Oscilador TECNOL.

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Dispositivo electrónico tal que sin recibir señal suministre en sus terminales una señal periódica. Si la salida del o. es una onda (v.) pobre en armónicos centrada lo más posible sobre una frecuencia, se dice que se tiene un o. senoidal o simplemente un o. Si, por el contrario, la onda de salida es rica en armónicos significativos respecto a la fundamental, se dice que se trata de un o. de relajación. No es posible concebir un o. como un sistema absolutamente lineal en ningún caso, pero dado que un o. armónico, una vez estabilizado su funcionamiento, admite un análisis lineal (lo que no es posible nunca con el o. de relajación) es normal dividir los o. en lineales y no lineales, según su salida sea esencialmente senoidal o no.

En un amplificador (v.) que actúa simplemente como tal, la aplicación de retroalimentación (RA) al mismo es siempre negativa buscando la mejor proporcionalidad y, por consiguiente, fidelidad de la salida con la entrada; si por el contrario la RA es positiva se aumenta la ganancia del amplificador, pero a costa de perder información, o lo que es lo mismo, de aumentar la distorsión. Estos dos procesos tienen su punto máximo en el o., en el cual, la entrada se hace cero y, no obstante, en su salida aparece una onda de características predeterminadas.

La presencia de oscilaciones está determinada por la existencia de raíces en el semiplano positivo de la ecuación característica obtenida igualando a cero la diferencia de retorno F(s) propia del amplificador retroalimentado cuya salida está dada porK V,V21 +K/3en la cual VI es la señal de entrada, K la ganancia del amplificador interno, 0 el factor de transmisión del circuito de retroalimentación y1 +K¡3=F.

Naturalmente todas estas magnitudes, al igual que la salida de la unidad, expresadas en función de la variable compleja s, dado que la relación dada es la transformada de Laplace de la relación temporal correspondiente entre salida y entrada. El sistema amplificador-circuito de retroalimentación es un o. lineal cuando son raíces simples de F(s)=0 dos puntos conjugados del eje imaginario ± jw, en tanto que raíces múltiples en este eje, o raíces con parte real positiva, conducen al sistema a saturación al alcanzarse uno de los extremos posibles de la salida, en los cuales la amplificación del sistema es muy pequeña e incluso nula.

Retroalimentaciones positivas tales que K/3<-1,también conducen a oscilaciones de relajación, pese a que en este caso la fórmula de la ganancia da para la razón V2/VI valores de módulo más pequeños que K paraKf3<-2.

La razón de esta falta de estabilidad hay que buscarla en la curva característica completa, siempre no lineal, del amplificador retroalimentado con retroalimentación positiva.

Esta curva, para los valores totales de v2 y v, está representada -idealizado en forma de trazos rectos- en la fig. 1 para distintos valores de la retroalimentación; la curva a) corresponde aT=K/3=0,o, lo que es lo mismo, al amplificador sin retroalimentación. La curva b) corresponde a0>K,9>-1,con lo cual queda de manifiesto el aumento de ganancia del amplificador total en tanto queda reducido el margen de señal admisible por el amplificador sin que se pase de un estado de saturación al otro.

La fig. c) corresponde al llamado límite de oscilación Ka=-1y presenta un tramo vertical correspondiente a ganancia infinita y es la condición que corresponde al funcionamiento de los o. lineales en los cuales la amplificación total se mantiene constantemente infinita, suministrando a lo largo del tiempo señal acotada en ausencia de señal de entrada. Es evidente que esta ganancia infinita debida aK,9=-1no puede lograrse con un ajuste previo de alta precisión de los parámetros en el amplificador interno y en la retroalimentación para que se verifique esta condición. Un o. ajustado de esta forma dejaría inmediatamente de oscilar al separar R o K de su ajuste; es preciso que este ajuste de la ganancia en lazo abiertoT=K,C3=-1 se realice automáticamente a lo largo del tiempo de vida del o. pese a diferencias notables en sus parámetros, particularmente en lo que a K se refiere, obligando a que las raíces de la ecuación característica tengan lugar en el semiplano positivo cerca del eje imaginario, con lo cual, el suministro de las tensiones de alimentación al amplificador dará lugar a una señal senoidal de amplitud creciente cuya frecuencia está determinada por el lazo de retroalimentación. El aumento de amplitud de esta senoide trae consigo una disminución de K, con el consiguiente acercamiento de las raíces de la ecuación característica al eje imaginario hasta alcanzarlo, en cuyo momento se estabiliza la amplitud de la salida y su frecuencia. En este estado de cosas, como hemos dicho antes, es aplicable el análisis lineal al circuito total del o., pero este análisis, si bien nos suministrará con buena precisión la frecuencia de oscilación, no podrá suministrarnos información sobre la amplitud de la señal que debemos obtener por métodos no lineales gráficos o numéricos, una primera aproximación de los cuales es admitir, para la no linealidad del o., válida la ecuación de Van der Pol relativa a su fuente controlada por tensión:i=-ov+yv;en la cual a y y son constantes.

Finalmente la curva d) representa el amplificador con retroalimentación positiva tal queK/3<-1, con K real y mayor que cero. Esta curva en forma de S (curva S se le llama muchas veces en la literatura), es característica de los o. de relajación con independencia de las funciones de entrada y salida que relacione. En esta curva son claramente distinguibles tres tramos, dos de ellos AB y CD, de escasa pendiente positiva -muchas veces son horizontales, y el tramo BC de pendiente negativa. Los tramos AB y CD corresponden al amplificador saturado y sus puntos representan situaciones estables del amplificador RA en tanto que el tramo BC representa estados inasequibles o de absoluta inestabilidad. Cuanto mayor es el módulo de K(3 para RA positiva, tanto más ancha es la S en el caso general y, por consiguiente, mayorla zona de biestabilidad y más rápido el paso de una a otra supuesto un ancho de banda lo más amplio posible para el amplificador y para el circuito de RA.

Si el circuito está polarizado de forma que en su estado relajado le corresponda un punto del tramo AA o DC’, permanece en él hasta la recepción de una señal con la polaridad correcta y amplitud suficiente para que se alcance y se supere el codo correspondiente B o C. En este instante se pasa bruscamente al otro estado estable, permaneciéndose en el mismo un cierto tiempo, función de las características del circuito total, hasta que, atenuada la ganancia como consecuencia de los acoplos en alterna, se alcanza el otro codo de la característica y con ello se recupera el estado inicial, por lo menos en lo que a la salida se refiere, ya que muchas veces el transitorio provocado por el doble salto es más largo que la duración del impulso, esencialmente rectangular, generado en la salida y cuya duración se procura que sea lo más independiente posible respecto a la señal de entrada que ha disparado el circuito.

Las características más importantes de este circuito han sido: 1) Generación de un impulso de amplitud y duración esencialmente independientes de la señal de entrada, en tanto que ésta ha sido capaz de llevar el punto representativo del estado del mismo al codo. 2) Amplificación variable a lo largo de todo el ciclo. 3) Persistencia del circuito en estado transitorio durante un cierto tiempo cuando la salida ya ha alcanzado el estado estacionario. El circuito descrito corresponde al monoestable o conformador, llamado así por regenerar impulsos a una forma estandardizada respecto a impulsos llegados a su entrada a los cuales lo único que se les exige es alcanzar una cierta amplitud.

Si la polarización del circuito corresponde a un punto de la zona de biestabilidad y el circuito total (el amplificador más el circuito de RA) están acoplados en continua, es imposible, a priori, decir en cuál de los estados estables se encuentra en un instante dado el circuito relajado; tal estado depende del último impulso de disparo recibido por la unidad que lo situó en un estado para permanecer en él hasta la recepción de otro impulso de sentido contrario o a la supresión de la alimentación.

Osciladores de relajación. Si la polarización del circuito RA con característica en S es tal que el punto que debería ser estable está situado precisamente en el tramo de pendiente negativa de esta característica, con lo cual le es imposible alcanzar relajado las dos partes estables de las características, va repitiéndose continuamente el recorrido del ciclo, es decir, oscilando, y dando lugar en su salida a una onda periódica.

Aplicaciones. Los o. senoidales, armónicos o lineales encuentran amplio campo de utilización en la telecomunicación tanto como generadores de onda patrón a la que se someterá a los procesos de modulación como en los sistemas llamados superheterodinos en los cuales la señal recibida se mezcla con la que procede de un o. local (situado en el aparato receptor) para dar lugar a las llamadas frecuencias intermedias que permiten la utilización de amplificadores sintonizados, es decir, con un ancho de banda muy estrecho, y con ello una amplificación de alta calidad a un precio reducido.

También los o. lineales son utilizados en los procesos de calentamiento por inducción, en los sistemas de polarización y borrado de las grabadoras de cinta (magnetófonos), en electromedicina, en la medida precisa de tiempos superponiendo, en la pantalla del osciloscopio o en el registro, la salida estudiada con la de un o. lineal sumamente estable, en la investigación en general, como un elemento de sincronización de los o. de relajación, etc.

Los o. de relajación tienen también un amplísimo campo de aplicaciones que va desde la generación de impulsos y otras formas de ondas no senoidales hasta los convertidores de corriente continua en alterna, desplazando completamente a los vibradores mecánicos en este sentido. Tienen también aplicación en electromedicina y, aunque con menor precisión, son utilizados asimismo para la medida de tiempos y para la sicronización de otras señales, etc.

BiBL.: ANNER, Elementary nonlinear electronic circuits, 1967; HAKIM, Feedback circuit analysis, 1966; CHELA, The analysis ol linear systems, 1963; LITTAUER, Pulse Electronics, 1965; GHAUSI, Principles and design ol linear active circuits, 1965.

**AU

A. CIVIT BREU.

**TEC

OSCILÓGRAFO

Concepto. Instrumento destinado a observar las variaciones de ciertas magnitudes físicas, especialmente cuando estas variaciones son tan rápidas que no pueden ser seguidas a simple vista ni registradas por sistemas mecánicos. Se les denomina también osciloscopios, nombre que, en cierta manera, es más correcto, puesto que los o. normales no registran o escriben las variaciones de la magnitud que se observa, sino que únicamente las representan sobre una pantalla, en la que, por lo general, no dejan traza permanente. Sin embargo, la denominación oscilógrafo es la comúnmente aceptada por los que utilizan tal aparato.

Aunque también pueden ser empleados para la observación de fenómenos transitorios o no repetitivos, su aplicación más importante consiste en la observación de fenómenos periódicos, en los que en intervalos de tiempos iguales se repiten los mismos valores de la magnitud a estudiar.

Oscilógrafos no electrónicos. Los primeros experimentos en los que interesaron o. fueron los relacionados con el estudio de las ondas sonoras, por ser éstas fenómenosperiódicos de gran frecuencia, o de los sistemas vibrantes que producían tales ondas. Un o. típico utilizado con este objeto consiste en un espejito que se adhiere a un diapasón cuyo modo de oscilación se trata de estudiar. El espejito se ilumina por medio de una lámpara de destellos y la imagen de la lámpara se proyecta sobre una pantalla lejana. Los desplazamientos del espejo, como consecuencia del movimiento del diapasón, modifican la posición del punto en la pantalla, obteniéndose una gran amplificación de las desviaciones si la pantalla está suficientemente alejada. Si la frecuencia de los destellos luminosos es exactamente igual que la del diapasón, sobre la pantalla se observa un punto invariable; si es ligeramente diferente, cada destello encuentra al diapasón en una posición también ligeramente distinta de la del destello anterior, y se ve mover lentamente el punto sobre la pantalla, reproduciendo el movimiento del diapasón, pero con una velocidad mucho menor (método estroboscópico).

Éste y otros muchos procedimientos, la mayoría muy ingeniosos, han sido utilizados para la observación de vibraciones. Sin embargo, en este y en otros tipos similares de problemas, siempre que la magnitud a medir puede ser transformada en un dato eléctrico, el instrumento que hoy se emplea corrientemente es el o. de rayos catódicos.

Oscilógrafo de rayos catódicos. La fig. 1 muestra un esquema de este tipo de instrumento. Consta de las siguientes partes fundamentales: a) El emisor de electrones y ánodo acelerador. b) Las lentes de enfoque, magnéticas o electrostáticas. c) Las placas deflectoras. d) La pantalla.

El emisor de electrones es un filamento que se calienta al rojo, lo que le permite proporcionar un flujo de electrones. Frente al filamento F existe un ánodo A, que está colocado a una diferencia de potencial positiva, respecto al primero, de 2.000 a 20.000 voltios, según el tipo de aparatos. Con ello, los electrones son acelerados fuertemente y; formando un haz o chorro continuo, atraviesan un orificio existente en el ánodo con velocidad suficiente para incidir sobre una pantalla colocada en la parte opuesta del o.

Esta pantalla está constituida por un material fluorescente, formado por una base de vidrio impregnada de silicatos de cinc o compuestos de fósforo, cuyas moléculas absorben la energía cinética de los electrones incidentes y quedan excitadas, perdiendo, sin embargo, esta excitación de una forma prácticamente instantánea en forma de radiación luminosa. Aparece, por tanto, un punto o zona luminosa donde el haz electrónico incide sobre la pantalla.

Para una correcta operación del o. es preciso enfocar el haz. En los modelos primitivos, el enfoque se conseguía fundamentalmente reduciendo la abertura de uno o más orificios que debía atravesar el haz, el cual, a la salida de los mismos, estaba suficientemente concentrado para dar un punto sobre la pantalla, pero con una intensidad muy pequeña. Hoy se utilizan normalmente lentes electrostáticas o magnéticas: electrodos o bobinas de formas determinadas que crean campos eléctricos o magnéticos, los cuales modifican el sentido de la marcha de los electrones de tal forma que, aunque el haz sigue siendo grueso a medio recorrido del o., todos sus electrones han adquirido una dirección tal que les lleva a incidir sobre el mismo punto de la pantalla del o.

Y, finalmente, la última parte importante del o. la constituyen las placas deflectoras, dos de las cuales están colocadas verticalmente y las otras dos horizontalmente. Si entre las dos placas verticales se establece una diferencia de potencial, los electrones del haz, que, como se sabe, son cargas eléctricas negativas, se desvían en la dirección de la placa positiva. La magnitud de esta desviación es proporcional al potencial aplicado, y de esta manera el punto o extremo del haz electrónico aparecerá más o menos desplazado hacia la derecha o hacia la izquierda sobre la pantalla, según cuál haya sido la magnitud y el signo del potencial aplicado a esas placas. Pero antes de llegar a la pantalla el haz, ya desviado a derecha o izquierda, pasa entre las placas horizontales, por medio de las cuales, y por el mismo procedimiento, se consigue que el punto luminoso se desvíe hacia arriba o hacia abajo una distancia proporcional al potencial aplicado a las placas.

Lo que caracteriza a este aparato, y le confiere su gran utilidad, es el hecho de que los electrones tienen una inercia prácticamente nula, de forma que si los potenciales eléctricos en las placas están variando, aunque sea a gran velocidad, el punto sobre la pantalla seguirá fielmente, y sin ningún retraso, estas variaciones.

Modos de utilización del oscilógrafo de rayos catódicos. La aplicación más frecuente del o. de rayos catódicos consiste en observar cómo varía con el tiempo una magnitud periódica. Para ello se incorpora al mismo instrumento un generador cuyo potencial varía con el tiempo en forma de diente de sierra (fig. 2), el cual se aplica a lasplacas que provocan el desplazamiento horizontal del punto luminoso. De esta forma éste se mueve con velocidad uniforme de izquierda a derecha, volviendo luego hacia la izquierda en un tiempo brevísimo que en la fig. 2 corresponde a la parte descendente del diente de sierra. Generalmente se dispone el sistema de tal forma que en el tiempo que dura este retorno la intensidad del haz electrónico se anule, de forma que el recorrido hacia atrás del punto resulte invisible.

En las placas verticales se coloca la diferencia de potencial periódicamente variable que se trata de observar, y de esta forma el haz luminoso dibuja sobre la pantalla una gráfica que representa la variación en el tiempo de dicha magnitud (fig. 3 a).

En otros casos es posible registrar fenómenos transitorios haciendo que el punto permanezca en reposo a la izquierda de la pantalla hasta que se verifica el fenómeno que se trata de registrar, el cual se aplica a las placas de desplazamiento vertical, mientras el punto hace un solo recorrido. de izquierda a derecha, con velocidad uniforme, y simultáneo con el fenómeno (fig. 3 b). Y, finalmente, se pueden colocar potenciales que varían de manera periódica en las placas verticales y horizontales simultáneamente. Si estos potenciales varían con la misma frecuencia, o con frecuencias múltiplos una de otra, resultan las denominadas figuras de Lissajous (fig. 3 c).

Aplicaciones. El campo de aplicaciones del o. de rayos catódicos es vastísimo, abarcando desde el taller de reparaciones de automóviles hasta el quirófano, siendo, por supuesto, un elemento insustituible en los laboratorios y centros de medidas en los que se trabaje en Electricidad o Electrónica.

En general, podemos decir que cualquier magnitud variable cuya medida pueda hacerse por métodos eléctricos, de forma que sea transformada en una diferencia de potencial, es susceptible de ser observada por medio del o. de rayos catódicos. Y, una vez conseguida esta transformación, ningún instrumento aventaja al o. en rapidez de respuesta, dando, por tanto, una representación fiel del proceso, por muy rápidos que sean sus cambios.

La trascendencia e impacto de este instrumento sobre la técnica actual, e incluso sobre el modo de vida del hombre normal del S. XX, es superior al que corresponde a un mero instrumento de medida.

Por una parte, el o. de rayos catódicos es la puerta que ha dado acceso al científico y al técnico a un campo que hasta su utilización les estaba vedado; el de los fenómenos que transcurren en tiempos extremadamente cortos. La fig. 3 b, p. ej., corresponde a un proceso que desde su comienzo hasta su terminación duró menos de diez millonésimas de segundo, y que, sin embargo, puede ser estudiado con todo detalle por medio de este instrumento. Desde este punto de vista entra dentro de la misma categoría que el microscopio o el telescopio. Así como estos instrumentos nos introducen en zonas inexploradas (por muy pequeñas o por muy grandes) del espacio, el o. de rayos catódicos nos introduce en zonas inexploradas del tiempo.

Por otra parte, el o. de rayos catódicos constituye el elemento básico de los actuales sistemas receptores de televisión (v.) cuya trascendencia social, económica, etc., no necesita señalarse.

J. GONZÁLEZ IBEAS.

BIBL.: G. ZWICK, Oscilógralo de rayos catódicos, Barcelona 1958; M. NADLER, L’Oscillographe cathodique, París 1957; J. MILLMANN, Vacuum tubes and Semiconductor Electronics, Nueva York 1958.