Generación de ondas. Oscilador de relajación, onda cuadrada.

Saludos a todos.

En este artículo vamos a ver como se puede generar una señal cuadrada mediante el uso de un operacional y unos pocos elementos pasivos mas.

Sea el siguiente esquema:

El funcionamiento de este circuito se basa en el «basculamiento» del operacional, que dependerá de la tensión presente en el terminal negativo. Esta tensión es la carga del condensador C mediante la tensión de salida a través de la resistencia R. Este «basculamiento» dependerá también como es natural del nivel de referencia de la señal en la entrada positiva, fijado por R1 y R2.

La formula (véase referencias) para calcular el periodo de la tensión de salida, es la siguiente:

$T = 2 \ RC \ ln (\frac {1 + B}{1 - B})$
Fórmula del autor del libro mencionado en referencias.

Donde T es el periodo, R es la resistencia de realimentación, C la capacidad de carga a través de R. B es el factor de realimentación R2 / (R1 + R2).

La frecuencia como ya sabemos es el inverso del periodo, así que: f = 1 / T

Veamos cual es la frecuencia teórica del esquema:

$RC = 1k \cdot 2.2 \mu = 2.2 \cdot 10^{-3}$

$B = \frac{R2}{R1+R2} = \frac{22k}{2k2+22k} = 0.9$

$T = 2 \cdot 2.2 \cdot 10^{-3} \cdot ln(\frac {1 + 0.92}{1 - 0.92}) = 12.96 \cdot 10^{-3}$

Si calculamos ahora la frecuencia, tendremos: f = 1 / T

$F = 1 / T = \frac{1}{12.96 \cdot 10^{-3}} = 77.16 \cdot hercios$

Figura 2. Salida del oscilador de relajación.

Podemos apreciar que el resultado se corresponde de la simulación con respecto a la teoría:

Vamos a montar el circuito para ver si efectivamente funciona como hemos predicho.

Utilizaremos dos fuentes de alimentación sencillas de 12 voltios y el osciloscopio.

Montamos el circuito en una protoboard. Véase la figura siguiente:

Figura 4. Montaje del oscilador de onda cuadrada en la protoboard.

Con este circuito, obtendremos el siguiente resultado:

Figura 5. Resultado de salida con C de 2.2 micros.

Vemos que la gráfica está deformada (la causa la veremos después). Sospecho en inicio que el problema puede venir del osciloscopio, que la sonda está descompensada. La ajusto según el manual y obtengo el mismo resultado.

¿Que puede ser? Quizás sea por la frecuencia, que es bastante baja. Sustituyo C por un condensador cerámico de 100 nF y obtengo la siguiente gráfica:

Figura 6. Resultado de salida con C de 100 nanos.

El problema sigue apareciendo. ¡Ya está! El problema tiene que estar en R que es demasiado baja, y la carga del condensador influye en la salida. Cambio R por 10K y obtengo la siguiente salida:

Figura 7. Resultado de salida con R de 10K.

La forma de la señal ahora es correcta, si bien como hemos podido observar en todas las gráficas, la frecuencia obtenida es ligeramente inferior.

Para asegurarme de que no es un problema de tolerancias, me dispongo a medir todas las resistencias y el condensador C para después simularlo y ver si coincide con lo medido.

Vamos a medir la capacidad con un aparatito muy majo que tengo que mide de todo (os lo recomiendo). Fijaros en la siguiente imagen:

La capacidad real no es de 100n, es de 96.93 nanofaradios.

Seguidamente mido con el polímetro todas las resistencias y hago los cambios en el esquema:

Figura 9. Esquema modificado con los valores reales.

Al realizar la simulación obtendremos el siguiente resultado:

Figura 10. Salida con los valores reales.

Vemos que la frecuencia de la simulación indica que debería ser de 175 hercios. La simulación no coincide en este caso con el montaje real. 😦

La causa puede ser que la fórmula que nos sugiere el autor del libro no sea lo suficientemente precisa, si bien siempre podremos echar mano del simulador para «retocar» los valores de partida. Podemos como sugiere el autor hacer variable R para obtener la frecuencia exacta deseada.

Si queréis una precisión «extrema», siempre podréis hacer uso de un NE555, que es un integrado hecho para tal fin. Por otra parte, este circuito puede venir bien si nos «sobra» un operacional (recordar que el TL082 contiene dos dentro) y queremos por ejemplo generar un pitido sin mas en un pequeño altavoz.

Nada mas por el momento. En el próximo artículo veremos como se puede generar una señal triangular a partir de una señal cuadrada, cosa que ya tenemos con este circuito del artículo.

Un cordial saludo. 🙂

REFERENCIAS:

PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA, MALVINO. TERCERA EDICIÓN