.
Corte Y (faz um ngulo de 90 com um dos eixos mecnicos e um ngulo de 30 com o outro).
O CORTE AT. um tipo de corte adoptado para tentar eliminar as
variaes de frequncia com a temperatura. As lminas de quartzo so talhadas paralelamente ao eixo dos XX, mas fazem um ngulo com o eixo dos ZZ. Ora o coeficiente de temperatura varia justamente com o valor deste ngulo . O coeficiente de temperatura nulo se for de -48 ou de +35.5. O que se adopta porm este ltimo corte. Uma lmina de corte AT pois uma lmina paralela ao eixo dos XX e que faz um ngulo de 35.5 (ou mesmo 35) com o eixo dos ZZ. A frequncia de vibrao de um cristal de corte AT, segundo a espessura, dada pela frmula: f = 1650/, com f em kHz e em mm. Para a mesma frequncia, um cristal AT pois ainda mais estreito do que um cristal dos outros cortes. As vantagens do corte AT so as seguintes: coeficiente de temperatura muito pequeno (s teoricamente que se pode dizer nulo), ausncia de vibraes parasitas e possibilidade de vibrar mesmo sob uma presso qualquer das armaduras. As correntes de RF que podem atravessar sem danificar um cristal AT so mais altas do que para os outros cortes Com certos tipos de lminas podem atingir 200mA.
Oscilador a cristal de colector sintonizado
A figura 34 mostra-nos o esquema de um oscilador de colector sintonizado com o cristal a trabalhar no modo srie. O oscilador j foi descrito e pouco mais h que dizer. C1 e L1 esto sintonizados para a frequncia srie do cristal, isto , para aquela frequncia em que o ramo em paralelo com Cs (fig. 31) apresenta uma impedncia que se reduz 3 resistncia R. A bobina L2 aplica base a tenso de reaco, em grandeza e fase correctas, atravs do cristal. Ora bem, se a frequncia de oscilao for sempre f s (frequncia srie), a corrente de reaco passa facilmente
atravs do cristal, e vem fechar-se a L2 atravs da juno base-emissor. Esta uno fica em paralelo com R 2, atendendo a que CE um curtocircuito para as componentes alternadas. Assim, toda a tenso desenvolvida em L2 aplicada entrada do transstor, pois s uma pequena parcela fica retida no cristal Porm o caso muda de figura se por qualquer motivo a frequncia tende a variar. Ento ela afasta-se do valor da frequncia (fs) da lmina cristalina e o cristal passa a aplicar uma impedncia forte, reduzindo muito a tenso que vai ser aplicada entrada. No esquecer que os cristais apresentam um elevado factor de qualidade, o que significa que a sua impedncia se altera fortemente para ligeiras variaes de frequncia. Numa palavra: porque o cristal apresenta uma impedncia baixa para a frequncia de ressonncia da lmina (no da lmina-suporte) e uma impedncia alta para outra qualquer frequncia, s h tenso de reaco capaz para a primeira e o oscilador no pode trabalhar noutra.
Oscilador de colector sintonizado comandado a cristal.
Oscilador a cristal Colpitts
Vejamos agora um outro exemplo: o oscilado! Colpitts. O cristal trabalha agora no modo paralelo; ele prprio gera a frequncia de oscilao do sistema, em conjuno com a capacidade do seu suporte e ainda C1 e C2. A tenso de reaco obtida atravs de C 2, com inverso de fase da tenso do colector e adaptao por escolha conveniente da relao das capacidades C1 e C2. Para frequncias de oscilao entre 0,1 e 1 MHz deve C 2 estar compreendida entre 40 e 200 pF, e C1 entre 1000 e 10 000 pF. O ponto de unio dos condensadores fica massa. O oscilador Colpitts pode tambm ser montado de base massa, como se v na figura 36. C1 e C2 continuam a formar uma srie em paralelo com o cristal, e C2 aplica a tenso de reaco ao emissor. Rb e R formam um divisor de tenso destinado a polarizar a juno baseemissor. C pe efectivamente a base massa para efeitos das tenses alternadas. A adaptao de impedncias obtida por relao das capacidades C1 e C2, devendo estas terem os valores mais altos possveis a fim de tornar a frequncia de oscilao independente das capacidades internas do transstor.
Oscilador Colpitts a cristal e a transstor.
Oscilador Colpitts a cristal em montagem de base massa.
Oscilador Miller a cristal e a vlvula
Temos na figura 37 um oscilador a triodo comandado a cristal. Trata-se do chamado oscilador Miller. Repare-se que o cristal aplicado entre a grelha e o ctodo, em paralelo com uma resistncia de fugas R G de elevado valor. A figura mostra tambm o mesmo tipo de oscilador, agora com o circuito sintonizado de grelha equivalente ao cristal. Neste caso o cristal apresentar a folga de ar ajustvel, pois l est o condensador C a,. As constantes da lmina cristalina so naturalmente L, C e R; Cs a capacidade do suporte. Como se v, o cristal forma no circuito de grelha da vlvula um circuito ressonante, neste caso composto por trs condensadores. Temos pois, no apenas um circuito sintonizado na placa (L1-C1), mas tambm um circuito sintonizado de grelha. O oscilador pode pois dizer-se um sistema de grelha e placas sintonizadas.
Em a)- esquema do oscilador Miller a vlvula e cristal; em b)- circuito equivalente do mesmo oscilador em que o cristal substitudo pelos seus parmetros elctricos.
Como que se desenvolve a tenso de reaco? Por outras palavras: como se faz o acoplamento entre grelha e ctodo do oscilador? O acoplamento para elevadas frequncias faz-se atravs de um elemento da prpria vlvula, nem mais nem menos do que a capacidade grelha--placa. Esta capacidade tem um valor pequeno, de modo que s com frequncias altas que pode atravs dela desenvolver-se suficiente acoplamento elctrico. Se o mesmo oscilador tiver de trabalhar a frequncias mais baixas, no de excluir a hiptese de se aplicar fisicamente um condensador externo entre a grelha e o ctodo. O oscilador polarizado por resistncia de fugas de grelha, polarizao automtica, como se sabe, e isto por aco de R G e da capacidade equivalente do cristal, que ganha uma tenso negativa do lado da grelha. Para que a realimentao seja positiva a carga de placa L1C1 do oscilador Miller tem de ser indutiva. Assim a frequncia de trabalho do oscilador um pouco mais elevada do que a frequncia do cristal. Se C1 for muito pequeno, a carga de placa indutiva e o circuito sintonizado de placa trabalha a uma frequncia muito mais alta do que a frequncia do cristal. Esta condio no a melhor, porque a tenso de RF de sada tem urna amplitude pequena. Se formos elevando a capacidade C1, a frequncia do circuito ressonante andico vai-se aproximando, decrescendo, da frequncia do cristal e as oscilaes vo sendo cada vez mais intensas. O mximo de intensidade atingese para urna frequncia de ressonncia do circuito que ligeiramente superior frequncia de ressonncia do cristal. Aumentando ainda mais C1, a impedncia do circuito torna-se capacitiva, a realimentao deixa de ser correcta e as oscilaes cessam bruscamente. por isso que a frequncia de ressonncia de L1 C1 no deve ficar muito prxima da frequncia do cristal, porque as variaes acidentais na temperatura, na carga aplicada ao oscilador, na fonte de alimentao, podem fazer levar frequncia de ressonncia do circuito andico a um valor inferior frequncia do cristal, anulando o funcionamento do circuito. A amplitude da tenso de RF pode-nos ser indicada por meio de um miliampermetro de corrente continua metido no circuito do ctodo da vlvula. medida que as oscilaes de RF aumentam, a polarizao de grelha aumenta, fazendo decrescer a componente contnua da corrente de placa indicada pelo miliampermetro. mxima amplitude de tenso de RF corresponde uma corrente mnima (componente continua) de corrente de placa. Ento, o valor de C1 deve ser ajustado para um mnimo de corrente de placa e depois tornado ligeiramente mais pequeno para garantir estabilidade de funcionamento. s vezes no um circuito sintonizado no sentido vulgar que se aplica na placa da vlvula. apenas uma bobina que entra em ressonncia com a sua prpria capacidade distribuda. A potncia de sada de um oscilador a cristal normalmente baixa, devido fragilidade do cristal, que no pode ser percorrido por correntes elevadas. O acoplamento para retirar a sada feito atravs de uma bobina magneticamente ligada a L1. Quando se pretende uma potncia de sada maior o oscilador deve ser seguido por um amplificador ou ento pode recorrer-se a uma verso modificada do oscilador Miller. Esta verso (fig. 38) com uma vlvula de feixes electrnicos concentrados capaz de fornecer uns 15W de sada. Tal circuito por vezes designado por oscilador tri-tet. A grelha de blindagem funciona como nodo do oscilador. Sendo colocada ao Potencial alternado da massa pela aco de C4. O circuito ressonante L1C1 aplicado ao ctodo e sintonizado um pouco acima da frequncia do cristal para apresentar urna carga indutiva. A polarizao feita por R3 e a capacidade do suporte do cristal. Alm disso urna bobina de choque de RF (L3) faz com que a impedncia entre a grelha e a massa seja elevada, o que evita que a relativamente pequena resistncia R3 desvie a RF da grelha da vlvula. O papel do paralelo R2 C2 aplicar uma certa polarizao catdica para evitar que a corrente atinja valores que faam perigar a vida da vlvula, se porventura
Oscilador tipo tri-tet
as oscilaes desaparecerem e a polarizao de grelha cair para zero. O circuito de sada L2 C2 electronicamente acoplado a seco osciladora da vlvula. Este acoplamento electrnico isola o cristal da carga final do oscilador, de modo que as variaes da carga no produzem aqui tanto efeito como no caso do oscilador Miller.
O oscilador Pierce a vlvula e a cristal
No oscilador Pierce o cristal ligado entre a grelha e a placa do trodo. A sada retirada por C2 e C1 impede que a alta tenso contnua possa atingir o cristal. Tambm aqui temos dois tipos de polarizao: por resistncia de ctodo (R 2C3) para proteger a vlvula de correntes excessivas e por R1 e a capacidade do suporte de cristal. O oscilador Pierce equivalente ao oscilador Colpitts, coisa que se verifica com facilidade se observarmos o seu circuito equivalente ( direita na figura), onde se representam tambm as capacidades interelectrdicas da vlvula. A realimentao feita pela tenso de RF desenvolvida atravs da capacidade grelha-ctodo (CGK). Para frequncias baixas necessrio aplicar um condensador externo em paralelo com esta capacidade. A carga de placa L 1 com a sua capacidade prpria e interelectrdicas, deve apresentar uma reactncia capacitiva para que a realimentao seja positiva. A potncia de sada de um oscilador Pierce no ultrapassa poucos watts. A corrente atravs do cristal deve ser pequena para evitar grande desenvolvimento de calor e fazer com que a frequncia se altere; a tenso de RF tambm no pode ser grande para evitar a fractura da lmina de quartzo.
Aspecto do transstor BLY17 que, como amplificador de potncia de RF, capaz de fornecer 50W frequncia de 30MHz.
Oscilador Pierce e circuito equivalente.
Oscilador a transstor FET
o equivalente ao oscilador Miller, s que, em vez de urna vlvula, faz-se uso de um FET, elemento que analisaremos a seguir. O cristal trabalha aqui no modo paralelo, formando portanto um circuito ressonante entre a porta G e a fonte S. No circuito do dreno existe um circuito sintonizado em que agora o elemento varivel a bobina e no o condensador. No
caso da figura faz-se uso de um transstor tipo 2N6808. Este circuito funciona, alis como o Miller, como um oscilador Hartley. Efectivamente, entre a entrada G e a sada D existe, por um lado, a capacidade interna (C) do FET e, por outro, dois circuitos, ambos ligados massa para efeito das componentes alternadas e consequentemente ligadas entre si. So eles o cristal e o circuito LC aplicado no dreno. Pois bem, o que acontece que a frequncia de oscilao tal que estes dois circuitos tm de ser indutivos (equivalentes a bobinas) e vo entrar em ressonncia com a capacidade C. Um deles, pelo menos, teria de ser indutivo caso contrrio no se formaria nenhum circuito sintonizado e no poderia haver oscilao. Mas, se um fosse indutivo e o outro capacitivo, a tenso de reaco aplicada ao cristal no se encontraria na fase correcta e o oscilador no poderia funcionar. Tendo de ser ambos indutivos, o oscilador vem a tomar uma expresso equivalente do oscilador Hartley atrs descrito. Simplesmente a entrada agora a porta e no a base, a sada o dreno e no o colector, estando a fonte massa e sendo comum entrada e sada. O cristal trabalha efectivamente a uma frequncia entre fs e fp, mas muito prxima da ressonncia paralelo. Sendo alis fs e fp, muito vizinhos, acontece portanto que o cristal que impe a frequncia de trabalho, e a bobina nada mais poder fazer do que prover pequenos ajustamentos na frequncia e alteraes na tenso de reaco. J agora podemos ver um outro circuito que utiliza um FET tipo MPF102 e que ao mesmo tempo um multiplicador de frequncia. Mas que isso de um multiplicador de frequncia? Um amplificador de RF que recebe um sinal com uma dada frequncia na sua grelha pode fornecer atravs da placa uma frequncia dupla, tripla, digamos n vezes superior, sendo n um nmero inteiro. Tudo se resume em aplicar no circuito de placa um circuito paralelo ressonante, no sintonizado para a frequncia que aplicada grelha, mas para um mltiplo inteiro dessa frequncia. Claro que a corrente de placa do amplificador nunca perfeitamente sinusoidal, e consequentemente dispor de harmnicas de vrias frequncias. Ento, se o amplificador trabalha em classe C, a corrente ser mesmo rica em harmnicas. Ora bem, todas as harmnicas passaro pelo circuito de placa sem produzir queda de tenso significativa. O circuito no lhes oferece impedncia, excepo da harmnica para a qual ele est sintonizado. esta que recolhida, e essa que pode ser aproveitada e lanada num circuito exterior. Assim se obtm um multiplicador de frequncia, que pode ser duplicador, triplicador, quadruplicador, etc. Nada impede que, em vez de um amplificador, o multiplicador seja um oscilador, com um circuito de sada sintonizado para uma frequncia mltipla da gerada. Tal o caso da figura 41. Neste caso, o oscilador a cristal trabalha no modo paralelo. um oscilador de porta sintonizada. O cristal gera uma frequncia de 40 MHz.
Oscilador de dreno sintonizado e porta sintonizada por cristal.
Oscilador multiplicador de frequncia.
Outro circuito sintonizado aplicado fonte do transstor, com um condensador de 20 pF e uma bobina ajustvel nas vizinhanas dos 0,6 H. Note-se que, para que as oscilaes sejam possveis, este segundo circuito ter de estar sintonizado para uma frequncia igual a 0,7 vezes a frequncia do cristal. O condensador C a capacidade interna porta-fonte do transstor, e justamente C que entra em ressonncia com os dois circuitos de porta e fonte, respectivamente cristal-suporte e paralelo LC. por isso que a frequncia de oscilao h-de tomar os dois circuitos indutivos. Depois o circuito de sada sintonizado para a harmnica que se deseja, neste caso a harmnica de ordem 3. Consequentemente gera-se uma frequncia de 120 MHz.
H certos osciladores sinusoidais que no utilizam cristais, nem to-pouco bobinas Os elementos associados ao transstor (ou vlvula) oscilador so apenas resistncias e condensadores. Por isso se designam osciladores RC. So muito usados na gama de frequncias sinusoidais Produzem ondas sinusoidais muito perfeitas e por isso constituem os dispositivos bsicos dos chamados geradores de sinais, que equipam laboratrios e oficinas. Ora bem, quando se usa um transstor de emisso massa, para que se consiga um oscilador necessrio que o dispositivo determinativo da frequncia de oscilao realize uma inverso de fase entre a tenso de colector e a tenso de base. Mas preciso que a atenuao entre o colector e a base seja inferior ao ganho do amplificador. Uma vez que estas condies so realizadas a forma do diapositivo determinativo da frequncia de oscilao pouco importa para o funcionamento. Tanto podem ser usados circuitos LC como circuitos RC. Para que um dispositivo RC, isto , uma malha com resistncias e capacidades possa produzir um desfasamento de 180, com uma atenuao razoavelmente pequena, so necessrias trs resistncias e trs condensadores.
Osciladores de quartzo integrados. Dentro de cada uma das pequenas caixas est um oscilador a cristal completo.
FIGUR4 42
Malha desfasadora de um oscilador RC intercalada entre o colector e a base. As correntes I1 e I4 devam estar desfasadas de 180.
Fazendo-se uso de transstores, a malha deve ser ligada a uma fonte de alta impedncia (o circuito do colector) e terminar numa impedncia baixa (o circuito de base). Pois bem, partindo das hipteses extremas de a malha RC ser ligada entre um gerador de resistncia interna infinita (gerador de corrente) e terminar num curtocircuito, poderemos achar a frequncia de oscilao de um oscilador RC, supondo, como geralmente acontece, que ele dispe de trs resistncias e trs condensadores. Normalmente as trs resistncias so iguais, como tambm so iguais os trs condensadores. Sendo assim, as leis de Kirchhoff aplicadas s malhas 1-3-4-2, 35-6-4, e 5-7-6 do-nos: (1) (2) (3) em que
Agora vamos eliminar i2 entre as equaes (1) e (2), e vem: (4) Eliminando a entre as equaes (3) e (4) temos:
e daqui obtm-se: (5) Para que haja um desfasamento de 180 entre i4 e i1, os termos 6XR2 e X3 tm de desaparecer, o que nos d donde vem ou, por outra forma,
ou, substituindo por 2 :
expresso que nos fornece a frequncia de trabalho do oscilador, para as condies limite de que partimos. Entrando com este valor na equao (5) iramos encontrar
X2 = 6R2, e ento
Isto diz-nos que o transstor dever ter um
Quando se liga a tenso de alimentao, naturalmente circula um fluxo electrnico atravs do emissor e colector do transstor, fluxo sem comando, desordenado, onde se misturam todas as frequncias. o que se chama rudo. Ora o oscilador vai escolher de entre todas essas frequncias, aquela que sofre ao longo da malha RC justamente um desfasamento de 180. Essa ser a frequncia de trabalho do oscilador. Como se compreende, tal frequncia depende dos valores da resistncia e das capacidades da rede de desfasamento. Na figura tem-se o esquema tpico de um oscilador RC, que faz uso de um transstor bipolar, tipo NPN. As resistncias de 47k e 4,7k polarizam a base do transstor. Para que o sinal de sada seja uma sinuside sem distoro preciso que as oscilaes no sejam muito fortes, de modo que se deve dispor de um meio para ajustar a grandeza das oscilaes, isto , o ganho. Ora uma forma simples de conseguir esse efeito utilizar uma resistncia de emissor ajustvel (R E). Uma reduo de RE faz aumentar IE, e assim aumentar a transcondutncia gm e o ganho. Se usarmos um ganho excessivo a corrente de colector, oscilando, atinge o zero, ou a tenso de colector iguala a tenso de base, de todo o modo aparecendo uma forte distoro da onda sinusoidal de sada.
Normalmente escolhe-se um valor para R correspondente mdia geomtrica das resistncias de entrada e de sada do transstor, um valor situado algures entre os 5k e os 10R. Um valor conveniente, que permite uma corrente de colector de 1 a 2mA, o de 4,7R. Para que um transstor oscile a 1kHz, por exemplo, com este valor para R, deveria usar condensadores de capacidade
Na prtica porm pouco provvel que ele oscile justamente frequncia de 1kHz com estes valores de R e de C, visto que a deduo da frmula feita considerando infinita a resistncia de sada do transstor e nula a resistncia de entrada. Uma expresso prtica muito aproximada para obter a frequncia de oscilao de um oscilador RC = 0,08/RC. Este tipo de oscilador pode ser facilmente adaptvel a oscilador de frequncia varivel. As trs resistncias podem ser acopladas mecanicamente para variarem ao mesmo tempo e so capazes de produzir uma variao de frequncia de 10:1. Mas esta proporo pode ser aumentada fazendo com que os condensadores se possam variar ou comutar.
Osciladores RC com um transstor FET e com uma vlvula
So muito semelhantes estes dois osciladores, pois tanto o MOS como a vlvula dispem de elevadas impedncias de entrada. A tenso de sada do amplificador vs, e atravs da malha RC vai receber um desfasamento de 180, tornando-se na tenso de entrada vi. A frequncia mais baixa que produzir esse desfasamento a frequncia de oscilao do sistema. Para qualquer dos casos essa frequncia dada por
desde que as resistncias sejam iguais, assim como os condensadores.
Osciladores RC a transstores FET e a trodo.
NOTA. Embora s mais no final deste volume abordemos em profundidade a constituio e o funcionamento dos transstores de efeito de campo, no queremos deixar de, sempre que a ocasio se proporcione, apresentar circuitos que utilizem este componente hoje em dia to divulgado.
O oscilador Wien ou oscilador de ponte de Wien
Nos osciladores RC descritos ns vimos que o princpio de funcionamento se baseia justamente no facto de que o dispositivo activo introduz um desfasamento de 180 no sinal e a rede de realimentao introduz outro desfasamento igual. Consequentemente podemos dizer afinal que a oscilao pode ser obtida, alternativamente, estabelecendo um amplificador e uma rede de realimentao que na sua totalidade produzam um desfasamento de 0 (ou 360, o que vale o mesmo). Tal o princpio do oscilador RC tipo Wien.
Pois bem, o dispositivo determinativo da frequncia de trabalho deste oscilador uma rede RC, agora com dois condensadores e duas resistncias (fig. 45). H aqui uma resistncia (R1) em srie com uma capacidade (C1), assim como uma resistncia (R2) em paralelo com outra capacidade (C 2). Geralmente R1 = R2 e C1 = C2. O sistema RC alimentado a partir de uma fonte de tenso constante (teoricamente significa resistncia interna zero) e termina ou alimenta uma impedncia infinita (tambm teoricamente, claro). Ento o desfasamento produzido pelo dispositivo RC e a sua atenuao podem ser calculados com alguma facilidade. A impedncia do paralelo (supe-se R1 = R2 = R e C1 = C2 = C) vale: RX / (R + X). Deste modo
em que X = 1/C Por simplificao da expresso chega-se a
Multiplicando ambos os membros por R2 X2 3RX
Dispositivo determinante da
Quando existir um desfasamento de 0 desaparece o termo RX (R2 X2) e para que isso acontea temos que ter: o que nos d = 1/RC ou, finalmente.
Uma vez que por (2) R = X, fazendo R = X na expresso (1) vem
o que nos diz que, para manter as oscilaes, o amplificador deve apresentar um ganho superior a 3. Ora, para obter um ganho destes, no preciso mais do que um transstor (ou uma vlvula), simplesmente difcil com um s dispositivo activo obter o necessrio desfasamento e as desejadas resistncias extremas. Por isso, o oscilador Wien usa normalmente dois ou trs andares, sendo o ganho reduzido ao valor desejado por introduo de circuitos que produzam uma realimentao negativa. Os condensadores C 1 e C2 devem ser variveis para se poderem obter diferentes frequncias de oscilao, e provavelmente no tero capacidades superiores a 500 pF. Para esta capacidade, se quisermos uma frequncia de oscilao de 30Hz, que uma frequncia udio muito baixa, o valor das resistncias (iguais) ser
Mas pode acontecer que resistncias e
Vir-nos-ia:
OSCILADORES Um exemplo concreto de um oscilador Wien, podemos apreci-lo na figura 46. Empregam-se aqui trs transstores: um FET em montagem de fonte comum e dois transstores bipolares. T3, em montagem de colector comum (seguidor de emissor) o andar de sada e T2 est na montagem de emissor comum, excitando T3 por intermdio da sada do seu colector.
Oscilador de ponte Wien transistorizado
Os dois primeiros andares originam inverso de fase, ao passo que o ltimo no o faz. Assim se obtm o desfasamento total de 360, ou zero graus. O seguidor de emissor proporciona uma baixa impedncia de sada (no zero, como teoricamente se admitiu) para alimentar o dispositivo RC determinativo da frequncia de trabalho. Para se conseguirem baixas frequncias de trabalho o paralelo de uma das resistncias seleccionadas por S1 e do condensador C2 deve ser de vrios megaohms. Dai que no se possa usar um transstor qualquer de entrada, de contrrio a sua baixa resistncia ia praticamente curto-circuitar a impedncia do paralelo. Nada portanto melhor que um FET, que tem, como veremos, uma tremendamente elevada impedncia de entrada. T1 e T2 podem dar naturalmente um ganho de tenso muito superior a trs, mas necessrio reduzir o seu ganho a este valor, caso contrrio ocorre distoro na forma sinusoidal da onda de sada. Em face disso aplica-se a realimentao negativa, no s deixando R10 sem capacidade em paralelo, mas tambm estabelecendo a rede C3, R9 e R8, alm de R8 tambm no ter condensador. O acoplamento directo usado no circuito proporciona uma boa resposta de frequncia. A amplitude da onda de sada do oscilador estabilizada fazendo que a realimentao negativa dependa dela. Efectivamente podemos substituir R9 por uma resistncia de coeficiente de temperatura negativa. R9 alimentado da sada atravs de C3 de modo que a energia dissipada, e portanto a temperatura nela, depende da amplitude de sada. Em contrapartida com o mesmo intuito, poderamos usar para R8 uma resistncia de coeficiente de temperatura positivo (uma lmpada, por exemplo), com R9 constituda por substncia com coeficiente de temperatura nulo. De qualquer forma toda a tendncia para elevao da amplitude das oscilaes faz com que a realimentao negativa actue, contrariando tal tendncia.
Uma verso do oscilador Wien com trodos aparece-nos na figura 47 Tambm chamado oscilador de ponte, aqui e bem visvel que a tenso de reaco v2 obtida atravs de uma ponte cujos quatro lados so respectivamente R3, R4, a srie R1C1e o paralelo R2C2. A tenso que e aplicada a esta ponte a tenso de placa de V2. C3 e apenas um condensador de acoplamento.
Oscilador de ponte ou oscilador Wien a vlvulas.
Outro oscilador Wien. Transstores em EC. A rede de alimentao R1C1 e R2C2. Usualmente R = R1 = R2 e C = C1 = C2. A frequncia de oscilao e sensivelmente igual a 0,16/RC.
Reparemos nas fases das tenses que intervm no circuito. Se a tenso na grelha de V1 tende a subir, a da placa de V1 tende a baixar e consequentemente tende tambm a baixar a tenso grelha de V2. Deste modo a tenso de placa de V2 tende a subir. Fica portanto claro que, para que o oscilador funcione, a tenso aplicada ponte e a tenso v2 ho-de estar em fase. A frequncia mais baixa que estabelece este requisito a frequncia de oscilao do sistema. Quando os circuitos so resistivos no h ao longo deles alteraes de fase, e portanto a fase de tenso no ponto B a mesma que a fase da tenso total aplicada ponte. E isso implica que a tenso em A e a tenso total estejam em fase. Esta concluso,
expressa matematicamente, levar-nos- expresso da frequncia de trabalho do oscilador:
Os osciladores RC, contrariamente aos osciladores LC, no dispem de qualquer circuito ressonante, que, batido por impulsos de corrente, regenere ondas sinusoidais Importa por isso que as oscilaes, como j atrs se frisou, no assumam valores elevados. A classe de funcionamento dos dispositivos activos no pode ser seno a A, caso contrrio a distoro intolervel. No preciso pensar muito para se ver que R4 introduz uma realimentao negativa em V 1, assim como R5 em V2. atravs de R5 que normalmente se retira a tenso de sada, pois a carga aplicada sobre esta resistncia no produz grandes perturbaes no funcionamento do oscilador. Acabamos este assunto referindo que h osciladores RC tipo Wien muito complicados, com vrias resistncias seleccionveis, permitindo cobrir uma grande gama de frequncias. H outros tipos de oscilador RC, no sinusoidais, que por agora no estudaremos.