Osciladores Hartley: Soluciones Fiables y Sintónicas para Amplitud Constante

Los osciladores electrónicos son circuitos que convierten corriente continua en señal alterna. Según el filtro selectivo de frecuencia, se agrupan en osciladores RC o LC. Uno de los más comunes en receptores de radio u osciladores RF es el oscilador Hartley, una evolución del oscilador Armstrong, fácil de sintonizar. Profundizaremos en su funcionamiento, configuraciones y más.

Oscilador Electrónico

¿Qué son los Osciladores Hartley?

Inventado por Ralph Hartley en 1915, es un oscilador armónico cuya frecuencia de oscilación la determina un circuito LC (inductores y capacitores). Se pueden sintonizar para generar ondas en banda de radiofrecuencia (RF), por eso se les llama osciladores RF. El rango RF de la señal senoidal va de 30 kHz a 30 MHz.

Oscilador Hartley Simple

Su característica distintiva es el circuito sintonizado: un capacitor en paralelo con dos inductores con toma central. La realimentación necesaria para la oscilación se toma de la conexión central del inductor.

Principio de Funcionamiento y Diagrama del Oscilador Hartley

El oscilador Hartley tiene varios componentes con distintas funciones:

Diagrama de Circuito de Oscilador Hartley

R1, R2 y R_E proveen la polarización del circuito; C1 y C2 actúan como capacitores de acoplamiento. El choque de radiofrecuencia (RFC) mantiene separadas las condiciones DC y AC: reactancia casi nula en DC (no interfiere con condensadores DC) y reactancia grande en alta frecuencia (se considera circuito abierto).

El amplificador transistor proporciona un desfase de 180°. L1, L2 y C (circuito tanque) generan la frecuencia de oscilación.

Principio de Funcionamiento

• Al aplicar VCC, aumenta la corriente de colector del transistor, cargando el capacitor del circuito tanque.
• Tras cargarse completamente, el capacitor descarga a través de L2 y L1.
• Durante la descarga, los inductores se cargan.

(bobinas de inductor)

Nota: Un capacitor almacena carga en campo eléctrico, un inductor en campo magnético. Al descargarse totalmente el capacitor, el inductor comienza a cargarse y viceversa.

• La carga y descarga continua produce oscilaciones sinusoidales en la salida. Como la amplitud disminuye gradualmente, se obtienen oscilaciones amortiguadas. La disminución se debe a la resistencia interna del inductor (pérdida I²R en calor).
• El circuito tanque proporciona 180° de desfase entre puntos B y A; C está a tierra. Cuando B es negativo, A es positivo.
• Para sostener las oscilaciones, amplificamos las oscilaciones amortiguadas: la salida del circuito tanque entra a un transistor en configuración emisor común, que amplifica la señal sinusoidal.
• La inductancia mutua entre L1 y L2 recibe la señal/energía de realimentación.
• El capacitor del circuito tanque genera nuevas oscilaciones sinusoidales al recibir energía de carga del transistor amplificado.
• La salida amplificada compensa las pérdidas de calor del circuito tanque, manteniendo amplitud constante en el rango de frecuencia de trabajo en vez de amplitud decreciente.

Frecuencia de Oscilación del Oscilador Hartley

La frecuencia de oscilación del circuito tanque se calcula como en cualquier circuito resonante paralelo:

C es la capacitancia de C1 en el circuito tanque. En Hartley usamos dos inductores, así que la inductancia equivalente es:

L_eq = L₁ + L₂

Considerando la inductancia mutua entre bobinas:

L_eq = L₁ + L₂ + 2M

Finalmente, la frecuencia de oscilación:

Oscilador Hartley en Diferentes Configuraciones

Oscilador Hartley Alimentado en Derivación (Shunt-fed)

Usa configuración emisor común.

Oscilador Hartley Alimentado en Derivación

Con una sola tensión de alimentación, las resistencias divisoras R_B y R1 proveen polarización fija. C1 deriva R_E (resistencia de emisor para estabilidad térmica). El inductor L3 alimenta en derivación el colector; C3 actúa como capacitor de acoplamiento y bloqueo DC, evitando cortocircuito del colector. C2 es capacitor de bloqueo/acoplamiento de base, evitando cortocircuito base-tierra.

Funcionamiento del Oscilador Hartley Alimentado en Derivación

Tras recibir energía, R1 y R_B determinan la polarización inicial; la realimentación del colector a la base vía L2 y L1 construye la oscilación. Existe un camino AC del emisor a través de L2 y C2 a la base, similar al de L1 y C3 al colector. Se desarrolla polarización degenerativa a través de R_E durante la oscilación (con valor correcto de C1).

Los valores de elementos derivados determinan: 1) R_B y R1 dan polarización clase C para arranque fácil; 2) C1 y R_E para estabilización térmica; 3) Valores de polarización clase C o B para eficiencia requerida. La salida final puede tomarse del inductor al tanque o del capacitor al colector.

Oscilador Hartley Alimentado en Serie (Series-fed)

El circuito de base también es emisor-estabilizado y polarizado por divisor de tensión. La tensión de colector se aplica a través de la toma del inductor del tanque; C3 deriva la fuente de tensión para la señal. Su funcionamiento es similar al derivado, pero la corriente DC fluye a través de una sección del circuito tanque, reduciendo el factor Q y la estabilidad de frecuencia frente al derivado.

Diagrama de Circuito de Oscilador Hartley Alimentado en Serie

Oscilador Hartley con Amplificador Operacional (Op-amp)

Una gran ventaja del op-amp es poder ajustar individualmente la ganancia del oscilador usando resistencias de entrada y realimentación. El arreglo es en modo inversor, con ganancia:

A = -Rf / R1

Donde: -Rf = resistencia de realimentación; R1 = resistencia de entrada; A = Ganancia.

Oscilador Hartley usando Op-amp

En versiones con transistor, la ganancia es ligeramente superior o igual a la relación L2/L1. En la versión op-amp hay mayor estabilidad de frecuencia al depender mínimamente de los elementos del tanque. Ambas versiones tienen ecuaciones de frecuencia y principios de funcionamiento similares.

Ventajas y Desventajas del Oscilador Hartley

Ventajas:

• Una sola bobina puede usarse como autotransformador en lugar de transformador grande.
• Pocos componentes: dos inductores fijos o una bobina con toma.
• Reemplazando el capacitor por un cristal de cuarzo, se genera un oscilador de cristal de frecuencia fija.
• Mantiene amplitud de salida constante en el rango de frecuencia fija requerido.
• Frecuencia variable mediante inductor variable o capacitor variable único.

Cristal de Cuarzo

Desventajas:

• No sirve para oscilaciones de baja frecuencia.
• Tiene distorsión armónica, no apto para aplicaciones que requieren onda senoidal pura. Se puede eliminar añadiendo circuito de estabilización de amplitud.

Conclusión

En resumen, los osciladores Hartley tienen diversas aplicaciones, como generar onda senoidal de frecuencia deseada, y múltiples configuraciones: basadas en FET, alimentadas en serie o derivación, etc. Contáctanos para más información sobre osciladores Hartley.