Entendendo o Oscilador Colpitts: Projeto, Aplicações e Benefícios

O oscilador Colpitts é um oscilador linear e apenas um entre muitos osciladores LC. Importantemente, este oscilador usa o funcionamento de unidade de capacitores (C) e indutores (L), daí o nome oscilador LC.

Este artigo discutirá o oscilador Colpitts, suas vantagens, aplicações, etc. Também ajudará você a aprender e descobrir as conexões certas do oscilador Colpitts para suas necessidades!

1. O que é um oscilador Colpitts?

Um Colpitts é um oscilador eletrônico. Importantemente, este oscilador usa indutores e capacitores, que contribuem para um circuito LC.

O funcionamento deste oscilador envolve o uso de transistores, amplificadores operacionais, Transistores de Efeito de Campo e válvulas. Também, é um oscilador harmônico elétrico com muitas aplicações e vantagens.

O design deste oscilador particular é similar ao de um oscilador Hartley. No entanto, o fator diferenciador é que o oscilador Colpitts contém um circuito de tanque enquanto o Hartley não tem o circuito.

Nota:

Notavelmente, existem dois osciladores; osciladores não-lineares e osciladores lineares. Osciladores não-lineares produzem formas de onda de saída não-senoidais (não-lineares). Enquanto osciladores lineares, como o oscilador Colpitts, produzem ondas lineares ou senoidais.

(tecnologia de oscilador com motherboard.)

2. Circuito básico do oscilador Colpitts e como funciona?

• Teoria do Colpitts

A teoria deste oscilador é que ele tem dois capacitores em série conectados aos indutores em paralelo. Notavelmente, o arranjo destes componentes elétricos forma um circuito de tanque ressonante. A combinação de capacitores e indutores faz dele um circuito ressonante LC paralelo. Além disso, os valores obtidos destes capacitores e indutores ajudam a determinar a frequência de oscilação.

A invenção do Colpitts foi devido à necessidade de gerar alta frequência de oscilação linear usando radiofrequências.

Dica Adicional

Como o oscilador Colpitts tem designs similares ao Hartley, às vezes é chamado de dual elétrico do oscilador Hartley. No entanto, a presença de um circuito de tanque é a única característica diferencial nos dois designs de oscilador. Caso contrário, a diferença de funcionamento é que enquanto Hartley usa indutância derivada, Colpitts usa capacitância derivada.

(circuito oscilador LC.)

• Circuito oscilador Colpitts

(diagrama de circuito de um oscilador Colpitts)

Assim como qualquer circuito oscilador que produz ondas lineares, a presença de um LC ressonante no circuito é obrigatória. No entanto, exceções são os osciladores RC que não precisam de um LC ressonante em seu curso.

Adicionalmente, usar um dispositivo de ganho como Transistor de Junção Bipolar, amplificador operacional ou Transistor de Efeito de Campo atinge a função do oscilador. Importantemente, capacitores C1 e C2 criam um divisor de potencial. Como resultado, a estabilidade de frequência no Colpitts vem da capacitância derivada. Esta capacitância derivada presente no circuito de tanque é a fonte de realimentação.

No entanto, alcançar um circuito estável mesmo em ambiente com mudanças de temperatura não é fácil. Portanto, colocar um resistor (Re) no circuito é importante. O resistor ajuda a manter o circuito estável e impede que seja danificado.

Também, há um capacitor (Ce) paralelo ao Re. O capacitor Ce atua como capacitor de bypass que gera caminho reativo baixo para sinal AC amplificado. Adicionalmente, o divisor de tensão formado por R1 e R2 cria um bias do transistor que controla o fluxo de corrente.

Notavelmente, do diagrama de circuito, um amplificador acoplado RC tem transistor emissor comum. O capacitor de acoplamento AC de saída bloqueia CC. Como resultado, dá caminho AC do coletor ao circuito de tanque.

(circuito elétrico oscilador LC.)

Funcionamento do oscilador Colpitts

Uma vez que a alimentação é ligada, capacitores C1 e C2 começam a carregar. Imediatamente estes capacitores carregam totalmente, eles começam a descarregar parte de sua potência através do indutor L1. Consequentemente, o processo de descarga causa oscilações harmônicas amortecidas nos circuitos de tanque.

Novamente a corrente oscilatória produz tensão AC através de C1 e C2. Durante o processo de descarga, há presença de energia eletrostática nos capacitores. Esta energia viajará em fluxo magnético ao indutor, carregando o indutor.

Similarmente, à medida que os indutores começam a descarregar, os capacitores começam a carregar novamente. Consequentemente, este processo contínuo de carga e descarga gera oscilações. Para determinar a frequência destas oscilações, use a frequência ressonante do circuito.

(PCI com osciladores montados)

O circuito de tanque funciona principalmente como área de armazenamento de energia do circuito causada pela carga e descarga constante. Também, a formação do circuito eletrônico de tanque vem da carga e descarga contínua dos capacitores e indutores. Este processo leva à separação da rede LC.

Adicionalmente, o critério de estabilidade de Barkhausen ajuda a calcular oscilações contínuas não amortecidas. No entanto, para oscilações sustentadas, o deslocamento de fase completo deve ser 0° ou 360°.

Cálculos de Fórmulas do Circuito

Do circuito, ambos capacitores ficam aterrados ou com derivação central. Assim a tensão de realimentação, tensão através de C2, lê 180°, combinando a tensão de saída, que é a tensão através de C1. Notavelmente, entre a tensão de entrada e tensão de saída, o transistor emissor comum produz deslocamento de fase de 180°.

Importantemente, a frequência ressonante é calculada da fórmula:

            ƒr = 1 / (2π√(L1 × C))

onde f é a frequência ressonante. C = capacitância equivalente de C1 + C2, e L1 é a autoindutância da bobina.

E o cálculo de C é da fórmula

          C = (C1 × C2) / (C1 + C2)

(um oscilador dentro de motherboard de joystick.)

3. Diagrama do oscilador Colpitts

• Usando um amplificador operacional

(um oscilador Colpitts usando um amplificador operacional.)

O arranjo de um amplificador operacional está em modo inversor onde R1 é o resistor de entrada, e RF é o resistor de realimentação. Notavelmente, a configuração individual de RF e R1 do ganho do amplificador operacional oscilador tem grandes vantagens. Importantemente, a equação A = -Rf/R1 calcula o ganho de um amplificador inversor.

No entanto, lembre-se que elementos importantes como capacitores de acoplamento e circuito de tanque não afetam o ganho do amplificador operacional. Mas, em versões baseadas em transistor, todo componente afeta o ganho, especialmente o circuito eletrônico de tanque.

Observe que a equação de frequência, princípio de funcionamento e teoria operacional de um oscilador com amplificador operacional são os mesmos das versões com transistor.

4. Aplicações do oscilador Colpitts

• Primeiro, o oscilador pode gerar sinal de saída senoidal de alta frequência.
• Em segundo lugar, o oscilador Colpitts pode auxiliar em desenvolvimentos móveis e de rádio.
• Terceiro, use-o em aplicações que requerem mudança de ampla faixa de frequências.
• Também, funciona perfeitamente em aplicações envolvendo mudanças frequentes de altas e baixas temperaturas.
• Por fim, Colpitts funciona bem em configurações onde oscilações contínuas e não amortecidas são necessárias.

(foto de um cristal de oscilador.)

5. Vantagens

• Um Colpitts produz ondas lineares com alta frequência de oscilação.
• O dispositivo oscilador pode lidar com baixas e altas temperaturas.
• Também, se você usar capacitores variáveis, pode alcançar frequência variada.
• Oferece muitos componentes para usar em circuito oscilador Colpitts.
• Adicionalmente, Colpitts tem frequência de oscilação muito estável.
• A amplitude de oscilação da saída permanece a mesma se o dispositivo está em faixa de frequência constante.

(vários cristais de oscilador.)

Resumo

Osciladores Colpitts fornecem excelentes características que os tornam um componente eletrônico confiável e fácil de usar. Se você tem interesse em aprender mais sobre seus projetos relacionados a osciladores, entre em contato conosco! Nossa equipe está sempre feliz em responder quaisquer perguntas suas.