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Cómo construir un oscilador Puente de Wien con JFET y voltaje variable

Los osciladores Wien-Bridge son famosos dispositivos que generan ondas sinusoidales para estabilizar la amplitud de señal, y aunque es relativamente sencillo diseñarlo, agregarle transistores de efecto-campo de unión (JFET) resulta complejo. En este documento abordaremos cómo se pueden diseñar estos osciladores JFET.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

La estabilización de las señales es una tarea que por varias décadas se ha logrado a través del uso de los osciladores Puente de Wien o Wien-Bridge los cuales generan ondas sinusoidales para equilibrar la amplitud.

Aplicarlo es una técnica común entre la comunidad de ingenieros dedicados al área de sistemas de potencia, no obstante, en los últimos años esta tecnología ha sumado un nuevo componente que lo hace más complejo: transistores de efecto-campo de unión (JFET) utilizados para conseguir una variación de voltaje bajo demanda en el oscilador, linealizando los FETs para integrarlos en sistemas cuyos requerimientos de potencia son sumamente especiales.

Estabilizar la amplitud puede lograrse implementando un foco térmico siguiendo el esquema tradicional de Bill Hewlett, cofundador de HP quien a inicios del siglo pasado presentó una gama de osciladores como parte de su tesis de maestría en la Universidad de Stanford, proyecto que fue validado por el profesor de Hewlett, el físico Max Wien.

A lo largo del tiempo los osciladores han ido evolucionando y han aparecido en el mercado diversos formatos, como los osciladores con frecuencias variables, los cuales resultan más complejos diseñar debido a que se requiere acoplar un par de componentes resistivos y capacitivos en la red de Wien-Bridge. Aun así, esto puede conseguirse utilizando capacitores duales, resistencias duales, resistencias lógicas o resistencias conmutadas que permitan alterar la frecuencia.

Construyendo el oscilador Puente de Wien con capacidad variable

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Existen algunos métodos para crear osciladores Wien-Bridge con capacidad variable. Una de ella fue presentada por el investigador Jim Williams en 2011 a través del artículo "Analog Circuit Design: A Tutorial Guide to Applications and Solutions" en el que propone el uso de un diodo de capacidad variable, también conocido como Varactor o Varicap. La otra forma es el uso de transistores de efecto-campo de unión (JFET) en la red de Wien para completar el ciclo de capacidad variable en el oscilador.

Algunos fabricantes de circuitos como Linear Systems, cuentan con soluciones exclusivas de JFET para incluirlos en los osciladores, tal es el caso de la tecnología que patentó la compañía en 1967 la cual posee un canal-P con acoplamiento dual.

Diagrama de bloques de un oscilador convencional de Maxim.

Otra compañía que cuenta con soluciones propias es Maxim Integrated Circuits, que ha producido documentos técnicos sobre cómo diseñar o aplicar soluciones para conseguir un modelo de capacidad variable en osciladores JFET.

En uno de sus documentos, Maxim expone una serie de pasos para comprender la aplicación de un oscilador JFET para estabilizar la amplitud de las señales. Comienza explicando que un circuito mantiene la oscilación cuando el ciclo de ganancia en la frecuencia es unitario y la fase de retroalimentación de las señales es igual a cero o múltiplo de 2π.

Función de Transferencia para un sistema de estabilización.

Primeramente, la fase de desplazamiento debe ser considerada como aparece en la siguiente ilustración, donde R1 y C1producen una corriente positiva de desfase con respecto al voltaje de salida. Cuando esta corriente alcanza a R1 y C1 estos crean una corriente negativa desfasada. A una frecuencia específica, el desfase generado por R1 y C1 tiende a ser compensado por una corriente opuesta generada por R2 y C2 dando lugar a una fase igual a cero. Cuando sucede esto, el circuito puede entrar en una fase de oscilación, por lo que es conveniente estabilizarlo.

El documento de Maxim explica también las ecuaciones que se involucran en este esquema incluyendo la función de transferencia sugerida para la red en la que los módulos R1, C1, R2 y C2 implementan durante el ciclo de desplazamiento de fase.

Debido a que la impedancia de salida del amplificador operacional es baja y la impedancia de las entradas es demasiado alta, la función de transferencia en la red Wien es relativamente simple, y con ello se estructura un modelo de estabilización utilizando JFETs para conseguir un oscilador de capacidad variable.

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