En nuestro Curso de Electrónica estudiamos de que modo funcionan los circuitos de tiempo RC y cómo calcularlos. En esta oportunidad, hablamos dela enorme utilidad práctica de tales circuitos que aparecen en una infinidad de proyectos. Algunos proyectos pueden elaborarse con facilidad y muestran la utilidad de tales circuitos. Nos dedicaremos específicamente a dos tipos básicos de circuitos que se basan en la constante de tiempo RC: los osciladores de relajación.
Un oscilador puede definirse como un circuito que produce una serial de forma de onda y frecuencia definidas.
Para obtener las oscilaciones, podemos aprovechar las propiedades eléctricas de diversos dispositivos como por ejemplo Ia ampliticación de transistores y válvulas, o bien la resistencia negativa de una Iámpara neón, SCR o incluso un transistor unijuntura.
¿Que es la resistencia negativa?
Si tomamos Ia curva característica de una lámpara de neón, como muestra Ia figura 1, vemos que su resistencia es constante en una amplia gama de tensiones, en el sentido que, a medida que aumenta la tensión aumenta la corriente, aunque en una proporción muy pequeña.
Sin embargo, existe un punto en que ocurre la ionización, y con esta ionización una alteración, tanto en la tensión manifestada entre los terminales de esta lámpara como en la corriente circundante.
La tensión cae, y la corriente aumenta, lo que significa una "resistencia negativa".
Un transistor unijuntura manifesta el mismo comportamiento, en la tensión en que ocurre su disparo, como muestra la figura 2.
Cuando la tensión en el emisor (E) del transistor alcanza un cierto valor, la resistencia manifestada que hasta entonces era muy alta, se reduce repentinamente a un valor mínimo.
La utilización como componente básico en un oscilador de lámparas neón o transistores unijuntura es muy interesante.
Un resistor y un capacitor forman la red de tiempo. Cuando el circuito es conectado, el capacitor se carga a través del resistor hasta el punto en que alcanza el disparo del elemento de resistencia negativa (lámpara de neón o transistor unijuntura). En este momento, la resistencia baja se manifiesta y provoca la descarga del capacitor.
Con la descarga, el elemento vuelve a la condición de alta resistencia y se inicia un nuevo ciclo (figura 3).
En este ciclo de carga y descarga tenemos entonces una forma de onda como muestra la figura 4.
La subida corresponde a una función exponencial dada por la carga del capacitor, según estudiamos en la teoría. La descarga, igualmente, corresponde a una curva exponencial, pero de declive mayor, ya que la resistencia manifestada en esta parte del ciclo también es menor.
Con el conocimiento de la capacitancia y de las resistencias involucradas podemos calcular los dos ciclos (carga y descarga), y con esto la frecuencia del oscilador.
A continuación, damos algunos proyectos simples que permiten entender mejor cómo funcionan los osciladores de relajación. El nombre puede ser explicado por el propio principio de funcionamiento: después de una carga tensa. cuando ocurre el disparo, el circuito descarga y asi "se relaja".
1. Guiño de Neón
Este montaje es el más simple de un oscilador de relajación.
En la figura 5 tenemos el circuito completo cuyo funcionamiento puede explicarse de la siguiente manera.
EI diodo D1 y el resistor R1, juntamente con C1, constituyen una fuente de alimentación que permite obtener de la red local de V una tensión continua del orden de 150 V.
Este valor, como deben recordar los lectores, corresponde al valor de pico de la tensión que, rectificada, carga el capacitor (en 220V tendremos aproximadamente 300V).
Esta tensión se aplica en el oscilador propiamente dicho que tiene su red RC formada por R2/P1 y por C2.
C2 se carga entonces exponencialmente a través de R2/P1, hasta alcanzarse la tensión de disparo de la lámpara de neón. Vea que la misma está conectada en paralelo con el capacitor.
Para las lámparas de neón comunes, esta tensión está alrededor de 80V.
Cuando ocurre el disparo, Ia lámpara neón "se enciende" descargando el capacitor en un "chispazo" de luz.
La descarga del capacitor 1 no llega a ser total, pues por debajo de 80V, aproximadamente, el gas deja de conducir Ia corriente en el interior de la lámpara y la misma se apaga.
Obtenemos una curva, como muestra Ia figura 6, y recomienza un nuevo ciclo.
La frecuencia de los guiños, o sea, el ciclo de carga y descarga, puede ajustarse en el potenciómetro.
Cálculos: podemos establecer algunas "formulas" para describir el funcionamiento de este circuito.
Así, con cierta aproximación, podemos calcular la frecuencia de operación de este oscilador con la fórmula:
f = 1/1,1 x R x C
Vea que, con un capacitor de 1 µF (104F) y un potenciómetro ajustado en el máximo, 4M7 (4,7 x 106) obtenemos:
F = 1/1,1 x 10-6 x 4,7 x 106
f= 1/5,17
f= 19 Hz
En la figura 7 tenemos la realización práctica del montaje en un puente de terminales.
EI capacitor C1 debe ser electrolítico, por lo menos 350V, y C2 debe ser de poliéster para 100V ó más.
2. Oscilador de Relajación con Unjiuntura
Una versión de oscilador con unijuntura puede montarse de acuerdo al diagrama de la figura 8.
En este circuito, el funcionamiento es el siguiente: el capacitor C1 se carga a través de R1/P1 hasta alcanzar Ia tensión de disparo del transistor unijuntura (variando entre 0,4 y, 0,7 de la tensión de alimentación). Con el disparo se reduce la resistencia entre el emisor y la base B1 del transistor unijuntura ocurriendo la descarga del capacitor via R3.
La descarga va hasta el punto en que el transistor "desconecta" con la elevación de la resistencia entre el emisor y B1 y se inicia un nuevo ciclo de carga.
Por los valores de los componentes usados, el circuito opera en la faja de audiofrecuencia. Así, con la amplificación por el transistor Q2 podemos tener una serial suficientemente intensa para ser llevada a un altoparlante.
El resultado es un sonido continuo que puede usarse en diversas aplicaciones.
Con un interruptor de presión, tenemos un sistema de llamado o aviso. Si se usa un relé con sistema propio de disparo, tendremos una alarma.
En la figura 9 tenemos el montaje del circuito en un puente de terminales.
Cálculos: la frecuencia de este oscilador depende de P1, R1 y C1, y es dada por la siguiente fórmula:
f = 1/(RXC)
Podemos ver que en la posición de mínima resistencia tenemos:
F = 1/(10 x 103 x 33 x 10-5)
f = 1/330 x 1045
f = 3,03 x10-3 x106
f = 3030 Hz
En la posición de máxima resistencia
tenemos:
f = 1/110 x103 x 33 10-6
t = 1/330 x106
f = 3030 Hz
Nuestro oscilador puede, entonces, cubrir la faja de 303 Hz a 3.030 Hz ajustándose simplemente P1.
Una característica importante de este circuito es su pequeña sensibilidad a la variación de la tensión de alimentación. Así, incluso con alimentación con 9 o 12 V, la frecuencia calculada variará muy poco.