Aula 16: Osciladores Senoidais em Eletrônica Analógica

ELETRÔNICA ANALÓGICA AULA 16 OSCILADORES SENOIDAS Prof Luis Henrique P da Silva MSc OSCILADORES Um oscilador é um sistema que transforma energia contínua em energia alternada sem necessidade de qualquer excitação sinal exterior Tal como todos os sistemas de conversão funciona com um rendimento inferior a 100 por razões físicas OSCILADORES O sinal de saída variável no tempo caracterizase por um espectro contendo a frequência fundamental f0 harmônicas e espúrias especificamente em torno daquelas OSCILADORES Um oscilador é um circuito constituído por Um circuito não linear com ganho de potência O elemento ativo pode ser um díodo um transistor ou uma válvula Um circuito linear estabilizador com um elevado fator de qualidade Q e com características muito estáveis em função da temperatura e do tempo Um circuito limitador que impõe as condições de sinal OSCILADORES Um oscilador pode ter as seguintes saídas OSCILADORES Osciladores são amplificadores que geram um sinal de saída sem a necessidade de um sinal de entrada São compostos por elementos configurados para ganhos elevados e largura de banda pequena OSCILADORES CONDIÇÃO DE OSCILAÇÃO a Realimentação positiva o sinal de realimentação deve voltar em fase com o sinal de entrada b O ganho de voltagem global do circuito deve ser maior do que 1 o ganho do amplificador deve ser suficiente para superar as perdas associadas com qualquer rede de realimentação seletiva em relação à frequência OSCILADORES CLASSIFICAÇÃO DOS OSCILADORES Lineares harmônicos sintonizados Circuitos osciladores que empregam transistores eou amplificadores operacionais operando na região linear de amplificação gerando sinais senoidais puros OSCILADORES CLASSIFICAÇÃO DOS OSCILADORES Não lineares não harmônicos de relaxação Utilizam dispositivos biestáveis com portas lógicas interruptores Schmitt triggers flipflops carregando capacitores para gerar formas de ondas quadradas triangulares dente de serra pulsadas entre outras OSCILADORES PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS OSCILADORES Estabilidade da frequência de oscilação A frequência de oscilação do circuito deve ser a mais estável fixa possível pois em alguns casos pequenas variações podem gerar grandes problemas por exemplo em circuitos de medição de tempo OSCILADORES PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS OSCILADORES Estabilidade da amplitude da tensão gerada A amplitude da tensão de saída de um gerador não deve variar pois se isso acontecer em osciladores lineares o usuário poderá notar esta variação por exemplo em circuitos de áudio OSCILADORES Oscilador Senoidal Um oscilador senoidal é um circuito capaz de produzir um sinal senoidal sem a necessidade de aplicação de um sinal externo OSCILADORES Teoria da oscilação senoidal Para construirmos um oscilador senoidal precisamos usar um amplificador com realimentação positiva A ideia é usar o sinal de realimentação no lugar do sinal de entrada Se o sinal de realimentação for suficientemente grande e tiver uma fase correta haverá um sinal de saída ainda que não se tenha nenhum sinal externo OSCILADORES Sistemas Um aspecto importante de um sistema é a relação entre a entrada e a saída OSCILADORES Sistemas de Controle Um sistema de controle pode ser definido como um conjunto de equipamentos eou dispositivos que gerenciam o comportamento de máquinas ou outros sistemas físicos Para isso é necessário realizar a modelagem matemática da planta seguida do projeto do controlador OSCILADORES Sistemas de Controle Exemplo de um Sistema de Controle Um sistema de aquecimento central sistema em malha aberta OSCILADORES Realimentação Quando se utiliza realimentação positiva e negativa em amplificadores A realimentação negativa atua de forma a atenuar o sinal de entrada no amplificador para controlar o ganho do sistema de acordo com o ganho de realimentação bloco H A realimentação positiva por sua vez reforça o sinal de entrada no amplificador OSCILADORES Estrutura Geral da Realimentação OSCILADORES Estrutura Geral da Realimentação OSCILADORES Em frequências inferiores a 1 MHz podemos usar osciladores RC para gerar ondas senoidais quase perfeitas Os osciladores de baixa frequência usam AOPs e circuitos RC ressonantes para estabelecer a frequência de oscilação Acima de 1 MHz são utilizados circuitos LC ressonantes OSCILADORES OSCILADORES HARMÔNICOS Circuitos que geram ondas senoidais RC Utilizam resistores e capacitores na sua rede de realimentação e são aplicados em circuitos que necessitam de sinais de frequências mais baixas Ex Duplo T Ponte de Wien de Defasagem OSCILADORES OSCILADORES HARMÔNICOS Circuitos que geram ondas senoidais LC Utilizam indutores e capacitores na sua rede de realimentação aplicado em frequências mais altas Ex Colpits Hartley Armstrong Clapp OSCILADORES OSCILADORES HARMÔNICOS Circuitos que geram ondas senoidais Cristal Utilizam cristais de quartzo para gerar sinais com valores de frequência altamente estáveis OSCILADORES TEORIA BÁSICA DA OSCILAÇÃO SENOIDAL O diagrama de blocos apresentado a seguir mostra um amplificador que possui um ganho A e uma rede de realimentação com ganho B dependente da frequência OSCILADORES TEORIA BÁSICA DA OSCILAÇÃO SENOIDAL OSCILADORES TEORIA BÁSICA DA OSCILAÇÃO SENOIDAL O oscilador pode iniciar sua oscilação a partir dos passos a seguir OSCILADORES TEORIA BÁSICA DA OSCILAÇÃO SENOIDAL Para que isto seja possível duas condições devem ser observadas Estas condições são chamadas de Critérios de Barkhausen O ganho de malha fechada deve ser igual a um AB 1 A defasagem total da malha deve ser igual a 0 ou seja se o amplificador for inversor a rede de realimentação também deve defasar 180 OSCILADORES TEORIA BÁSICA DA OSCILAÇÃO SENOIDAL Critérios de Barkhausen OSCILADORES TEORIA BÁSICA DA OSCILAÇÃO SENOIDAL Critérios de Barkhausen Para garantir uma oscilação em níveis de tensão utilizáveis é necessário fazer com que o produto AB seja um pouco maior que a unidade no início do processo da oscilação OSCILADORES TEORIA BÁSICA DA OSCILAÇÃO SENOIDAL Critérios de Barkhausen OSCILADORES OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Este é um tipo de oscilador que pode ser usado na geração de sinais na faixa de frequência de áudio até aproximadamente 1MHz OSCILADORES OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Um oscilador simples utilizando transistores bipolares ou amplificadores operacionais é o que emprega uma associação de resistores e capacitores RC em sua rede de realimentação com a finalidade de inserir a defasagem necessária para atender ao critério de Barkhousen OSCILADORES OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Estes osciladores empregando componentes passivos resistores e capacitores podem ser os osciladores de deslocamento de fase ou outro oscilador muito utilizado o oscilador com ponte de Wien OSCILADORES OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Lembrando que o critério de Barkhousen estabelece que para que o sistema da figura 1 oscile devese satisfazer os seguintes requisitos Figura 1 Estrutura básica de um oscilador OSCILADORES OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Note que a ponte formada pelos elementos resistivos e capacitivos é denominada de ponte de Wien empregando realimentação positiva e negativa Assim o ganho e a fase do circuito dependem dos elementos desta rede ponte de realimentação OSCILADORES OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Figura 2 Estrutura básica do oscilador com a ponte de Wien original OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Figura 3 Oscilador com ponte de Wien RC OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN No circuito da figura 3 os resistores Rf e Rg determinam o ganho de realimentação negativa que deve compensar o ganho da malha de realimentação positiva Z1 e Z2 tornando o ganho total unitário Em uma frequência específica a fase da rede de realimentação positiva Z1 e Z2 será nula fazendo com que o circuito atenda ao critério de Barkhousen e oscile OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Normalmente a impedância Z1 é implementada por um conjunto de resistores e capacitores em série como apresentado na figura 4 formando uma rede de avanço de fase Por sua vez a impedância Z2 é implementada por um conjunto de resistores e capacitores em paralelo formando uma rede de atraso de fase OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Figura 4 Oscilador com ponte de Wien OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Para que o critério de Barkhousen seja atendido e o circuito oscile o ganho do sistema deve ser unitário e a fase nula Assim para que a realimentação seja positiva e com defasagem nula v com mesma fase de vo a expressão v vo deve ser um número real portanto OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Usualmente é comum utilizarse resistores e capacitores iguais nas duas redes de realimentação levando a OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN O ganho da malha de realimentação positiva na frequência de oscilação considerando resistores e capacitores iguais é OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Assim o ganho da malha de realimentação negativa deverá ser OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Figura 5 Circuito oscilador com ponte de Wien OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN Figura 1 Circuito oscilador com ponte de Wien OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN EXERCÍCIO 1 Determine a frequência de oscilação do circuito da Figura 2 Tensão de alimentação simétrica 15V Figura 2 Circuito oscilador com ponte de Wien OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN EXERCÍCIO 1 Determine a frequência de oscilação do circuito da Figura 2 Tensão de alimentação simétrica 15V Solução 300R 150R 100R 1μF 1μF 100R OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN EXERCÍCIO 1 Determine a frequência de oscilação do circuito da Figura 2 Tensão de alimentação simétrica 15V Solução OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN EXERCÍCIO 1 Determine a frequência de oscilação do circuito da Figura 2 Tensão de alimentação simétrica 15V Solução OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN EXERCÍCIO 1 Determine a frequência de oscilação do circuito da Figura 2 Tensão de alimentação simétrica 15V Solução OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN EXERCÍCIO 1 Determine a frequência de oscilação do circuito da Figura 2 Tensão de alimentação simétrica 15V Solução Logo f 1 2 π RB CB f 12 π 100Ω 1µF 159236Hz f 159kHz OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN EXERCÍCIO 1 Determine a frequência de oscilação do circuito da Figura 2 Tensão de alimentação simétrica 15V Solução Comprovando que XCA ou XCB é igual a resistência ôhmica de RA ou RB XC 12 π f C Xc 12 π 159kHz 1µF Xc 100 Ω OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN EXERCÍCIO 2 Projetar um oscilador em Ponte de Wien que produza uma frequência de saída de 2kHz adotando CA330nF Figura 3 Circuito oscilador com ponte de Wien OSCILADORES ANÁLISE DO OSCILADOR EM PONTE DE WIEN EXERCÍCIO 2 Projetar um oscilador em Ponte de Wien que produza uma frequência de saída de 2kHz adotando CA330nF Solução 1º passo CACB330nF 2º passo Calcular RB 2000Hz 1 2 π RB 330 1x109 F RB24127Ω RA 3º passo Calcular R1 RA RB 23 R1 R1 32 RB 36190 Ω OSCILADORES Contato lhps1polibr Boa noite