El principio del circuito de oscilación LC es que el circuito de oscilación LC se refiere a un circuito compuesto por una red de selección de frecuencia compuesta por un inductor L y un condensador C, y se utiliza para generar una onda sinusoidal de alta frecuencia. señales. En muchos casos, los circuitos osciladores LC también se denominan circuitos osciladores, circuitos resonantes, circuitos resonantes o circuitos sintonizados.
Los circuitos de oscilación de onda sinusoidal LC comunes incluyen el circuito de oscilación LC de retroalimentación del transformador, el circuito de oscilación LC de tres puntos del inductor y el circuito de oscilación LC de tres puntos del condensador. La potencia de radiación del circuito de oscilación LC es proporcional a la cuarta potencia de la frecuencia de oscilación. Para permitir que el circuito de oscilación LC irradie ondas electromagnéticas suficientemente fuertes, se debe aumentar la frecuencia de oscilación y el circuito debe estar en forma de circuito abierto.
1. ¿Qué es un circuito oscilador LC?
El circuito de oscilación LC se refiere a un circuito compuesto por una red de selección de frecuencia compuesta por un inductor L y un condensador C, y se utiliza para generar señales de onda sinusoidal de alta frecuencia. En muchos casos, los circuitos osciladores LC también se denominan circuitos osciladores, circuitos resonantes, circuitos resonantes o circuitos sintonizados. Los circuitos de oscilación de onda sinusoidal LC comunes incluyen el circuito de oscilación LC de retroalimentación del transformador, el circuito de oscilación LC de tres puntos del inductor y el circuito de oscilación LC de tres puntos del condensador.
La potencia de radiación del circuito de oscilación LC es proporcional a la cuarta potencia de la frecuencia de oscilación. Para permitir que el circuito de oscilación LC irradie ondas electromagnéticas suficientemente fuertes, se debe aumentar la frecuencia de oscilación y el circuito está en funcionamiento. una forma de circuito abierto.
El oscilador LC utiliza un circuito de oscilación (que incluye un inductor y un condensador) que proporciona la retroalimentación positiva necesaria para mantener la oscilación en el circuito. Como sugiere el nombre, en este circuito, un capacitor cargado (C) está conectado a un inductor descargado (L),
Circuito Resonante LC
El circuito que se muestra arriba es un circuito resonante LC. circuito Circuito que contiene un condensador completamente cargado y un inductor completamente despotenciado cuya resistencia debe ser lo más baja posible (idealmente cero). Si conecta un capacitor cargado a una resistencia, la resistencia disipará la energía del capacitor y la corriente eventualmente dejará de fluir.
Pero en este caso, este condensador (que almacena energía eléctrica) está conectado a un inductor de muy baja resistencia (que almacena energía magnética). Entonces, cuando el inductor comienza a extraer energía del capacitor, comienza a energizarse y su energía aumenta, lo que a su vez descarga el capacitor.
Cuando el inductor está completamente energizado, el condensador pierde toda la energía. El inductor comenzará a cargar el condensador con la energía almacenada en él. La transferencia de energía del capacitor al inductor y del inductor al capacitor continúa. Esta transferencia continua de energía de un dispositivo a otro a menudo se denomina oscilación LC.
2. Principio del circuito oscilador LC
Cuando un condensador totalmente alimentado se conecta a un inductor apagado, toda la energía de todo el circuito está solo en el condensador, mientras que el inductor La energía es cero. Denotamos la energía almacenada en el capacitor (energía eléctrica) como (U_E) y la energía almacenada en el inductor (energía magnética) como (U_B).
La corriente comienza a fluir desde el capacitor al aparato, el inductor comienza a energizarse y la electricidad comienza a descargarse. La energía en el inductor comienza a aumentar y la energía en el capacitor comienza a disminuir. El gráfico de barras debajo del diagrama del circuito muestra que en este punto, la mitad de la energía almacenada en el inductor es igual a la energía en el capacitor, lo que significa que el capacitor ha transferido la mitad de su energía al inductor. Ahora, una vez que el capacitor esté completamente descargado, toda la energía del capacitor se transferirá al inductor. Por tanto, toda la energía eléctrica se convierte en energía magnética.
Dado que el capacitor está completamente descargado y el inductor está completamente energizado, el inductor ahora comenzará a cargar el capacitor con corriente en la misma dirección. Ahora el inductor ha transferido la mitad de su energía al condensador. Con el tiempo, el condensador se cargará completamente nuevamente y el inductor estará completamente energizado. Pero ahora la diferencia con el condensador es que su polaridad está invertida.
Entonces, si la corriente comienza a fluir en el circuito nuevamente desde el capacitor, fluirá en la dirección opuesta. Dado que la corriente en el circuito ahora tiene una corriente opuesta, podemos decir que completó la primera mitad del ciclo de CA y comenzó la segunda mitad. Por lo tanto, cuando se complete todo el ciclo, tanto el capacitor como el inductor estarán completamente cargados dos veces.
3. Circuito de oscilación LC básico
El circuito consta de una bobina de inducción L y un condensador C. Un condensador almacena energía en forma de campo electrostático y genera un potencial (voltaje estático) en sus placas, mientras que una bobina de inducción almacena energía en forma de campo electromagnético. Al colocar el interruptor en la posición A, el capacitor se carga al voltaje de suministro de CC V. Cuando el condensador está completamente cargado, el interruptor cambia a la posición B.
El condensador cargado ahora está en paralelo con la bobina de inducción, por lo que el condensador comienza a descargarse a través de la bobina.
A medida que la corriente a través de la bobina comienza a aumentar, el voltaje en C comienza a caer.
Esta corriente ascendente establece un campo electromagnético alrededor de la bobina que resiste el flujo de esta corriente. Cuando el condensador C ha liberado por completo la energía originalmente almacenada en el condensador, C ahora se almacena en la bobina de inducción como campo electrostático y L como campo electromagnético alrededor de los devanados de la bobina.
Dado que ahora no hay voltaje externo en el circuito para mantener la corriente en la bobina, la corriente comienza a disminuir a medida que el campo electromagnético comienza a colapsar. Se induce una fuerza contraelectromotriz (e=-Ldi/dt) en la bobina, manteniendo la corriente fluyendo en la dirección original. Esta corriente carga el condensador C con la polaridad opuesta a su carga original. C continúa cargándose hasta que la corriente se reduce a cero y el campo electromagnético de la bobina colapsa por completo.
La energía originalmente introducida en el circuito a través del interruptor ha regresado al capacitor, que nuevamente tiene un potencial de voltaje electrostático a través de él, aunque ahora tiene polaridad inversa. El condensador ahora comienza a descargarse nuevamente a través de la bobina y se repite todo el proceso. A medida que la energía se transfiere de un lado a otro entre el capacitor y el inductor, la polaridad del voltaje cambia, produciendo voltaje sinusoidal de tipo CA y formas de onda de corriente.
Este proceso forma la base del circuito oscilador LC y, en teoría, este ciclo de ida y vuelta continuará indefinidamente. Sin embargo, las cosas no son perfectas: cada vez que se transfiere energía del condensador C al inductor L y de L nuevamente a C, se produce cierta pérdida de energía y, con el tiempo, las oscilaciones decaen hasta cero.
Si no fuera por la pérdida de energía dentro del circuito, este efecto oscilante de transferir energía de un lado a otro entre el condensador C y el inductor L continuaría indefinidamente. La energía eléctrica se pierde en la resistencia real de la corriente continua o bobina inductiva, en el dieléctrico del condensador y en la radiación del circuito, por lo que las oscilaciones van disminuyendo progresivamente hasta desaparecer por completo y el proceso cesa.
En un circuito LC real, la amplitud del voltaje de oscilación disminuye en cada medio ciclo de oscilación y eventualmente desaparece a cero. La oscilación se denomina entonces "amortiguada" y la cantidad de amortiguación está determinada por la masa, o factor Q, del circuito.
4. Oscilación amortiguada
La frecuencia del voltaje de oscilación depende del valor de inductancia y del valor de capacitancia en el circuito resonante LC. Ahora sabemos que para que ocurra resonancia en un circuito resonante, debe haber un punto de frecuencia, que es el valor de XC. La reactancia capacitiva es la misma que el valor de la resistencia CC para evitar el flujo de corriente.
5. Frecuencia de oscilación
Si ahora colocamos la curva de reactancia inductiva del inductor encima de la curva de reactancia capacitiva del condensador, de modo que las dos curvas estén en la misma frecuencia. eje, el punto de intersección nos dará el punto de frecuencia de resonancia, (?r o ωr) donde:?r está en Hertz, L está en Henries y C está en Faradios. Luego, simplificando la ecuación anterior, obtenemos la ecuación final para la frecuencia de resonancia ?r en el circuito LC sintonizado:
6 Fórmula de oscilación LC
L es la inductancia en Henrys<. /p>
C es la capacitancia en Faradios r es la frecuencia de salida en Hercios
Esta ecuación muestra que si L o C disminuye, la frecuencia aumentará. Esta frecuencia de salida generalmente se proporciona como abreviatura (?r) para identificarla como la "frecuencia de resonancia".
Para mantener las oscilaciones en un circuito resonante LC, debemos reponer toda la energía perdida en cada oscilación y mantener la amplitud de dichas oscilaciones a un nivel constante. Por lo tanto, la cantidad de energía reemplazada debe ser igual a la energía perdida durante cada ciclo. Si se reemplaza demasiada energía, la amplitud aumenta hasta que se produce el recorte del riel de potencia. Alternativamente, si la energía que se reemplaza es demasiado pequeña, la amplitud eventualmente disminuirá a cero con el tiempo y las oscilaciones cesarán.
La forma más sencilla de reemplazar esta energía perdida es tomar parte de la salida del circuito resonante LC, amplificarla y luego volver a alimentarla al circuito LC.
7. Circuito oscilador LC de transistor básico
El proceso anterior se puede implementar utilizando un amplificador de voltaje que utiliza un amplificador operacional, FET o transistor bipolar como dispositivo activo. Sin embargo, si la ganancia del bucle del amplificador de retroalimentación es demasiado pequeña, la atenuación de oscilación requerida es cero y si es demasiado grande, la forma de onda se distorsionará. Para producir oscilaciones constantes, es necesario controlar con precisión el nivel de energía que se devuelve a la red LC. Entonces debe haber alguna forma de control automático de amplitud o ganancia cuando la amplitud intenta aumentar o disminuir desde el voltaje de referencia.
Para mantener una oscilación estable, la ganancia total del circuito debe ser igual a 1 o 1.
Un poco menos y la oscilación no comenzará ni se desvanecerá a cero; más y la oscilación ocurrirá pero la amplitud será recortada por el riel de alimentación, causando distorsión.
Circuito oscilador LC con transistor
Se utiliza un transistor bipolar como amplificador del oscilador LC y un circuito resonante LC sintonizado como carga del colector. Otra bobina L2 está conectada entre la base y el emisor del transistor, y su campo electromagnético está "mutuamente" acoplado al campo electromagnético de la bobina L.
8. Principio de funcionamiento del circuito oscilador LC de transistor básico
Existe una "inductancia mutua" entre los dos circuitos. La corriente cambiante que fluye en un circuito de bobina está en el otro circuito a través de una vía electromagnética. Inducción. Se induce un voltaje potencial (efecto transformador), por lo que se produce una oscilación en el circuito sintonizado, se transfiere energía electromagnética de la bobina L a la bobina L2 y se aplica un voltaje con la misma frecuencia que en el circuito sintonizado. base y emisor del transistor. De esta manera se aplica al transistor amplificador la tensión de realimentación automática necesaria.
La cantidad de retroalimentación se puede aumentar o disminuir cambiando el acoplamiento entre las dos bobinas L y L2. Cuando un circuito oscila, su impedancia es resistiva y los voltajes del colector y de la base están separados 180 grados. Para mantener la oscilación (llamada estabilidad de frecuencia), el voltaje aplicado al circuito sintonizado debe estar "en fase" con la oscilación que ocurre en el circuito sintonizado.
Por lo tanto, debemos introducir un cambio de fase adicional de 180 grados en la ruta de retroalimentación entre el colector y la base. Esto se logra enrollando la bobina de L2 en la orientación correcta con respecto a la bobina L, dándonos así la amplitud y relación de fase correctas para el circuito oscilador, o conectando una red de desplazamiento de fase entre la salida y la entrada del amplificador.
Por ello, los osciladores LC se conocen más comúnmente como “osciladores sinusoidales” u “osciladores armónicos”. Los osciladores LC pueden generar ondas sinusoidales de alta frecuencia para su uso en aplicaciones de tipo radiofrecuencia (RF), y los amplificadores de transistores son transistores bipolares o FET.
Los osciladores armónicos vienen en muchas formas diferentes, ya que existen muchas formas diferentes de construir redes de filtros LC y amplificadores, los más comunes son los osciladores Hartley, los osciladores Colpitts, los osciladores Clapp, el oscilador Armstrong, etc.
9. Ejemplo de circuito de oscilación LC
Un inductor de 200 mH y un condensador de 10 pF se conectan en paralelo para formar un circuito de oscilación LC. Calcule la frecuencia de oscilación. Se puede ver en el ejemplo anterior que al reducir el valor del condensador C o del inductor, L tendrá el efecto de aumentar la frecuencia de oscilación del circuito de oscilación LC.
10. Ventajas del circuito de oscilación LC
El circuito de oscilación LC de alta estabilidad de fase produce una buena estabilidad a altas frecuencias.
Bajo ruido debido a la inductancia y capacitancia en la red de retroalimentación.
Factor de alta calidad El oscilador LC tiene un factor de alta calidad en comparación con otros osciladores.
11. Desventajas del circuito de oscilación LC
Los cambios de temperatura afectarán a componentes como transistores, condensadores, resistencias, tensión de alimentación y la inductancia del circuito.
La frecuencia de funcionamiento del oscilador no es constante debido a los diversos componentes que intervienen en el circuito.
Si algún componente del circuito de retroalimentación cambia, la frecuencia de funcionamiento puede cambiar.
No es apto para bajas frecuencias. A bajas frecuencias, los condensadores e inductores no funcionan bien y crean inestabilidad en el circuito.