Newton C. Braga. BANCO DE CIRCUITOS - Volume CIRCUITOS DE OSCILADORES VOLUME 2

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1 NEWTON C. BRAGA Newton C. Braga BANCO DE CIRCUITOS - Volume CIRCUITOS DE OSCILADORES VOLUME 2 Editora Newton C. Braga São Paulo Instituto NCB leitor@newtoncbraga.com.br

2 100 Circuitos de Osciladores - 2 BANCO DE CIRCUITOS V CIRCUITOS DE OSCILADORES - V2 Autor: Newton C. Braga São Paulo - Brasil Palavras-chave: Eletrônica - Engenharia Eletrônica Componentes Circuitos práticos Coletânea de circuitos Projetos eletrônicos Osciladores RF - Áudio Copyright by INTITUTO NEWTON C BRAGA. 1ª edição Todos os direitos reservados. Proibida a reprodução total ou parcial, por qualquer meio ou processo, especialmente por sistemas gráficos, microfílmicos, fotográficos, reprográficos, fonográficos, videográficos, atualmente existentes ou que venham a ser inventados. Vedada a memorização e/ou a recuperação total ou parcial em qualquer parte da obra em qualquer programa juscibernético atualmente em uso ou que venha a ser desenvolvido ou implantado no futuro. Essas proibições aplicam-se tambémàs características gráficas da obra e à sua editoração. A violação dos direitos autorais é punível como crime (art. 184 e parágrafos, do Código Penal, cf. Lei nº 6.895, de 17/12/80) com pena de prisão e multa, conjuntamente com busca e apreensão e indenização diversas (artigos 122, 123, 124, 126 da Lei nº 5.988, de 14/12/73, Lei dos Direitos Autorais). Diretor responsável: Newton C. Braga Diagramação e Coordenação: Renato Paiotti

3 NEWTON C. BRAGA Índice Apresentação...6 Introdução Oscilador Modulado Oscilador de 100 khz za 1 MHz Oscilador de 1 khz Astável com Transistor PNP Oscilador de 1 khz (2) Oscilador de Dois Transistores Oscilador Modulado Astável com Transistores Oscilador Hartley de Áudio Oscilador de Relaxação com Transistores Astável com o Oscilador Controlado Oscilador Controlado Gerador de Pulsos Variáveis Oscilador Retangular de 1 khz Oscilador Pierce a Cristal VCO com o VCO TTL com o VCO de Alta Frequência com Transistor VCO com Comparador de Tensão VCO com Operacional VCO com Controle por Potenciômetro VCO CMOS com o VCO CMOS Oscilador XTAL com Comparador Oscilador XTAL até 30 MHz Oscilador XTAL com o Oscilador XTAL para 27 MHz Oscilador XTAL com o Oscilador XTAL até 65 MHz Oscilador XTAL até 110 MHz Oscilador XTAL até 3 MHz...41

4 100 Circuitos de Osciladores Oscilador XTAL até 500 khz...42 Oscilador XTAL até 100 khz...43 Oscilador com MOSFET de Dupla Comporta...44 Oscilador de Alta Potência...45 Oscilador de VHA...47 Oscilador de Frequência Variável com Varicap...49 Oscilador de Frequência Variável...50 Oscilador de Sobretom...51 Gerador de Ondas Quadradas...52 Oscilador de 100 MHz...53 Oscilador de Potência para 100 khz...54 Gerador de Pulsos Aleatórios...55 Oscilador de Duas Frequências...56 Oscilador TTL com o Gerador Dente de Serra com PUT...58 Oscilador Retangular de 100 ma...59 Oscilador de Potência de 1 MHz...60 Oscilador de 3 a 30 MHz...61 Oscilador de 3 Tons...62 Oscilador de Relaxação com o Oscilador de Potência com o Oscilador de Duplo T com o Oscilador XTAL de 500 khz a 30 MHz...66 Oscilador de Sobretom com Cristal...67 Oscilador Pierce com Cristal...68 Oscilador XTAL em Sobretom...69 Oscilador XTAL de 4 a 20 MHz...70 Oscilador XTAL Oscilador XTAL Oscilador XTAL Gerador de Alta Frequência Econômico...74 Oscilador Dente de Serra...76 Oscilador de Relaxação com SCR...78 Astável Astável de 500 Hz a 5 khz com o Oscilador de 1 khz com o Oscilador Ponte de Wien...83

5 NEWTON C. BRAGA 70 - Oscilador Senoidal Ponte de Wien Oscilador Ponte de Wien com AGC Oscilador Por Deslocamento de Fase Oscilador Por Deslocamento de Fase (2) Oscilador em Quadratura Oscilador de Bubba Oscilador de Dupla Frequência Gerador de Pulsos Aleatórios (2) Oscilador Controlado Por Temperatura Oscilador de Potência Astável com o Gerador Triangular Oscilador UJT de Áudio Oscilador Hartley com Transistor Bipolar Oscilador Collpits com Transistor Oscilador Ajustável a Cristal Oscilador Ajustável a Cristal (2) Oscilador a Cristal Harmônico Oscilador Ajustável a Cristal (3) VXO VXO com Grande Faixa de Variação VCO Oscilador Controlado Por Tensão Oscilador Hartley com Transistor Oscilador com MOSFET de Dupla Comporta Oscilador de VHF e UHF Oscilador de Alta Potência Oscilador Colpitts de 7 MHz Oscilador FET de Sobretom Oscilador de 3 a 10 MHz Oscilador com Inversores Gerador de Salva de Tom CRISTAIS - O RÍTMO DA ELETRÔNICA...120

6 100 Circuitos de Osciladores - 2 Apresentação Durante nossa longa carreira como escritor de artigos e livros técnicos, por diversas vezes abordamos o tema coletânea de circuitos, incluindo também informações. Assim, anteriormente, abordando este tema, publicamos as séries Circuitos e Informações (7 volumes) e Circuitos e Soluções (5 volumes) contendo centenas de circuitos úteis e informações técnicas de todos os tipos. As séries se esgotaram, o tempo passou, mas os leitores ainda nos cobram algo semelhante atualizado e que possa ser usado ainda em projetos de todos os tipos. De fato, circuitos básicos usando componentes discretos comuns, de transistores a circuitos integrados, são ainda amplamente usados como solução simples para problemas imediatos, parte de projetos mais avançados e até com finalidade didática atendendo à solicitação de um professor que necessita de uma aplicação para uma teoria. Assim, voltamos agora com esta série, mas com uma estrutura diferenciada, novos projetos e nova abordagem. O diferencial na abordagem será dividir os diversos volumes da série por temas. Assim, no nosso primeiro volume tivemos circuitos de áudio, depois circuitos de fontes, no terceiro, circuitos osciladores, e neste vigésimo primeiro volume, uma segunda seleção de circuitos de osciladores. A primeira seleção está no volume 3 da série. Em nosso estoque de circuitos, coletados de uma grande variedade de fontes, já temos mais de 8000 deles, muitos dos quais podendo ser acessados de forma dispersa no site do autor. A vantagem de se ter estes circuitos organizados em volumes, além do acesso em qualquer parte, está na fácil localização de um circuito. As informações, por outro lado, será agregadas aos circuitos, com links internos, o que só é possível numa publicação digital. A maioria destes circuitos, colhidos em publicações que, em alguns casos, pode não ser muito atuais, recebe um tratamento especial com comentários, sugestões e atualizações que viabilizam sua execução mesmo em nossos dias. Enfim, com esta série, damos aos leitores a oportunidade de ter em seus tablets, Iphones, Ipads, PCs, notebooks e outras mídias uma fonte de consulta de grande importância tanto para seu trabalho, como para seus estudos ou simples como hobby. Newton C. Braga 6

7 Newton C. Braga Introdução Depois do sucesso do Banco de Circuitos no meu site e das coleções esgotadas de Circuitos e Informações e Circuitos e Soluções, levo aos meus leitores uma coletânea de circuitos selecionados de minha enorme coleção de documentos técnicos e livros. Durante minha vida toda colecionei praticamente todas as revistas técnicas de eletrônica estrangeiras, dos Estados Unidos, França, Espanha, Itália, Alemanha, Argentina e até mesmo do Japão, possuindo assim um enorme acervo técnico. Não posso reproduzir os artigos completos que descrevem os projetos que saem nessas revistas, por motivos ditados pela lei dos direitos autorais, mas a mesma lei permite que eu utilize uma figura do texto, com citação, comentando seu conteúdo para efeito de informação ou complementação de um conteúdo maior. É exatamente isto que faço na minha seção no site e também disponibilizo neste livro. Estou selecionando os principais circuitos destas publicações, verificando quais ainda podem ser montados em nossos dias, com a eventual indicação de componentes equivalentes, fazendo alterações que julgo necessárias e disponibilizando-os aos nossos leitores. Para o site já existem mais de 5000 circuitos, no momento que escrevo este livro, mas a quantidade aumenta dia a dia. Acesse o site, que ele poderá lhe ajudar a encontrar aquela configuração que você precisa para seu projeto. Os 100 circuitos selecionados para esta edição da série são apenas uma pequena amostra do que você vai encontrar no site. Para esta edição escolhemos uma remessa com 100 circuitos de de osciladores já que a primeira remessa, no volume 3, não conseguiu abrenger tudo que temos em nosso estoque. Newton C. Braga 7

8 100 Circuitos de Osciladores - 2 Volumes Anteriores: Volume Circuitos de áudio Volume Circuitos de fontes Volume Circuitos osciladores Volume Circuitos de potência Volume Circuitos com LEDs Volume Circuitos de rádios e transmissores Volume Circuitos de Filtros Volume Circuitos de Alarmes e Sensores Volume Circuitos de Testes e Instrumentação Volume Circuitos de Tempo Volume Circuitos com Operacionais Volume Circuitos de Áudio 2 Volume Circuitos com FETs Volume Circuitos Diversos Volume Circuitos com LEDs e Displays Volume Circuitos de Potência 2 Volume Circuitos Automotivos Volume Circuitos de Efeitos de Luz e Som Volume Circuitos Fotoelétricos Volume Circuitos de Fontes 2 - Como Testar Componentes em quatro volumes - Como Fazer Montagens - Os segredos no Uso do Multímetro 8

9 Newton C. Braga 1- Oscilador Modulado O oscilador retangular apresentado na figura faz uso de uma das quatro portas NAND de um circuito integrado 4093 e se caracteriza por poder ser modulado em frequência. Um sinal aplicado à comporta do transistor de efeito de campo BF245 (FET) altera a resistência do circuito de carga e descarga do capacitor que determina a frequência do sinal produzido. O circuito pode gerar sinais que vão desde alguns hertz até perto de 4 MHz com alimentação de 10 volts. O sinal modulador pode variar de -1 a +6 V de amplitude. O resistor de 10 k ohms pode ser alterado em função da profundidade e da faixa de modulação desejada. A alimentação para o circuito pode ser feita com tensões de 3 a 15 volts e o sinal gerado tem forma de onda retangular. 9

10 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de 100 khz za 1 MHz Este circuito pode gerar sinais de 100 khz a 1 MHz dependendo da bobina L1. Para a faixa de ondas médias ela deve ter de 80 a 100 espiras de fio 28 ou 30 AWG num bastão de ferrite com tomada central. Para frequências mais baixas, aumente o número de espiras. O circuito funciona como um transmissor de CM ligando-se o manipulador no ponto indicado. O alcance como transmissor pode ser aumentado ligando-se uma antena ao coletor do transistor. CV é um capacitor variável obtido de um rádio transistorizado AM fora de uso. 10

11 Newton C. Braga 3- Oscilador de 1 khz Este circuito foi encontrado numa publicação argentina de Ele utiliza uma bobina de AM comum ( espiras de fio 28 AWG) para gerar um sinal de aproximadamente 1 KHz. A frequência exata pode ser obtida deslocando-se a bobina sobre o bastão de ferrite. O transistor pode ser um equivalente moderno como o BC548. A alimentação pode ser feita com tensões de 9 a 12 V. O sinal gerado é senoidal. O sinal pode ser retirado do coletor do transistor ou de uma segunda bobina acoplada à bobina osciladora. 11

12 100 Circuitos de Osciladores Astável com Transistor PNP Este astável para a faixa de áudio pode ser usado como injetor de sinais ou alarme. O circuito é de uma publicação dos anos 1970, utilizando transistores de germânio da época. O circuito funcionará com transistores PNP atuais, como o BC558 e alimentação de 6 a 9 V. Os capacitores determinam a frequência de operação, podendo ser alterados. Para reprodução sonora pode ser usada uma cápsula piezoelétrica. Os capacitores podem ter valores comerciais atuais. 12

13 Newton C. Braga 5- Oscilador de 1 khz (2) Este circuito faz uso de transistor de germânio, mas pode ser montado com um transistor de silício como o BC558 e até um BC58 se invertermos a polaridade da alimentação. O transformador é um driver para transistores. O circuito pode ser alimentado por duas ou quatro pilhas. O circuito é de uma antiga publicação argentina dos anos 70. O capacitor de.1 é na verdade 100 nf. 13

14 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de Dois Transistores Esta configuração é bastante tradicional, aparecendo em diversas publicações do mundo inteiro. Esta é de uma publicação americana de 1978 com transistores da Raytheon que não mais existem. Podemos usar para T1 o BC548 e para T2 o BC558. A alimentação pode ser feita com tensões de 3 a 6 V e R1 pode ser um potenciômetro atual de 470 k. C1 determina o som, podendo ser reduzido para um som mais agudo. Valores entre 47 nf a 15 uf podem ser usados. 14

15 Newton C. Braga 7- Oscilador Modulado 4093 O oscilador retangular apresentado faz uso de uma das quatro portas NAND de um circuito integrado 4093 e se caracteriza por poder ser modulado em frequência. Um sinal aplicado à comporta do transistor de efeito de campo BF245 (FET) altera a resistência do circuito de carga e descarga do capacitor que determina a frequência do sinal produzido. O circuito pode gerar sinais que vão desde alguns hertz até perto de 4 MHz com alimentação de 10 volts. O sinal modulador pode variar de -1 a +6 V de amplitude. O resistor de 10 k ohms pode ser alterado em função da profundidade e da faixa de modulação desejada.a alimentação para o circuito pode ser feita com tensões de 3 a 15 volts e o sinal gerado tem forma de onda retangular. 15

16 100 Circuitos de Osciladores Astável com Transistores Este circuito gera um sinal retangular cuja frequência depende dos capacitores eletrolíticos. Esta frequência pode ser ajustada no potenciômetro de 47k ohms. Os transistores podem ser os BC558 e, com eles, diferentemente do original, o circuito funcionará com tensões de 9 a 12 V. O circuito é de uma publicação dos anos

17 Newton C. Braga 9- Oscilador Hartley de Áudio Este oscilador antigo aproveita um transformador de saída de rádio transistorizado da época. O capacitor de 2 uf (2,2 uf) em paralelo com o alto-falante pode ser reduzido para um tom mais agudo e o potenciômetro de ajuste pode ter valores maiores, até uns 47k. O transistor pode ser o BC548 e a alimentação feita com tensões a partir de 3 V. 17

18 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de Relaxação com Transistores Pulsos de curta duração podem ser obtidos com o oscilador de relaxação que faz uso de transistores comuns e é mostrado na figura. O circuito consta basicamente de uma chave regenerativa com transistores complementares e a sua frequência de operação depende tanto do resistor de 4,7 M ohms (que pode ser alterado) como do valor do capacitor C. A frequência máxima que este circuito pode gerar é da ordem de 100 khz. A tensão de alimentação deve ficar na faixa indicada para melhor funcionamento do circuito. Em muitas aplicações este circuito substitui os osciladores com relaxação que fazem uso de transistores unijunção. 18

19 Newton C. Braga 11 - Astável com o 4047 O circuito que mostramos na figura gera sinais retangulares de até 1 MHz com três tipos de saída, conforme indicado no próprio diagrama.nos pinos 10 e 11 temos sinais complementares com metade da frequência do sinal original que é obtido no pino 13. A frequência é dada pelos valores de Rx e Cx segundo fórmula que está no próprio diagrama. A alimentação do circuito pode ser feita com tensões de 3 a 15 volts. 19

20 100 Circuitos de Osciladores Oscilador Controlado 555 Podemos usar qualquer tipo de transdutor resistivo com resistência central na faixa de 10 k ohms a 1 M ohms no oscilador mostrado na figura cuja frequência máxima de saída está em torno de 100 khz.a saída é retangular com um ciclo ativo que depende da relação entre a resistência apresentada pelo transdutor e a resistência de 10 k ohms entre os pinos 7 e 6/2.Os sensores podem ser NTCs, PTCs, LDRs ou outros. O circuito pode ser usado como um conversor analógico/digital (resistência/ frequência) para sensoriamento remoto. 20

21 Newton C. Braga 13 - Oscilador Controlado 4093 Um oscilador que pode ter sua frequência controlada por um sensor resistivo é mostrado na figura. A base é uma das portas de um circuito integrado CMOS 4093 e a frequência depende tanto do valor do capacitor usado como da resistência do sensor usado. Esta resistência deve ficar na faixa de 10 k ohms a 1 M ohms para melhor estabilidade de funcionamento. A frequência máxima de operação do circuito está em torno de 4 MHz para uma tensão de alimentação de 10 volts. Uma característica importante deste circuito é que o sinal produzido tem um ciclo ativo de 50%. 21

22 100 Circuitos de Osciladores Gerador de Pulsos Variáveis A largura dos pulsos produzidos pelo oscilador da figura é determinada pelo valor de R1 que pode ficar entre 1k ohms e 100 k ohms. A separação dos pulsos é ajustada no trimpot de 1 M ohms. A frequência final do circuito assim como os parâmetros anteriores também dependem do capacitor C. A frequência máxima de operação deste circuito é da ordem de 4 MHz para uma alimentação de 10 volts. O circuito pode funcionar com tensões de alimentação de 3 a 15 volts. 22

23 Newton C. Braga 15 - Oscilador Retangular de 1 khz A base deste circuito é um dos quatro amplificadores Norton existente num circuito integrado LM3900. Os sinais gerados são retangulares numa frequência de 1 khz para os valores dos componentes indicados no diagrama da figura. O capacitor pode ter seu valor alterado para se obter outra frequência para o sinal, mas o limite superior não vai além de algumas centenas de quilohertz. A fonte de alimentação deve ser simétrica com tensões de 6 a 12 volts. 23

24 100 Circuitos de Osciladores Oscilador Pierce a Cristal Este oscilador tem sua frequência controlada por cristal e sua frequência pode ficar entre 100 khz e alguns megahertz. Conforme podemos ver pela figura, o circuito faz uso de um transistor de efeito de campo de junção. O choque de RF é de 1 mh e o transistor de efeito de campo admite equivalentes. A alimentação pode ser feita com tensões entre 9 e 16 volts. 24

25 Newton C. Braga 17 - VCO com o 4024 Na figura mostramos um circuito de oscilador controlado por tensão baseado em componente CMOS. A freqüência básica deste circuito depende do capacitor e a tensão de alimentação pode ficar tipicamente entre 6 e 15 V. Veja que valores menores de tensão de alimentação implicam numa faixa menor de freqüências, pois a tensão de controle não deve superar a tensão de alimentação. O sinal produzido é retangular com amplitude igual à tensão de alimentação e a freqüência máxima gerada não passará de alguns megahertz. Para os valores de componentes indicados com um capacitor de 1 nf a faixa de frequências com alimentação de 9 V e tensão de controle de 0 a 9 V vai de 1 a 3 MHz. 25

26 100 Circuitos de Osciladores VCO TTL com o O circuito integrado TTL consiste num monoestável que pode ser configurado para gerar sinais controlados por tensão, conforme mostra a figura. A freqüência máxima deste circuito pode chegar a algumas dezenas de megahertz e até mais se as subfamílias mais rápidas do forem usadas.neste circuito a tensão de controle varia entre 0 e 6 V (pode ser realmente um pouco mais do que os 5 V da alimentação) quando são obtidas freqüências conforme o gráfico da mesma figura.no caso, a freqüência variará entre 10 e 60 khz tipicamente, com sinais retangulares na saída.a amplitude dos sinais é igual à tensão usada na alimentação, no caso 5 V. Os diodos usados neste circuito são de uso geral como os 1N4148 ou equivalentes. 26

27 Newton C. Braga 27

28 100 Circuitos de Osciladores VCO de Alta Frequência com Transistor Na figura mostramos um VCO controlado por Varicap capaz de gerar sinais na faixa de alguns megahertz até mais de 200 MHz. Se bem que o controle da freqüência seja conseguido quando se usa um varicap como o BNB809, até mesmo um diodo comum como o 1N4002 funciona como tal, mas com uma faixa menor de atuação. A bobina, C2 e C3 dependem da frequência central gerada conforme a seguinte tabela: Faixa de Freqüências 1 a 4 MHz 4 a 10 MHz 10 a 50 MHz 50 a 100 MHz 100 a 150 MHz L1 40 espiras 12 espiras 8 espiras 6 espiras 3 espiras C2 100 pf 47 pf 22 pf 10 pf 4,7 pf C3 220 pf 100 pf 27 pf 10 pf 4,7 pf A bobina é enrolada com fio 28 AWG em forma de 1 cm sem núcleo. Observamos que os valores da tabela são aproximados podendo ser necessárias alterações em função das tolerâncias. O transistor também admite equivalente como o 2N2218 e 2N2222 para se obter uma potência um pouco maior para o sinal. Esse sinal pode ser retirado tanto do coletor do transistor como de uma segunda bobina enrolada sobre L1. O número de espiras dessa bobina depende da impedância desejada, mas em geral ficará entre metade e um quarto das espiras de L1. Os capacitores devem ser todos cerâmicos. 28

29 Newton C. Braga 20 - VCO com Comparador de Tensão Uma configuração utilizando três dos quatro comparadores de tensão existentes no LM339 é mostrada na figura e é sugerida pela National Semiconductor. Este circuito gera sinais de 700 Hz a 100 khz, quando a tensão de controle (Vc) varia entre 250 mv e 50 V. O circuito também possui duas saídas nas quais são obtidos sinais retangulares e triangulares. Observe a necessidade de uma polarização de V/2 em dois pontos do circuito. Essa polarização pode ser obtida com um divisor resistivo formado por dois resistores de 10 k ohms ligados em série. 29

30 100 Circuitos de Osciladores VCO com Operacional O circuito mostrado na figura utiliza dois dos quatro amplificadores operacionais encontrados no circuito integrado LM324. A maioria dos amplificadores operacionais comuns pode ser usada na mesma configuração, dependendo de suas características apenas o limite da faixa de freqüências geradas. A freqüência central do circuito é dada pelo capacitor e o transistor usado pode ser qualquer um de uso geral como o BC548. A tensão de controle pode variar entre 0 e 50 V tipicamente, já que temos valores elevados de resistores na entrada e um circuito limitador. O circuito possui duas saídas nas quais são obtidos sinais triangulares e retangulares. A fonte de alimentação não precisa ser simétrica, mas deve ser observada a necessidade de uma tensão de polarização V/2 (metade da tensão de alimentação) na entrada positiva do segundo operacional. Essa tensão pode ser obtida com um divisor formado por dois resistores de 10 k ohms ligados em série. 30

31 Newton C. Braga 22 - VCO com Controle por Potenciômetro Na figura mostramos como agregar um potenciômetro de 100 k ohms para se implementar um oscilador controlado por esse componente. O sinal gerado por este circuito é retangular com amplitude igual à tensão usada na sua alimentação. O 4046 consiste num PLL CMOS não muito fácil de obter atualmente. 31

32 100 Circuitos de Osciladores VCO CMOS com o 4049 Uma versão simples de VCO CMOS usando inversores do 4049 é mostrada na figura. Este circuito pode ser alimentado com tensões entre 3 e 15 V sendo a freqüência gerada dependente do capacitor e do resistor. A tensão de controle deve ficar entre 0 e a tensão de alimentação. O sinal produzido é retangular e neste caso a amplitude do sinal é constante, igual à tensão de alimentação. Lembramos que este circuito não opera além de alguns megahertz. 32

33 Newton C. Braga 24 - VCO CMOS O princípio de funcionamento do VCO mostrado na figura é o de se controlar a frequência de oscilação pela tensão de alimentação. A diferença está apenas no fato de que são usados inversores disparadores de um circuito integrado Da mesma forma, tanto o resistor, como o capacitor, podem ser alterados em função da faixa de freqüências desejadas e a tensão de controle deve ficar entre 3 e 15 V. 33

34 100 Circuitos de Osciladores Oscilador XTAL com Comparador Freqüências até pouco mais de 100 khz podem ser obtidas com um oscilador baseado num dos quatro comparadores de tensão existentes no circuito integrado LM139/239 ou 339, conforme mostra a figura. A alimentação pode ser feita com tensões de 5 a 12 V e o sinal obtido na saída é retangular com um ciclo ativo de aproximadamente 50%. Os outros comparadores do mesmo circuito integrado podem ser usados em outras aplicações, já que são independentes. Observe a existência do resistor de pull-up necessário ao circuito já que sua saída é feita com um transistor com o coletor aberto. 34

35 Newton C. Braga 26 - Oscilador XTAL até 30 MHz O circuito mostrado na figura pode gerar sinais de boa intensidade até uma freqüência de 30 MHz, dependendo apenas do cristal usado e do circuito tanque de saída. O circuito formado por L1 e VC deve ser ressonante na freqüência de operação do circuito. Observamos que os transistores de efeito de campo de junção MPF102 e BF245 praticamente têm as mesmas características, mas sua pinagem é diferente. O sinal é retirado por 3 ou 4 espiras de uma bobina enrolada sobre L1. 35

36 100 Circuitos de Osciladores Oscilador XTAL com o 4001 A freqüência máxima do oscilador mostrado na figura 10 é da ordem de 5 MHz, dependendo da tensão de alimentação. Com tensões mais baixas, o circuito se torna mais lento e não consegue oscilar nas freqüências mais altas. Os 5 MHz são conseguidos com tensões acima de 9 V. Os capacitores são cerâmicos e como os circuitos integrados 4001 e 4011 possuem 4 portas, das quais apenas 3 são usadas, e sendo elas intercambiáveis, a pinagem não é dada. Os capacitores usados devem ser cerâmicos e o sinal obtido na saída deste circuito é retangular. 36

37 Newton C. Braga 28 - Oscilador XTAL para 27 MHz O oscilador mostrado na figura pode servir de base para circuitos de transceptores e walk-talkies operando na faixa dos 11 metros (27 MHz).O circuito ressonante formado pelo capacitor de 47 pf em paralelo com a bobina é importante para se obter a máxima intensidade de sinal para a saída. A bobina consiste em 6 espiras de fio 28 em forma de 0,5 cm. Pode-se usar uma bobina com núcleo ajustável ou então substituir o capacitor por um trimmer que varra a faixa de 5 a 50 pf. Os demais capacitores do circuito devem ser cerâmicos e os transistores admitem equivalentes como o 2N

38 100 Circuitos de Osciladores Oscilador XTAL com o 4060 O circuito integrado CMOS 4060 consiste num contador divisor de freqüências com elementos internos já incorporados para a elaboração de um oscilador externo tanto do tipo RC como controlado a cristal. Na figura mostramos como implementar um o oscilador a cristal com freqüências até uns 4 MHz usando este componente. Observamos que a freqüência máxima depende da tensão de alimentação, assim os 4 MHz só serão alcançados com alimentação superior a 9 V. O trimmer ajusta o ponto ideal de oscilação de modo que o circuito seja inicializado ao se ligar a alimentação. Isso é conseguido compensando-se as capacitâncias internas do cristal. Lembramos que o sinal obtido na saída deste circuito é retangular. 38

39 Newton C. Braga 30 - Oscilador XTAL até 65 MHz Com o circuito mostrado na figura é possível gerar sinais até 65 MHz. Os valores de L e de C1 dependem da faixa de freqüências do sinal a ser gerado, conforme a seguinte tabela: Faixa de Freqüências 15 a 25 MHz 25 a 50 MHz 50 a 65 MHz C1 100 pf 56 pf 27 pf L 12 espiras 8 espiras 8 espiras As bobinas são enroladas em formas de 0,5 cm. Os capacitores são cerâmicos e o transistor pode ser qualquer tipo NPN de RF como o BF494, BF495 ou 2N2222. A alimentação pode ser feita com tensões entre 9 e 12 V e pequenas alterações nos valores dos capacitores podem ser necessárias para compensar as tolerâncias dos componentes. 39

40 100 Circuitos de Osciladores Oscilador XTAL até 110 MHz Com o circuito mostrado na figura é possível gerar sinais até uma freqüência de 110 MHz. A bobina L tem seu valor dependendo da faixa de freqüências em que vai operar o oscilador, segundo a seguinte tabela: Faixa de Freqüências 60 a 85 MHz 85 a 110 MHz L 7 espiras de fio 28 em forma de 0,5 cm 4 espiras de fio 28 em forma de o,5 cm Os capacitores são cerâmicos e o resistor em paralelo com o cristal tem valores que dependem da freqüência. Para a faixa de 60 a 85 MHz ele deve ser aumentado para 3k3 ohms ou mesmo 4k7 ohms. Transistores equivalentes ao BF494 como o BF495 e mesmo 2N2222 podem ser usados neste circuito. 40

41 Newton C. Braga 32 - Oscilador XTAL até 3 MHz A freqüência máxima do oscilador mostrado na figura está em torno de 3 MHz. O trimmer ajusta o melhor ponto de oscilação de modo a compensar as capacitâncias internas do próprio cristal. O circuito deve ser alimentado com tensões de 6 a 12 V e todos os capacitores devem ser cerâmicos. Em função da freqüência do cristal os capacitores de 220 pf devem ter seu valor alterado de modo a se obter melhor realimentação. Esses componentes devem ter seus valores aumentados proporcionalmente com freqüências menores. 41

42 100 Circuitos de Osciladores Oscilador XTAL até 500 khz O oscilador mostrado na figura pode gerar sinais até 500 khz e tem boa estabilidade. A bobina L consta de 8 espiras de fio 28 em uma forma de 0,5 cm sem núcleo. Os capacitores devem ser cerâmicos e há uma tolerância tanto na faixa de tensões de alimentação como nos valores dos componentes. Experiências podem ser feitas com os componentes de polarização e mesmo com os capacitores cerâmicos de 560 pf e 1n2 no sentido de se encontrar a combinação que dê melhores resultados com o cristal usado. 42

43 Newton C. Braga 34 - Oscilador XTAL até 100 khz O circuito mostrado na figura usa transistores NPN de uso geral e pode ser usado para gerar sinais até 100 khz. Os capacitores devem ser cerâmicos e eventualmente o capacitor de realimentação de 10 pf precisará ser alterado para compensar as tolerâncias dos componentes usados. A alimentação pode ser feita com tensões de 6 a 12 V, sendo o valor recomendado para os valores usados dos componentes, 9 V. 43

44 100 Circuitos de Osciladores Oscilador com MOSFET de Dupla Comporta O circuito mostrado na figura se caracteriza pela estabilidade e pelo uso de um componente comum. Esse circuito é capaz de gerar sinais na faixa de 100 khz a 500 khz dependendo apenas do cristal usado. Os valores dos componentes são para uma alimentação de 12 V com o transistor indicado, originalmente fabricado pela RCA. Equivalentes de dupla comporta podem ser experimentados com eventuais alterações nos componentes de polarização. Alterações no resistor de 100 ohms, em série com a alimentação, permitem usar fontes com outras tensões. Lembramos que a corrente drenada pela etapa é da ordem de 8 ma. Isso permite calcular a queda de tensão no resistor. 44

45 Newton C. Braga 36 - Oscilador de Alta Potência Um único transistor de alta potência MJ15003 é usado no circuito da figura para gerar sinais intensos na faixa de 30 khz a 1 MHz, dependendo apenas da bobina L1 e do ajuste de CV. O transistor deve ser montado em excelente dissipador de calor e fonte de alimentação deve ser capaz de fornecer uma corrente de pelo menos 3 A. O resistor de polarização, dependendo da aplicação, para maior rendimento precisa ter seu valor experimentado na faixa de 470 ohms a 1,5 k ohms tipicamente. O capacitor C2 pode ser fixo o variável. Para as diversas faixas de freqüências que o circuito pode gerar damos as características de L1 e os valores aproximados de C2 na seguinte tabela: Faixa de Freqüências 50 a 200 khz 200 khz a 500 khz 500 khz a 1 MHz C2 10 nf 2,2 nf 1 nf L espiras espiras espiras A bobina é enrolada num bastão de ferrite de 0,8 a 1 cm de diâmetro e de 10 a 15 cm de comprimento. Os valores da tabela não são exatos, já que, devido à tolerâncias dos componentes e capacitâncias/indutâncias parasitas na montagem, podem ser necessárias compensações. Transistores de menor potência como o BD135 ou TIP31 podem funcionar neste circuito, com aumento do resistor R1, gerando sinais que alcançam frequências maiores, chegando aos 15 ou 20 MHz, conforme o caso. Para a faixa de 500 khz a 1 MHz, pode ser usado um capacitor variável de rádio AM para se ajustar a freqüência. 45

46 100 Circuitos de Osciladores

47 Newton C. Braga 37 - Oscilador de VHA A configuração mostrada na figura é uma das mais tradicionais quando se deseja produzir sinais na faixa que vai de 30 MHz a 800 MHz. A freqüência máxima que pode ser obtida deste circuito depende apenas do transistor usado e da bobina. A alimentação pode ser feita com tensões a partir de 6 V e o consumo da etapa osciladora é bastante baixa. Os capacitores usados devem ser todos cerâmicos. O capacitor C1, que proporciona a realimentação para manter as oscilações, depende da frequência. Assim, na tabela seguinte damos as características deste componente e da bobina para diversas faixas de freqüências. Faixa de Freqüências (MHz) L1/L2 10 espiras/4 espiras 7 espiras/3 espiras 4 espiras/2 espiras 2 espiras/1 espira 1 espira/1 espira ½ espira/1/2 espira C1 12 pf 6,8 pf 4,7 pf 2,2 pf 1 pf 0,5 pf Observamos que para que as freqüências mais altas sejam alcançadas o layout da placa é muito importante pois qualquer trilha mais longa representa indutância e capacitância adicional capaz de afetar o funcionamento do circuito. Transistores como os BF254, BF494, BF495 alcançam até os 200 MHz. Nesse circuito. Para freqüências maiores sugerimos o uso do BF579, BF689K ou BF979 que chegam facilmente aos 800 MHz. 47

48 100 Circuitos de Osciladores

49 Newton C. Braga Oscilador de Frequência Variável com Varicap 38 - A grande vantagem do circuito mostrado na figura está no fato de que sua freqüência é controlada por uma tensão contínua. Isso permite que o circuito seja usado em conjunto com conversores digitais para analógico (DAC) controlando-se a freqüência quer seja pela saída paralela de um PC como por um microprocessador. O varicap pode ser do tipo duplo como representado no diagrama ou, na sua falta, podem ser usados dois variacaps separados como os BB809 que são relativamente comuns no nosso mercado. A bobina, formada por 40 espiras de fio 28 num tubo de 1 cm de diâmetro leva o circuito a gerar sinais centralizados aproximadamente em 3,5 MHz. Os capacitores usados no circuito devem ser cerâmicos e o transistor de efeito de campo de junção (JFET) admite equivalente como o MPF102. O circuito pode gerar sinais de até algumas dezenas de megahertz bastando apenas alterar a bobina para a faixa desejada. A largura da faixa varrida depende basicamente das características do varicap usado. 49

50 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de Frequência Variável O Variable Frequency Oscillator (VFO) ou Oscilador de Frequência Variável mostrado na figura pode gerar sinais numa faixa de freqüências determinada pela bobina e pelo variável. Para freqüências entre 1 e 5 MHz, por exemplo, o variável pode ser do tipo comum encontrado em receptores de ondas médias e a bobina formada por espiras de fio 28 AWG num bastão de ferrite de 0,8 a 1,0 cm de diâmetro e 12 a 15 cm de comprimento. O circuito pode gerar sinais até perto de 30 MHz, dependendo apenas dos valores dos componentes usados no circuito ressonante. Os capacitores devem ser cerâmicos e o transistor de efeito de campo de junção (JFET) admite equivalentes. 50

51 Newton C. Braga 40 - Oscilador de Sobretom Na figura mostramos uma configuração para um oscilador de sobretom controlado por cristal usando um transistor de efeito de campo de junção. A frequência deste oscilador, que depende do cristal, pode ficar entre 100 khz e 10 MHz tipicamente. Os capacitores devem ser cerâmicos e o transistor de efeito de campo admite equivalente como o MPF

52 100 Circuitos de Osciladores Gerador de Ondas Quadradas Este circuito foi obtido numa publicação argentina antiga, usando transistores de germânio e diodos também de germânio. O circuito pode ser adaptado para operar com transistores de silício de uso geral como os BC548 e BC558 para isso com eventuais alterações dos resistores R5 e R6. O circuito é alimentado por tensão de 6 a 9 V senoidal que é convertida em quadrada. A frequência máxima é da ordem de alguns quilohertz. O circuito opera como um disparador. 52

53 Newton C. Braga 42 - Oscilador de 100 MHz Encontramos este circuito numa antiga publicação argentina da década de O transistor pode ser o BC558 e para melhor desempenho, podemos usar o BF494, invertendo a alimentação, já que este transistor é NPN. L2 consiste em 4 espiras de fio 26 ou 28 em forma de 1 cm sem núcleo e a tomada é feita na primeira ou segunda espira. L1 é um choque de 100 uh. 53

54 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de Potência para 100 khz Com este oscilador podemos obter um sinal de 10 W de potência na frequência de 100 khz, O circuito é de uma antiga publicação argentina, podendo ser implementado com um transistor mais moderno como o 2N3055, montado num radiador de calor. A bobina consta de 19 espiras de fio 10 AWG com diâmetro de 0,88 polegadas e secundário de 5 espiras de fio 22. O secundário é o enrolamento ligado a R1 e C1. 54

55 Newton C. Braga 44 - Gerador de Pulsos Aleatórios Este circuito pode ser usado com a uma Roleta TTL, ou outros circuitos de jogos que devam sortear alguma coisa a partir de um número aleatório de pulsos. O transistor unijunção pode ser o 2N2646 e o bipolar um BC558. Para tecnologia CMOS, o circuito pode ser alimentado com tensões até 12 V. O capacitor C1 determina o tempo que o circuito oscila depois que S1 é solto. 55

56 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de Duas Frequências Na figura mostramos como usar o NE567 como um oscilador de duas freqüências. Na saída temos um sinal com a freqüência fundamental gerada conforme os valores dos componentes usados. No pino 3 temos um sinal com a metade da freqüência.os sinais gerados são retangulares com um ciclo ativo de 50%. 56

57 Newton C. Braga 46 - Oscilador TTL com o 7414 O circuito mostrado na figura tem basicamente a uma configuração do que faz uso de um inversor TTL que permite alcançar algumas dezenas de megahertz utilizando dispositivos da subfamília LS. A fórmula que relaciona os valores dos diversos componentes do circuito com a frequência é dada junto ao diagrama. As tensões T+ e T- são as dos pontos de disparo na subida e descida da tensão, já que se trata de um dispositivo disparador. O circuito integrado usado pode ser o 7414 e a alimentação deve ser feita com 5 volts. 57

58 100 Circuitos de Osciladores Gerador Dente de Serra com PUT O circuito mostrado na figura 4 faz uso de um transistor programável unijunção do tipo BRY39 e gera sinais dente de serra cuja frequência depende do valor do capacitor usado e que pode chegar a algumas centenas de quilohertz. O ajuste da frequência do sinal gerado é feito no trimpot que atua sobre a base de Q1 que, por sua vez, funciona como uma fonte de corrente constante para garantir uma carga linear do capacitor. A tensão de alimentação pode ficar entre 9 e 12 volts. 58

59 Newton C. Braga 48 - Oscilador Retangular de 100 ma Um oscilador retangular que pode controlar cargas até 100 ma é mostrado na figura. Esse circuito possui uma entrada de controle externo da frequência por tensão, permitindo sua utilização como um VCO (Voltage Controlled Oscillator). A faixa de freqüências que o circuito pode varrer com o controle externo é da ordem de 6%. A alimentação vai de 5 a 10 V. 59

60 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de Potência de 1 MHz Este circuito é sugerido pela National Semiconductor e se baseia num transistor de potência incrementado que é o LM195. O circuito é mostrado na figura. Este transistor possui uma corrente máxima de saída de 1 A e na verdade consiste num Darlington com diversos circuitos de apoio e que pode ser excitado com uma corrente de base de apenas 3 ua. O transistor em questão possui um tempo de comutação de 500 ns e uma tensão de 2,0 V de saturação. A sua base pode ser excitada por tensões de até 40 volts sem problemas. Nesta aplicação temos um oscilador RC. O invólucro do transistor é TO-3, mas existe um equivalente em invólucro TO-220 que é o LM395T. Nos dois casos, o transistor deve ser montado num radiador de calor. 60

61 Newton C. Braga 50 - Oscilador de 3 a 30 MHz A bobina do oscilador mostrado na figura pode ter de 14 a 40 espiras com tomada na metade do enrolamento. Esta bobina é enrolada com fio 28 AWG em núcleo de ferrite de aproximadamente 1 cm de diâmetro. O capacitor variável pode ter valores na faixa de 80 a 220 pf e o sinal pode ser retirado do coletor do transistor ou de uma segunda bobina enrolada junto com L1. 61

62 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de 3 Tons De um antigo manual de transistores unijunção, este oscilador gera tons diferentes quando os interruptores de pressão são acionados. O transistor pode ser o 2N2646 e o alto-falante pode ter impedâncias a partir de 4 ohms. Os resistores que determinam os tons podem ser alterados e R5 é opcional. A alimentação pode ser feita com tensões de 9 a 25 V. 62

63 Newton C. Braga 52 - Oscilador de Relaxação com o 741 Este circuito pode gerar sinais na faixa de áudio entre fração de hertz até aproximadamente uns 10 khz sem problemas. Podemos usá-lo como base para geradores de sinais ou instrumentos musicais simples ou mesmo em alarmes. Na figura temos a configuração usada tendo por base um amplificador operacional do tipo 741. A frequência depende basicamente de P1, R1 e do capacitor C que pode assumir os valores indicados no diagrama. P1 controla a frequência enquanto que P2 controla a simetria do sinal pela fixação da tensão de referência no pino 3 do amplificador operacional. A finalidade do potenciômetro P3 é controlar a intensidade do sinal de saída, podendo este componente ser eliminado do circuito conforme sua aplicação. Lembramos que o sinal de saída é de baixa potência com uma impedância de aproximadamente 50 ohms. Também é possível usar uma etapa amplificadora de potência neste caso de modo a excitar cargas como alto-falantes. 63

64 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de Potência com o 741 Este circuito é basicamente a mesma configuração anterior com uma etapa de potência com transistores complementares que permitem a excitação direta de um alto-falante de baixa impedância. Na figura temos o circuito completo deste oscilador que exige a utilização de uma fonte simétrica na sua alimentação. A frequência depende do capacitor de 100 nf e é controlada pelo potenciômetro de 100 k ohms. O capacitor pode ser alterado conforme a faixa de frequências que se pretende gerar. Os transistores de potência devem ser montados em radiadores de calor. Estes radiadores devem ser tanto maiores quanto maior for a tensão usada na alimentação. 64

65 Newton C. Braga 54 - Oscilador de Duplo T com o 741 Osciladores de duplo T podem ser usados para produzir sinais senoidais na faixa de áudio com bom desempenho. O circuito apresentado na figura é um exemplo de oscilador de duplo T para a faixa de áudio usando um amplificador operacional do tipo 741. Os componentes do duplo T determinam a frequência de operação do oscilador enquanto que o potenciômetro de 100 k ohms no circuito de referência determina a simetria do sinal gerado e, portanto, sua distorção. Observe que a fonte de alimentação deve ser simétrica e que a saída é feita por meio de um capacitor de 1 uf. Dependendo da aplicação e da faixa de frequências este capacitor pode ser alterado ou mesmo eliminado. 65

66 100 Circuitos de Osciladores Oscilador XTAL de 500 khz a 30 MHz O circuito é o mostrado na figura faz uso de um transistor 2N2222 ou equivalente. Este circuito pode operar em frequências na faixa de 500 khz até algumas dezenas de Megahertz. Trata-se de um oscilador Colpitts em que a realimentação é feita por derivação capacitiva, com o sinal retirado do emissor do transistor e reaplicado à base. A alimentação do circuito é feita com uma tensão de 12 V e a potência de saída é da ordem de alguns miliwatts. Neste circuito, o cristal opera em sua frequência fundamental. 66

67 Newton C. Braga 56 - Oscilador de Sobretom com Cristal O circuito da figura opera em um sobretom da frequência do cristal, ou seja, na frequência fundamental ou ainda em harmônicas que correspondam a múltiplos ímpares da frequência fundamental como 3f, 5f, 7f, 3, etc. Observe que o circuito LC no dreno do transistor de efeito de campo deve ser sintonizado na frequência em que desejamos as oscilações. O transistor de efeito de campo pode ser de qualquer tipo que oscile na faixa de frequências desejadas. Este circuito opera em frequências de algumas centenas de megahertz. 67

68 100 Circuitos de Osciladores Oscilador Pierce com Cristal O circuito apresentado é um oscilador do tipo Pierce e também opera na frequência fundamental do cristal. Este circuito emprega um transistor de efeito de campo de junção como o BF245 e pode gerar sinais na faixa de algumas centenas de quilohertz até algumas dezenas de megahertz. Na figura mostramos o circuito que é alimentado com uma tensão de 12 V. O importante neste circuito é que o choque XRF tenha uma reatância elevada na frequência de operação. 68

69 Newton C. Braga 58 - Oscilador XTAL em Sobretom Para operar numa harmônica da frequência do cristal, sintonizada num trimmer no circuito ressonante de coletor do transistor, temos o circuito da figura. O transistor utilizado é o 2N2222 ou equivalente que possa oscilar na frequência desejada. A alimentação deste circuito também é feita com uma tensão de 12V. Alertamos que nestes circuitos osciladores de frequências elevadas, deve-se dar preferência ao uso de capacitores cerâmicos e até mesmo de mica nas funções mais críticas. 69

70 100 Circuitos de Osciladores Oscilador XTAL de 4 a 20 MHz O circuito da figura opera em frequências de 4 a 20 MHz e utiliza também um FET de junção comum como o BF244 ou BF245. A frequência de operação é a fundamental, e o choque de RF deve ter uma reatância elevada na frequência de operação do circuito. Para a faixa indicada, choques de 100 uf a 1 mh podem ser usados. A faixa de tensões de alimentação deste circuito pode variar entre 5 e 15 V quando então teremos um consumo típico de corrente da ordem de 6 ma. 70

71 Newton C. Braga 60 - Oscilador XTAL 7400 O oscilador da figura tem por base o conhecido 7400, sendo indicado para aplicações TTL com cristais de 500 khz a 10 MHz. Evidentemente, este circuito gera um sinal retangular e o ponto exato de funcionamento é ajustado no trimmer CV de modo que se obtenha um desvio de fase de 180 graus necessário a manutenção das oscilações. A alimentação deve ser feita com uma tensão de 5 V. 71

72 100 Circuitos de Osciladores Oscilador XTAL 7402 O circuito mostrado na figura usa um integrado 7402 que consiste em quatro portas NOR de duas entradas e pode operar com cristais de 500 khz a 10 MHz. Evidentemente, trata-se também de circuito TTL com um sinal retangular de saída e o ponto de funcionamento ajustado no trimmer. Com a utilização de circuitos integrados H (High Power) como o 74H00 ou 74H02, estes circuitos podem alcançar frequências de 40 MHz. Com frequências abaixo de 500 khz, o circuito pode oscilar, mas será instável. Os valores dos resistores que polarizam as entradas das portas nos dois circuitos podem ser modificados se for notada uma dificuldade para oscilação. 72

73 Newton C. Braga 62 - Oscilador XTAL 4001 Na figura temos uma configuração para integrados CMOS, no caso o 4001, com a frequência determinada pelo cristal. Neste circuito os valores de R e de C dependem da frequência do cristal. Eles devem ser escolhidos de tal modo que sua constante de tempo proporcione uma defasagem de 180 graus no sinal da frequência de oscilação. A alimentação pode ficar entre 5 e 15 V e a frequência máxima está em torno de 10 MHz. 73

74 100 Circuitos de Osciladores Gerador de Alta Frequência Econômico Osciladores de altas frequências podem ser necessários em diversos tipos de aplicações industriais e de consumo como por exemplo em instrumentação, bancada de testes e justes, etc. Também são importantes os osciladores deste tipo para reparar aparelhos de rádio AM ou FM, receivers, sintonizadores, intercomunicadores, e outros. Um gerador de sinais capaz de produzir sinais de altas frequências com boa intensidade é indispensável. O aparelho que descrevemos neste artigo produz um sinal de boa intensidade numa ampla faixa de frequências e é modulado com um tom de áudio, o que facilita bastante sua utilização que exigem sinais deste tipo. Se o leitor ainda não tem um gerador de sinais de pequeno porte ou mesmo um injetor de sinais, não pode perder esta oportunidade para contar a partir de agora com a ajuda deste tipo de equipamento. Por outro lado se precisam de um circuito estável para geração de altas frequências, esta configuração pode ser de grande utilidade.um processo simples, rápido e eficiente de se encontrar problemas em receptores de rádio AM e FM, intercomunicadores e outros equipamentos de comunicação, é aplicar na sua entrada um sinal de RF. Pela maneira como este sinal reproduzido no alto-falante (ou fone) podemos localizar os estágios defeituosos. Este mesmo sinal também pode ser útil para a realização de ajustes nas diversas etapas de equipamentos do mesmo tipo levando-o a um melhor desempenho. A bobina L1 consta de 200 voltas de fio esmaltado fino (28 a 32) num bastão de ferrite de 10 cm de comprimento com aproximadamente 1 cm de diâmetro. A bobina L2 consta de 30 espiras do mesmo fio, enrolada ao lado ou sobre L1. Os transistores admitem equivalentes, e os resistores são de 1/8W com 5% ou mais de tolerância. Os capacitores podem ser de poliéster ou cerâmicos. Para a alimentação podem ser usadas 2 pilhas pequenas em suporte apropriado. 74

75 Newton C. Braga 75

76 100 Circuitos de Osciladores Oscilador Dente de Serra Os sinais cuja forma de onda é do tipo dente-de-serra normalmente são gerados por osciladores de relaxação com transistores unijunção, PUTs (Transistores Programáveis Unijunção), SCRs e outros dispositivos semicondutores menos comuns. O circuito que descrevemos neste artigo opera com transistores comuns e sua frequência pode ser ajustada numa ampla faixa de valores. O circuito que descrevemos pode servir de base de tempo para um osciloscópio de baixa frequência, como gerador de tom para instrumentos musicais ou mesmo em conversores A/D usados em instrumentos digitais de medida.sua principal característica está no fato de usar transistores comuns e por isso não ser crítico e de fácil montagem. A frequência dos sinais gerados depende do capacitor C2 e é ajustada numa ampla faixa de valores por P1. Para os valores desses componentes indicados no diagrama, a frequência pode ser ajustada entre algumas dezenas de hertz até aproximadamente 10 khz.nalterações do capacitor C2 podem mudar esta faixa de operação. Características: Tensão de alimentação: 9 Vdc Corrente drenada típica: 5 ma Forma de onda do sinal gerado: dente-de-serra Faixa de frequências: 10 Hz a 100 khz 76

77 Newton C. Braga 77

78 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de Relaxação com SCR Este tipo de oscilador usa uma configuração fora do comum e pode ser usado como base de tempo, metrônomo ou ritmador. Metrônomos ou ritmadores são aparelhos que produzem sinais luminosos ou sonoros em intervalos regulares de modo a fixar o compasso de um exercício de ginástica, uma atividade física repetitiva ou mesmo da execução de uma música num instrumento qualquer. O circuito que propomos pode ser usado com as finalidades sugeridas e muitas outras, como por exemplo em sinalização. O ritmo da música executada por um aprendiz nem sempre é constante o que exige o emprego de aparelhos denominados metrônomos. O tipo mais simples é o de pêndulo que além do barulho (tic-tac) tem o balanço para servir de base para que o músico não saia do ritmo. Este mesmo tipo de metrônomo pode ser encontrado nos laboratórios de física experimental para a realização de experimentos que envolvam intervalos de tempo constantes. O circuito que propomos produz apenas o som, e com bom volume, servindo para estudantes de música, para o laboratório de física e também para ginástica. Neste aparelho temos um oscilador de relaxação diferente, com base numa lâmpada neon e um SCR, que produzem pulsos (estalos) de boa intensidade num alto-falante. A faixa de frequências vai de fração de hertz até alguns hertz. O aparelho é alimentado diretamente pela rede de energia de 110V ou 220V e tem excelente rendimento, levando-se em conta o pequeno número de componentes usados. O leitor tem as seguintes possibilidades de uso para este aparelho: Acompanhamento de música Fixação de ritmo para exercícios de ginástica ou dança Limitação de tempo por contagem de pulsos Experiências de física 78

79 Newton C. Braga Características: Tensão de alimentação: 110/220 VCA Consumo: 1 W (aprox.) Potência dos pulsos: 4 W (pico) Faixa de frequências: 0,05 a 10 Hz 79

80 100 Circuitos de Osciladores Astável 4001 O circuito mostrado na figura gera um sinal retangular cuja freqüência depende de C1. Para um capacitor de 1 nf a frequência gerada será da ordem de 1 khz mantidos os demais valores dos componentes do diagrama. Lembramos que a freqüência máxima recomendada para este circuito com uma alimentação de 10 V está em torno de 7 MHz. Veja que podemos obter saídas em oposição de fase, retirando os sinais das saídas das duas portas. 80

81 Newton C. Braga 67 - Astável de 500 Hz a 5 khz com o 4001 Um oscilador cuja frequência pode ser ajustada entre 500 Hz e 5 khz com o uso de um potenciômetro, é mostrado na figura. Outras faixas de freqüência podem ser obtidas com a troca do capacitor C1. Valores maiores implicam em frequências mais baixas. O sinal produzido por este oscilador é retangular com amplitude igual à da tensão da fonte de alimentação. A tensão da alimentação pode ficar entre 5 e 15 V. 81

82 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de 1 khz com o 4001 O oscilador mostrado na figura gera um tom de 1 khz que é reproduzido no alto-falante com boa potência. Para alimentações até 6 V o transistor pode ser o BC558, mas para tensões maiores, dada a potência desenvolvida recomenda-se o BD136 ou TIP32, os quais devem ser montados em radiadores de calor. A frequência do circuito pode ser alterada pela troca de valores de R2. Valores entre 100 k e 1 M ohms podem ser experimentados. O capacitor C1 também pode ser alterado para que sejam obtidos tons de outras freqüências. Um tweeter piezoelétrico pode ser usado para se gerar ultrassons na faixa de 18 a 25 khz com as devidas alterações de R2 e C1. 82

83 Newton C. Braga 69 - Oscilador Ponte de Wien Na figura temos um circuito oscilador por Ponte de Wien (Wien Bridge Oscillator). A frequência do sinal gerado é calculada pela seguinte equação: Quando ω = 2πfc = 1/RC a realimentação está em fase (feedback positivo) e o ganho é 1/3, o que significa que o circuito requer um amplificador com ganho 3. Quando Rf = 2RC o ganho do amplificador é 3 e a oscilação ocorre numa frequência f = 2πRC. O circuito mostrado na figura oscila numa frequência de 1,65 khz tanto quanto 1,59 khz com os componentes mostrados. 83

84 100 Circuitos de Osciladores Oscilador Senoidal Ponte de Wien A figura mostra um circuito Ponte de Wien com realimentação não linear. A resistência da lâmpada RL é selecionada para ter um valor nominal equivalente a metade da resistência de feedback Rf. Com isso a lâmpada atua como um AGC, dada sua característica não linear de operação, mantendo a tensão de saída com pequenas variações. Alguns circuitos utilizam um diodo em lugar da lâmpada, como limitador. Os diodos reduzem a distorção fornecendo uma limitação suave para a tensão de saída. Um AGC deve ser usado quando nenhuma dessas técnicas permite um controle automático de ganho. 84

85 Newton C. Braga 71 - Oscilador Ponte de Wien com AGC Na figura temos um oscilador típico de Ponte de Wien com AGC. A forma de onda negativa é amostrada por D1 e armazenada em C1. R1 e R2 devem ser escolhidos para centralizar a polarização de Q1 de tal forma que (RG + Rqq1) = Rf/2 na tensão desejada de saída. Quando a tensão de saída se desloca para um valor mais alto, Q1 aumenta sua resistência reduzindo com isso o ganho. No oscilador que mostramos na figura, a fonte de 0,833 é aplicada a entrada positiva do amplificador operacional de modo a centralizar a tensão quiescente de saída em Vcc/2 = 2,5 V. 85

86 100 Circuitos de Osciladores Oscilador Por Deslocamento de Fase Um oscilador de deslocamento de fase pode ser elaborado com apenas um amplificador operacional, conforme mostra a figura.é normal assumir que as diferentes seções de deslocamento de fase são independentes.assim, podemos escrever a seguinte equação para o circuito: O deslocamento de fase para o loop completo é de -180 graus, já que o deslocamento de cada um dos três ramos é de 60 graus.isso vai ocorrer quando ω = 2πf = 1,732/RC porque a tangente de 60 graus vale 1,73. O valor de ω neste ponto é (1/2)3, e com isso, o ganho de A deve ser igual a 8 para que o ganho do sistema seja igual a 1. A frequência de oscilação do circuito na figura com os valores dos componentes usados é de 3,76 khz, um pouco diferente da frequência calculada que foi de 2,76 khz. Também deve ser considerado que o ganho para dar início as oscilações deve ser 26, diferente do ganho calculado de 8. Estas discrepâncias são devidas parcialmente devido as variações de características dos componentes, mas o fator que mais contribui para isso é o fato de assumirmos que cada seção da rede RC não influi nas outras. Esta configuração foi muito popular quando os componentes para a elaboração de configurações mais complexas eram caros. 86

87 Newton C. Braga 87

88 100 Circuitos de Osciladores Oscilador Por Deslocamento de Fase (2) O circuito oscilador de deslocamento de fase bufferizado mostrado na figura oscila numa frequência de 2,9 khz, o que está mais próximo da frequência ideal calculada de 2,76 khz e ele consegue oscilar com um ganho de 8,33 o que está também bem próximo do valor calculado 8. Os buffers ou estágios amplificadores/isoladores evitam que as seções RC carreguem umas as outras e com isso o oscilador pode funcionar bem mais próximo dos valores de ganho e frequência calculados. O ganho, fixado pelo resistor Rc, carrega a terceira seção RC e se um quarto amplificador operacional, numa configuração com 4 deles, bufferizar esta seção, a performance se torna ideal. Sinais senoidais com baixa distorção podem ser obtidos da saída de cada amplificador, mas o melhor sinal estará na última seção RC. Este é um nodo de alta impedância, o que significa que o circuito excitado deve ter uma alta impedância para evitar carga e também um deslocamento da freqüência causado por eventuais variações dessa carga. 88

89 Newton C. Braga 74 - Oscilador em Quadratura O oscilador de quadratura é um outro tipo de oscilador de deslocamento de fase, onde cada uma das três seções é configurada para proporcionar um deslocamento de fase de 90 graus. As saídas são rotuladas se seno e cosseno porque estão com uma defasagem de 90 graus, conforme mostra a figura. O ganho desta configuração é calculado pela fórmula seguinte: Quando R1C1 = R2C2 = R3C3 a equação pode ser reduzida para a seguinte forma: Quando = 1/RC a equação fica reduzida à: graus, o que quer dizer que a oscilação ocorre quando = 1/RC. O circuito usado como teste oscilou em 1,65 khz, um valor um pouco diferente dos 1,59 khz calculados, e a discrepância foi atribuída às variações de valores dos componentes. 89

90 100 Circuitos de Osciladores

91 Newton C. Braga 75 - Oscilador de Bubba O oscilador de Bubba, mostrado na figura, é outro tipo de oscilador de deslocamento de fase, mas que tira vantagem dos amplificadores operacionais quádruplos que podem ser obtidos com facilidade hoje em dia. Quatro seções RC proporcionam defasagens de 45 graus por seção, com um excelente d /dt o que minimiza os desvios de frequência. As saídas são obtidas de seções alternadas com baixa impedância. Se as saídas forem obtidas de cada um dos amplificadores operacionais, os sinais terão 45 graus de defasagem. A equação de realimentação é dada a seguir: Quando = 1/RC a equação fica reduzida para as seguintes formulas: O ganho deve ser igual a 4 para que a oscilação ocorra. O circuito de teste oscilou em 1,76 khz, um valor um pouco diferente dos 1,72 khz quando o ganho foi 4,17. Com baixo ganho A, e uma baixa corrente de polarização, o resistor que fixa o ganho Rg, não carrega a última seção RC o que leva o circuito a ter maior precisão de frequência. Sinais senoidais com uma distorção muito pequena podem ser obtidos da junção de R e Rg. Quando sinais de baixa distorção são necessários em todas as saídas, o ganho deve ser distribuído entre todos os amplificadores 91

92 100 Circuitos de Osciladores - 2 operacionais. A entrada não inversora do amplificador de ganho é polarizada com 0,5 V de modo a fixar a tensão quiescente de saída em 2,5 V. A distribuição de ganho exige que as outras entradas dos demais amplificadores sejam polarizadas, mas isso não tem efeito sobre a frequência do oscilador. 92

93 Newton C. Braga 76 - Oscilador de Dupla Frequência O circuito apresentado na figura gera sinais retangulares com base em um amplificador operacional de transcondutância (Norton) do tipo LM3900, da National Semiconductor. Os valores dos componentes indicados para esta aplicação fazem-na gerar um sinal de 1 khz, mas eles podem ser alterados desde que não seja ultrapassado o limite do amplificador operacional, que é de algumas centenas de quilohertz. O circuito deve ser alimentado com fonte simétrica de 6 a 12 V, e os demais amplificadores operacionais do LM3900, que é quádruplo, podem ser aproveitados para outra finalidade. 93

94 100 Circuitos de Osciladores Gerador de Pulsos Aleatórios (2) Com o circuito da figura é possível gerar pulsos cuja duração é dada por R1 e separação ajustada no trimpot de 1 M ohms. O capacitor C pode ter valores entre 100 pf e1000 µf e a frequência máxima de operação para uma alimentação de 12 V é da ordem de 2 MHz. A alimentação pode ser feita com tensões de 5 a 12 V, e a forma de onda do sinal de saída é retangular. 94

95 Newton C. Braga 78 - Oscilador Controlado Por Temperatura O oscilador CMOS ilustrado na figura tem uma frequência que depende do sensor de temperatura, um NTC de valor nominal (à temperatura ambiente) entre 20 k ohms e 1 M ohms. O capacitor C de 1 nf a 1 µf determina a frequência na temperatura ambiente e a faixa de frequências que vai ser varrida quando o sensor tiver sua temperatura alterada. Para um sensor de 20 k ohms e um capacitor de 1 nf, a frequência na temperatura ambiente será da ordem de 1 MHz, que é o valor máximo recomendado para a aplicação. 95

96 100 Circuitos de Osciladores Oscilador de Potência O circuito exemplificado na figura é sugerido pela National Semiconductor e se baseia num transistor de potência incrementado, que é o LM195. Este transistor pode fornecer uma corrente máxima de saída de 1 A e na verdade consiste num Darlington com elementos adicionais. A corrente de excitação de base é de apenas 3 µa e ele possui um tempo de comutação de 500 ns com uma tensão de saturação de 2 V. A base pode ser excitada por tensões de 40 V, sem problemas. Nesta aplicação temos um oscilador de potência RC que opera numa frequência de 1 MHz. O invólucro do LM195 é TO-3, e um equivalente em TO-220 é o LM395T. 96

97 Newton C. Braga 80 - Astável com o 4047 No circuito da figura temos a produção de sinais retangulares de frequências de até aproximadamente 1 MHz.O oscilador em questão tem três saídas com características que podem ser interessantes para muitos projetos. Nos pinos 10 e 11 temos sinais retangulares de mesma frequência, mas com fases invertidas; enquanto que no pino 13 temos um sinal retangular com o dobro da frequência dos anteriores. A frequência de operação depende de Rx e Cx e pode ser calculada pela fórmula junto ao diagrama. Rx não deve ser menor que 1 k ohms. Este oscilador pode ser alimentado por tensões entre 3 e 15 V e a frequência máxima de operação, que depende desta tensão, fica em torno de 2 MHz para 12 V de alimentação. 97

98 100 Circuitos de Osciladores Gerador Triangular A National Semiconductor sugere o circuito da figura que utiliza dois amplificadores operacionais do tipo LM101. A forma de onda de saída é triangular, ajustada em forma pelo trimpot P1. No trimpot P2 de 150 k ohms ajusta-se a frequência do oscilador que também depende do capacitor C1. A frequência máxima de operação deste circuito está em torno de 1 MHz e a fonte de alimentação deve ser simétrica. 98

99 Newton C. Braga 82 - Oscilador UJT de Áudio O circuito, mostrado na figura, produz um tom de áudio de boa potência, cuja frequência é ajustada pelo potenciômetro de 470 k ohms. O alto-falante deve ser de pelo menos 5 W e uma das aplicações possíveis para este circuito é em sistemas de alarme. O resistor de 10 ohms pode eventualmente ser alterado em função da potência desejada. 99

100 100 Circuitos de Osciladores Oscilador Hartley com Transistor Bipolar Damos um circuito simples de oscilador Hartley usando um transistor bipolar e que pode gerar sinais na faixa de 1 MHz a 10 MHz com grande estabilidade. O circuito mostrado na figura tem L1 e CV elaborados de modo a determinar a faixa de freqüências de operação. Para uma operação entre 1 MHz e 3 MHz, L1 pode ser formada por espiras de fio 28 num bastão de ferrite de 0,8 cm de diâmetro e 12 cm de comprimento. Para maior estabilidade a fonte deve ser estabilizada, os capacitores cerâmicos e o transistor pode ser substituído por equivalentes. Numa aplicação mais crítica, o capacitor de acoplamento de saída deve ser de mica prateada. 100

101 Newton C. Braga 84 - Oscilador Collpits com Transistor O oscilador apresentado na figura pode gerar sinais entre 3 e 15 MHz aproximadamente, dependendo apenas da freqüência do cristal escolhido. No caso, a freqüência dada como exemplo foi de 7 MHz que corresponde a usada pelas transmissões de radioamadores nos 40 metros. O circuito ressonante no coletor do transistor permite selecionar a saída de modo que harmônicas apenas sejam usadas pelo circuito externo. Os capacitores devem ser cerâmicos e a alimentação deve ser feita por fonte estabilidade. No divisor capacitivo do oscilador onde encontramos os capacitores de 25 pf e 100 pf, esses componentes, para maior estabilidade devem ser de mica prateada. Transistores equivalentes ao 2N2222A como os BF494 e BF254 podem ser usados sem problemas. 101

102 100 Circuitos de Osciladores Oscilador Ajustável a Cristal O circuito da figura apresenta uma característica que pode ser importante em muitos projetos que é de se poder alterar sua frequência numa certa faixa. Entretanto, a faixa em torno da frequência do cristal que se pode ajustar com estes circuitos é pequena. O transistor usado, mais uma vez é o 2N2222 e a tensão de alimentação é de 12 V. Este oscilador é do tipo Colpitts e o ajuste de frequência é feito no trimmer em série com o cristal. A faixa de frequências vai de 500 khz a 20 MHz. Para frequências abaixo de 4 MHz o capacitor C2 deve ter seu valor aumentado. 102

103 Newton C. Braga 86 - Oscilador Ajustável a Cristal (2) Outra configuração de oscilador que pode ser ajustado levemente por meio de um capacitor (Cfb) que pode estar em torno de 100 pf para frequências entre 3,5 e 20 MHz, é mostrada na figura (Veja o circuito anterior).trata-se de um oscilador Pierce com um transistor de efeito de campo de junção como o BF2456 ou qualquer equivalente que opere na frequência desejada. A alimentação do circuito é feita com 12 V e o consumo é da ordem de alguns miliampères. 103

104 100 Circuitos de Osciladores Oscilador a Cristal Harmônico Para uma oscilação numa frequência harmônica daquela do cristal usado, com a possibilidade de variações numa faixa estreita temos o interessante circuito da figura com base num transistor de efeito de campo de junção. Este circuito também deve operar satisfatoriamente com cristais na faixa de 3,5 a 20 MHz, e o capacitor C2 deve fazer juntamente com L1 a sintonia na frequência da harmônica que se desejar na saída. O circuito deve ser alimentado com 9 V de uma tensão estabilizada e os capacitores de 25 e 100 pf do divisor capacitivo de realimentação eventualmente devem ser alterados conforme a frequência específica de operação, principalmente no caso de frequências mais baixas quando valores maiores devem ser usados no sentido de manter o nível dessa realimentação. 104

105 Newton C. Braga 88 - Oscilador Ajustável a Cristal (3) Ainda para um oscilador que pode ter sua frequência ajustada numa faixa estreita de valores, temos o circuito com transistor de efeito de campo da figura. Este circuito opera no terceiro sobretom do cristal, em frequências de até 50 MHz. Veja que existem duas possibilidades de se fazer a conexão do cristal no sentido de manter a frequência de oscilação nos valores desejados. 105

106 100 Circuitos de Osciladores VXO VXO é a sigla para oscilador de frequência variável a cristal. Na figura temos um circuito de VXO empregando um FET de junção. Este circuito pode fornecer uma variação de 5 khz numa frequência de 7 MHz. Este circuito deve ser alimentado por uma tensão estabilizada de 9 V e a sintonia é feita pelo indutor variável XL. 106

107 Newton C. Braga 90 - VXO com Grande Faixa de Variação VXO é a sigla para oscilador a cristal de frequência variável. A maioria dos circuitos deste tipo tem uma faixa estreita de ajuste. No entanto, um circuito de VXO de maior faixa de variação é mostrado na figura. Neste circuito temos uma faixa de variações de 15 khz na frequência de 7 MHz. Para isso, XL deve ter sua reatância fixada de tal forma a se obter o máximo de deslocamento de frequência quando C1 for sintonizado na faixa de operação do circuito. 107

108 100 Circuitos de Osciladores VCO Oscilador Controlado Por Tensão Este VCO converte tensões contínuas em frequências. Neste circuito, os dois diodos zener, que devem ser iguais fixam o ponto de operação do comparador de tensão. A desvantagem principal deste circuito está na incapacidade dos diodos zener operarem com tensões inferiores a 1 V. 108

109 Newton C. Braga 92 - Oscilador Hartley com Transistor Damos um circuito simples de oscilador Hartley usando um transistor bipolar e que pode gerar sinais na faixa de 1 MHz a 10 MHz com grande estabilidade. O circuito mostrado na figura tem L1 e CV elaborados de modo a determinar a faixa de freqüências de operação. Para uma operação entre 1 MHz e 3 MHz, L1 pode ser formada por espiras de fio 28 num bastão de ferrite de 0,8 cm de diâmetro e 12 cm de comprimento. Para maior estabilidade a fonte deve ser estabilizada, os capacitores cerâmicos e o transistor pode ser substituído por equivalentes. Numa aplicação mais crítica, o capacitor de acoplamento de saída deve ser de mica prateada. 109

110 100 Circuitos de Osciladores Oscilador com MOSFET de Dupla Comporta O circuito mostrado na figura se caracteriza pela estabilidade e pelo uso de um componente comum. Esse circuito é capaz de gerar sinais na faixa de 100 khz a 500 khz dependendo apenas do cristal usado. Os valores dos componentes são para uma alimentação de 12 V com o transistor indicado, originalmente fabricado pela RCA. Equivalentes de dupla comporta podem ser experimentados com eventuais alterações nos componentes de polarização. Alterações no resistor de 100 ohms, em série com a alimentação, permitem usar fontes com outras tensões. Lembramos que a corrente drenada pela etapa é da ordem de 8 ma. Isso permite calcular a queda de tensão no resistor. 110

111 Newton C. Braga 94 - Oscilador de VHF e UHF A configuração mostrada na figura é uma das mais tradicionais quando se deseja produzir sinais na faixa que vai de 30 MHz a 800 MHz. A freqüência máxima que pode ser obtida deste circuito depende apenas do transistor usado e da bobina. A alimentação pode ser feita com tensões a partir de 6 V e o consumo da etapa osciladora é bastante baixa. Os capacitores usados devem ser todos cerâmicos. O capacitor C1, que proporciona a realimentação para manter as oscilações, depende da freqüência. Assim, na tabela seguinte damos as características deste componente e da bobina para diversas faixas de freqüências. Faixa de Freqüências (MHz) L1/L2 10 espiras/4 espiras 7 espiras/3 espiras 4 espiras/2 espiras 2 espiras/1 espira 1 espira/1 espira ½ espira/1/2 espira C1 12 pf 6,8 pf 4,7 pf 2,2 pf 1 pf 0,5 pf Observamos que para que as freqüências mais altas sejam alcançadas o layout da placa é muito importante, pois qualquer trilha mais longa representa indutância e capacitância adicional capaz de afetar o funcionamento do circuito. Transistores como os BF254, BF494, BF495 alcançam até os 200 MHz. nesse circuito. Para freqüências maiores sugerimos o uso do BF579, BF689Kou BF979 que chegam facilmente aos 800 MHz. 111

112 100 Circuitos de Osciladores

113 Newton C. Braga 95 - Oscilador de Alta Potência Um único transistor de alta potência MJ15003 é usado no circuito da figura para gerar sinais intensos na faixa de 30 khz a 1 MHz, dependendo apenas da bobina L1 e do ajuste de CV. O transistor deve ser montado em excelente dissipador de calor efonte de alimentação deve ser capaz de fornecer uma corrente de pelo menos 3 A. O resistor de polarização, dependendo da aplicação, para maior rendimento precisa ter seu valor experimentado na faixa de 470 ohms a 1,5 k ohms tipicamente. O capacitor C2 pode ser fixo o variável. Para as diversas faixas de frequências que o circuito pode gerar damos as características de L1 e os valores aproximados de C2 na seguinte tabela: Faixa de Freqüências 50 a 200 khz 200 khz a 500 khz 500 khz a 1 MHz C2 10 nf 2,2 nf 1 nf L espiras espiras espiras A bobina é enrolada num bastão de ferrite de 0,8 a 1 cm de diâmetro e de 10 a 15 cm de comprimento. Os valores da tabela não são exatos, já que, devido à tolerâncias dos componentes e capacitâncias/indutâncias parasitas na montagem, podem ser necessárias compensações. Transistores de menor potência como o BD135 ou TIP31 podem funcionar neste circuito, com aumento do resistor R1, gerando sinais que alcançam frequências maiores, chegando aos 15 ou 20 MHz, conforme o caso. Para a faixa de 500 khz a 1 MHz, pode ser usado um capacitor variável de rádio AM para se ajustar a freqüência. 113

114 100 Circuitos de Osciladores

115 Newton C. Braga 96 - Oscilador Colpitts de 7 MHz O oscilador apresentado na figura pode gerar sinais entre 3 e 15 MHz aproximadamente, dependendo apenas da freqüência do cristal escolhido. No caso, a freqüência dada como exemplo foi de 7 MHz que corresponde a usada pelas transmissões de radioamadores nos 40 metros. O circuito ressonante no coletor do transistor permite selecionar a saída de modo que harmônicas apenas sejam usadas pelo circuito externo. Os capacitores devem ser cerâmicos e a alimentação deve ser feita por fonte estabilidade. No divisor capacitivo do oscilador onde encontramos os capacitores de 25 pf e 100 pf, esses componentes, para maior estabilidade devem ser de mica prateada. Transistores equivalentes ao 2N2222A como os BF494 e BF254 podem ser usados sem problemas. 115

116 100 Circuitos de Osciladores Oscilador FET de Sobretom O oscilador da figura tem sua freqüência determinada pelo cristal. O valor indicado é 4,5 MHz, mas cristais na faixa de 100 khz a 10 MHz podem ser utilizados. A freqüência do sinal de saída, que pode ser uma harmônica da freqüência do cristal, será sintonizada em L1/CV. A bobina L1, enrolada sobre L1 para acoplamento do sinal deve ser calculada para se obter a impedância desejada. Transistores equivalentes como o MPF102 podem ser usados e o capacitor de 10 nf deve ser cerâmico. Alterações na tensão de alimentação podem ser feitas com mudança de valor do resistor de 100 ohms. 116

117 Newton C. Braga 98 - Oscilador de 3 a 10 MHz O oscilador Hartley modificado visto na figura pode gerar sinais que vão de 3 MHz a 10 MHz, ajustados no capacitor variável de 120 pf ou maior. Para a faixa de frequências indicada, a bobina pode ter entre 20 e 30 espiras de fio 28 AWG num bastão de ferrite de 1 cm de diâmetro com tomada central. Com menos espiras, o circuito pode oscilar em frequências de até 50 MHz. O capacitor de 10 nf deve ser cerâmico, e a tensão de alimentação pode ficar entre 6 e 9 V. Transistores equivalentes ao BC548 também podem ser usados, e para uma saída de maior potência com alimentação de 12 V, pode ser utilizado o BD

118 100 Circuitos de Osciladores Oscilador com Inversores O oscilador apresentado usa dois buffers inversores como base e a frequência, que depende dos resistores e do capacitor, tem seu valor dado segundo a fórmula junto ao diagrama. Se forem usados inversores CMOS os resistores podem ter valores tipicamente na faixa de 10k a 100k ohms e a frequência máxima de operação estará em torno de 2 MHz. A alimentação deve ser feita com tensões na faixa de 3 a 15 volts. 118

119 Newton C. Braga Gerador de Salva de Tom O circuito mostrado na figura gera um trem de pulsos cuja frequência é determinada pela rede ligadas aos pinos 2, 6 e 7 do circuito integrado e duração determinada pelo capacitor de 50 uf (47 uf). Estes componentes podem ser alterados numa ampla faixa de valores em função da aplicação desejada para o circuito. Quando S1 é pressionada o circuito entra em funcionamento produzindo a salva de sinais de saída. 119

120 100 Circuitos de Osciladores - 2 CRISTAIS - O RÍTMO DA ELETRÔNICA Dentro de muitos equipamentos eletrônicos bate um "coração" invisível que determina com um ritmo preciso o seu funcionamento. Nos relógios, cronômetros, computadores, equipamentos de comunicações e muitos outros aparelhos minúsculos cristais de quartzo vibram com precisão garantindo que seus circuitos funcionem de maneira totalmente ordenada e sincronizada. É difícil prever o que seria da eletrônica em nossos dias sem a presença desses elementos. A importância dos cristais de quartzo e seu funcionamento será o tema central deste interessante artigo de interesse para todos os profissionais da eletrônica ou que de uma forma ou de outra utilizam equipamentos eletrônicos em seu trabalho ou lazer. O que faz com que um relógio eletrônico mantenha seu ritmo exato independentemente das variações das condições ambientes, das diversas situações em que ele deve funcionar e até mesmo do próprio estado de sua bateria? O que faz com que todas as operações de um computador sejam totalmente sincronizadas numa velocidade enorme, com um mínimo de variações? O que faz com que os transmissores das estações de rádio e TV, estações de telecomunicações mantenham suas frequências com grande precisão não interferindo uma nas outras e permitindo que você as sintonize sempre no mesmo ponto do mostrador de seu rádio, ou sempre que tocar a mesma tecla de seu televisor ou ainda quando utilizar seu telefone celular? Se o leitor respondeu que é o cristal de quartzo, acertou, mas acreditamos que na maioria dos casos, essa resposta deve estar acompanhada de uma grande interrogação: mas como um cristal de quartzo pode fazer isso? A maioria dos equipamentos eletrônicos que exija alguma espécie de sincronismo preciso, ou seja, um "relógio interno" para funcionar, aproveita as propriedades dos cristais de quartzo. 120

121 Newton C. Braga Estes cristais são instalados em invólucros que possibilite seu acoplamento a um circuito e normalmente podem ser encontrados com as aparências mostradas na figura 1. Evidentemente, os tamanhos e as formas podem variar bastante em função da aplicação, da frequência e do tamanho do próprio cristal. Como funciona a pequena peça de cristal transparente que é colocada nestes invólucros é algo que pode maravilhar tanto pela sua simplicidade como pelo seu significado. Mais uma vez, a natureza manifesta em coisas simples propriedades que podem ser sofisticadas a ponto de significar todo o sincronismo das operações que seu computador realiza ou a eficiência com que seu telefone celular pode ser comunicar com uma estação rádio-base. O CRISTAL DE QUARTZO Os cristais são estruturas em que os átomos se dispõem de uma forma ordenada que se repete em toda a sua extensão. Assim, forma-se uma espécie de rede de átomos com uma disposição totalmente ordenada em toda sua extensão, conforme mostra a figura

122 100 Circuitos de Osciladores - 2 Os átomos de um cristal não precisam ser necessariamente todos do mesmo elemento. Um cristal pode ser formado por átomos de dois tipos, como, por exemplo, de um metal como o silício, o alumínio, etc. e o oxigênio como elemento "intruso". Muitos cristais de grande efeito decorativo e também muito valiosos, como o rubi, a turmalina, etc. são estruturas formadas por átomos de dois tipos, normalmente um deles o oxigênio. A maioria dos cristais apresenta uma estrutura perfeitamente simétrica, o que significa que as forças de natureza elétrica manifestadas pelos átomos no seu interior são balanceadas, e nada de anormal ocorre ou é notado em termos de seu comportamento. No entanto, dependendo da disposição dos átomos que formam o cristal, pode ocorrer que haja uma assimetria em relação às forças elétricas manifestadas entre as partículas. O resultado disso é a manifestação de forças de natureza elétrica em determinadas condições. 122

123 Newton C. Braga Assim, existem os casos em que essa assimetria se manifesta de tal maneira que nas faces do cristal predominem cargas de determinadas polaridades, ou seja, o material permanece constantemente carregado com cargas estáticas, conforme mostra a figura 3. Um material deste tipo é denominado piroelétrico, ou seja, trata-se de um eletreto. As cargas que este material manifesta são intrínsecas, bem diferente das cargas que um corpo acumula quando, por exemplo, o atritamos com outro. Mas, o caso que nos interessa é um pouco diferente: existem cristais que em condições normais não manifestam qualquer desequilíbrio elétrico no seu interior. No entanto, quando estes cristais sofrem algum tipo de deformação homogênea como, por exemplo, uma compressão, extensão ou torção, aparecem cargas elétricas localizadas, ou seja, eles se tornam polarizados. Qualquer cristal, que não possua um centro de simetria, apresenta esta propriedade, que é a de ser piezoelétrico. A intensidade com que o efeito se manifesta depende da direção do deslocamento que os átomos sofrem com a deformação em relação às suas posições originais de equilíbrio. O efeito contrário também pode ser observado: se aplicarmos às faces de um cristal deste tipo uma tensão elétrica, ele se deforma. Um material que pode manifestar esta propriedade é o quartzo, isso quando seus cristais são cortados de determinada maneira o que é mostrado na figura

124 100 Circuitos de Osciladores - 2 Desta forma, o corte de um cristal quartzo comum, que é uma forma de óxido de silício (SiO2), em qualquer das maneiras mostradas na figura resulta em cristais piezoelétricos. RESSONÂNCIA Os cristais piezoelétricos de quartzo, em consequência do fato de apresentarem uma polarização elétrica em suas faces devido à deformações, têm outras propriedades importantes consequentes. Uma dessas propriedades é a ressonância. Qualquer corpo possui uma frequência natural de vibração. Quando batemos numa lâmina de metal presa numa morsa, conforme mostra a figura 5, esta lâmina tende a vibrar numa única frequência que depende de seu formato, tamanho e material de que é feita. 124

125 Newton C. Braga As vibrações mecânicas fazem com que forças elásticas entrem em ação determinando o modo como essas vibrações se realimentam e, portanto, a frequência natural com que o corpo tende a oscilar. Este é o princípio de funcionamento do diapasão que produz sempre a mesma nota musical quando excitado mecanicamente, ou das teclas de um xilofone, conforme mostra a figura

126 100 Circuitos de Osciladores - 2 Até o ar no interior de um tubo de um órgão ou de um instrumento musical, vibra em frequência que depende de suas dimensões, o que resulta no princípio de funcionamento de todos os instrumentos musicais de sopro. No caso do cristal de quartzo, as suas dimensões e também as forças elásticas que agem no seu interior, e que dependem da direção de sua atuação determinada pelo corte, faz com que ele tenda a vibrar sempre numa única frequência quando excitado mecanicamente ou eletricamente. Em outras palavras, podemos dizer que um cristal de quartzo se comporta, quando excitado, como um diapasão elétrico. Para termos então correntes elétricas ou sinais de determinadas frequências, a partir de um cristal de quartzo, basta cortar este cristal com as dimensões apropriadas e excitá-lo eletricamente de modo que ele entre em vibração. As vibrações vão então ocorrer na sua frequência de ressonância, ou ainda num múltiplo desta frequência, ou seja, em frequências harmônicas. O que ocorre em relação as frequências harmônicas pode ser entendido tomando por base uma corda de violão, conforme mostrou a figura

127 Newton C. Braga Uma corda de violão quando excitada pode vibrar somente de determinadas maneiras, as quais são determinadas pelos seus pontos fixos, ou seja, pelos nodos, conforme mostra a figura. Assim, a frequência mais baixa que ela pode produzir e a denominada fundamental e é aquela em que temos os dois nodos nos pontos de fixação da corda e um ventre em seu meio. Mas, a vibração também pode ocorrer de tal forma que tenhamos um segundo nodo no meio, o que corresponde ao dobro da frequência, ou à segunda harmônica. Da mesma forma, podemos ter três, quatro, cinco, etc. nodos que vão permitindo que a corda vibre sempre em frequências múltiplas da fundamental. O mesmo ocorre com um cristal, pois ele pode ser forçado a operar em modos de vibração que venham a produzir frequências harmônicas da denominada fundamental. Esta possibilidade é interessante se considerarmos que, quanto maior for a frequência que um cristal deve produzir menor devem ser suas dimensões, o que nos leva a um ponto em que o componente se torna muito pequeno e o cristal tão fino que se torna extremamente delicado. Podemos então usar os cristais desta forma, para produzir sinais que tenham frequências muito mais elevadas que a fundamental e que de outra forma exigiriam componentes extremamente finos e delicados. OS CORTES Ao explicarmos inicialmente que o modo como um cristal é cortado influi na maneira como ele pode vibrar, e também a intensidade com que o efeito piezoelétrico se manifesta, demos apenas três orientações possíveis. Na prática, a eletrônica pode aproveitar muito mais orientações e assim existem muitos tipos de cortes, os quais resultam em cristais com aplicações específicas. Na figura 7 temos uma figura em que são mostrados todos os tipos de corte com as suas denominações. 127

128 100 Circuitos de Osciladores - 2 Estes cortes vão determinar não só o modo segundo o qual o cristal vibra quando excitado, na sua aplicação principal, como também a faixa de frequências e o uso a que se destina. 128

129 Newton C. Braga Temos então os seguintes cortes principais: a) Duplex 5 X - Designação J. Neste corte o cristal vibra no sentido de seu comprimento e pode operar em frequências entre 0,8 e 10 khz. Trata, pois de um corte para baixas frequências, obtendo-se um coeficiente nulo de temperatura na temperatura ambiente. b) XY Neste corte, o cristal pode vibrar tanto no sentido de comprimento como na largura numa faixa de frequências entre 3 e 50 khz. Também temos neste caso um corte destinado a operação em baixas frequências. c) NT - designação N. Os cristais com este corte vibram no sentido de seu comprimento em frequências entre 4 e 150 khz sendo indicados para aplicações em osciladores de baixas frequências e filtros. Uma estabilidade de frequências de 0,0025% pode ser obtida na temperatura ambiente sem a necessidade de controles de temperatura. d) +5 X - designação H. O cristal neste corte vibra no sentido de flexionar numa faixa de frequências de 5 a 140 khz. As variações relativamente grandes da frequência deste cristal com a temperatura limitam suas aplicações a filtros em ambientes com temperaturas controladas. Dentre as dificuldades que podem ser citadas para este cristal está a relacionada com sua fabricação que deve ser uma barra fina e longa fixada em suporte especial. e) BT - designação B. Nesta modalidade de corte o cristal vibra no sentido de sua espessura e em uma faixa de frequências compreendida entre 1 e 75 khz. Dentre as dificuldades apresentadas por este tipo de cristal está também a relacionada a sua fabricação. 129

130 100 Circuitos de Osciladores - 2 f) -18-1/2 X - designação F. Neste corte o cristal vibra no sentido de seu comprimento, numa faixa de frequências que pode ficar entre 50 e 250 khz. Este tipo de cristal é utilizado em filtros e pode ser encontrados em aplicações multi-eletrodos. g) +5 X - designação E. Os cristais que apresentam este corte vibram no sentido de seu comprimento numa faixa de frequências de 50 a 250 khz sendo usados em aplicações como filtros de baixa frequências graças a seu baixo coeficiente de temperatura que lhe dá uma boa estabilidade. h) DT - designação D Este tipo de cristal tem suas oscilações rentes às faces e pode operar em frequências na faixa de 80 a 500 khz. Este tipo de cristal é usado como calibrador e base de tempo em frequencímetros além de transmissores de FM e TV. No entanto, ele não pode operar satisfatoriamente acima de 500 khz. i) MT - designação M As vibrações neste tipo de cristal ocorrem ao longo de sua extensão numa faixa de frequências de 50 a 250 khz. Seu baixo coeficiente de temperatura torna-o ideal para controle de osciladores e filtros. No entanto, trata-se de um tipo de cristal pouco usado, porque existem unidades mais compactas que o substituem. j) GT - designação G. Neste cristal as vibrações ocorrem no sentido de sua extensão numa faixa de frequências entre 85 e 400 khz. É o tipo de corte que apresenta a maior estabilidade, não variando sua frequência em mais que uma parte por milhão numa faixa de 100 graus centígrados. É utilizado em padrões de frequência nos quais a estabilidade sem o controle de temperatura essencial. A desvantagem está no seu preço, já que é o mais caro de todos os 130

131 Newton C. Braga tipos devido ao grande trabalho que existe em seu encontrar a direção exata de seu corte. k) CT - designação C. As vibrações neste cristal ocorrem rentes a superfície de suas faces numa faixa de frequências de 300 khz a 1,1 MHz. Trata-se de um cristal com coeficiente de temperatura nulo nas baixas frequências. É utilizado em filtros e osciladores que não necessitam do controle de temperatura de funcionamento. No entanto, como desvantagem, este cristal é difícil de ser fabricado para frequências muito baixas devido às suas dimensões. l) X Neste corte o cristal vibra ao longo de sua extensão podendo fazer isso numa faixa de frequências que vai de 350 khz a 20 MHz. Trata-se de um tipo de cristal mecanicamente estável e de baixo custo. No entanto, além do coeficiente de temperatura algo elevado ele tem tendências a mudar seu modo de oscilação. m) SL As vibrações deste cristal ocorrem rentes à face, mas acopladas à flexão, isso numa faixa de frequências entre 300 e 800 khz. As características elétricas deste cristal são similares às do corte DT, no entanto, ele é maior, possui melhor Q e uniformidade de características acima de 300 khz. Estas características tornam-no ideal para uso em filtros. n) Y - designação Y Este cristal vibra com ondas superficiais acopladas por flexão numa faixa de frequências que vai de 500 khz a 20 MHz. Este tipo de cristal é o mais ativo. o) AT - designação A Este tipo de corte faz com que o cristal vibre no sentido de sua espessura numa faixa de frequências entre 550 khz e 20 MHz para o modo fundamental e de 10 MHz a 60 MHz nos modos em terceiros sobretom. 131

132 100 Circuitos de Osciladores - 2 As características excelentes de temperatura e frequência fazem deste tipo de corte o escolhido para os casos em que a frequência não deve se alterar com as variações de reatância do oscilador. Estas características tornam este tipo de cristal bastante usado no controle de osciladores de altas frequências. Dentre as desvantagens apresentadas podemos citar a dificuldade de fabricação. OS OSCILADORES Um cristal sozinho não pode entrar em vibração espontaneamente. A excitação que coloca um cristal em oscilação e depois mantém esta oscilação é obtida por meio de um circuito especial. Este circuito, conforme sugere a figura 8 nada mais é do que um amplificador que tem um elo de realimentação e ao conjunto assim obtido denominamos "oscilador". Desta forma os circuitos que produzem sinais com certas frequências e são controlados por cristais de quartzo, são denominados osciladores controlados por cristal ou simplesmente osciladores a cristal (utiliza-se também a abreviação XTAL-OSC). Para que tenhamos um oscilador à cristal é preciso que o circuito usado na excitação tenha um certo ganho, ou seja, que o 132

133 Newton C. Braga sinal obtido na sua saída seja maior do que o que se necessita para excitar o cristal. Se isso não ocorrer, o sinal de saída que serve para excitar de novo o cristal, iria ficando cada vez mais fraco e o que teríamos seria a produção de uma oscilação amortecida, conforme mostra a figura 9. Com um ganho maior que um, "sobra" sempre um pouco do sinal necessário à realimentação que mantém as oscilações e que pode ser usado no circuito externo. Existem centenas de aplicações eletrônicas em que os cristais controlam a frequência de osciladores, cujos sinais, que são correntes de determinadas frequências são os responsáveis pelos seus ritmos de funcionamento. APLICAÇOES PARA OS CRISTAIS Algumas aplicações dos cristais se destacam, por isso ser interessante que os leitores as conheçam. a) Relógios O ritmo de um relógio mecânico é dado pelo balanço de um mecanismo controlado por uma mola. A tensão desta mola determina o ritmo das oscilações. 133

134 100 Circuitos de Osciladores - 2 Os relógios modernos são eletrônicos e seu ritmo é dado por um cristal. Mesmo que exista um micro-motor acionando os ponteiros, conforme mostra a figura 10, seu ritmo e, portanto, a precisão do relógio depende do cristal. Evidentemente, o cristal de um relógio não tem a frequência mínima que estamos acostumados a visualizar que é a de 1 Hz, ou um impulso por segundo. Seria muito difícil fabricar um cristal com esta frequência (e ele também seria muito grande). Assim, os relógios usam cristais de frequências mais altas, e estas frequências são divididas por circuitos apropriados de modo a se obter o ritmo que seria ideal para o andamento do relógio. A precisão obtida num sistema deste tipo é excelente, com pequenas variações que normalmente ocorrem em vista das diferentes temperaturas que o relógio encontra nos ambientes em que trabalha. O anúncio de que um relógio é de quartzo refere-se justamente à presença deste elemento no circuito determinando assim seu ritmo preciso de funcionamento. Devido ao espaço limitado que existe num relógio de pulso, evidentemente os cristais usados devem ter dimensões muito pequenas, o que implica também que eles não conseguem oscilar em frequências muito baixas. 134

135 Newton C. Braga Assim, os minúsculos cristais dos relógios produzem oscilações de vários megahertz para a divisão posterior pelos circuitos de que já falamos. b) Computadores Os computadores, tablets e outros equipamentos que usam microprocessadores e DSPs, possuem circuitos que operam segundo o que se denomina de lógica sincronizada. Todos os circuitos devem operar sincronizados por um determinado sinal de frequência única, denominado "clock" o qual determina quando cada um deve realizar uma determinada operação, atender uma interrupção ou está pronto para emitir o resultado de uma operação. Se isso não fosse feito, uma determinada etapa de um computador poderia estar já somando o valor de um dado a outro armazenado numa célula, antes mesmo que o outro tivesse chegado, dando como resultado um valor completamente errado. Todos os circuitos de um computador são sincronizados por um oscilador único que determina seu ritmo de andamento. Assim, quando dizemos que um computador "roda" a 800 MHz e, portanto, é muito mais rápido que outro que só "roda" a 500 MHz estamos nos referindo à frequência do clock, e que justamente é determinado por um oscilador controlado por cristal, conforme mostra a figura