Los condensadores e inductores pueden combinarse para crear circuitos resonantes, que tienen características de frecuencia pronunciadas. La cantidad de capacitancia e inductancia de estos dispositivos determina tanto la frecuencia de resonancia como la agudeza de la curva de respuesta (conocida como Q) que exhiben estos circuitos.

Si la capacitancia y la inductancia están en paralelo, en la resonancia el circuito LC paralelo actúa como un circuito abierto con la corriente del circuito determinada por cualquier resistencia en el circuito. Así que la impedancia total de un circuito de resonancia en paralelo en la resonancia se convierte en el valor de la resistencia.

Hay muchas aplicaciones para los circuitos resonantes, incluyendo la sintonía selectiva en los transmisores y receptores de radio y la supresión de los armónicos no deseados.

En una discusión del oscilador LC, es la resonancia en paralelo que es de interés. Un inductor y un condensador en configuración paralela se conocen como un circuito tanque. Una condición de resonancia ocurre en el circuito cuando
XC = XL o 1/2πfC = 2πfL

Donde f es la frecuencia y C es la capacitancia y L es la inductancia.

La resonancia ocurre cuando la reactancia inductiva y capacitiva son iguales, es decir 2πfL = 1/2πfC. Esto sólo puede ocurrir a una determinada frecuencia. La ecuación se puede simplificar a:

A partir de esta información es posible, conociendo los parámetros capacitivos e inductivos de un circuito, encontrar la frecuencia de resonancia. Alternativamente, si se desea una frecuencia de resonancia determinada, se pueden elegir los valores de L y C.

En un circuito resonante, Q denota calidad. Q es la energía pico (es decir, máxima) almacenada en un circuito resonante en relación con la energía disipada en el curso de un ciclo. Es la relación entre la frecuencia de resonancia fr y el ancho de banda Bw. Como el ancho de banda está en el denominador, un circuito que tenga un Q más alto tendrá menos ancho de banda: Q = fr/Bw

Pero hay que decir que en algunas aplicaciones, el Q de un circuito resonante se reduce intencionadamente. Esto se puede hacer introduciendo una resistencia «estropeadora de Q». Además de ser importante en los circuitos electrónicos, el Q es relevante en los sistemas mecánicos, acústicos, ópticos y otros sistemas oscilantes.

En términos generales, un oscilador en un circuito electrónico convierte la tensión de alimentación de CC en una salida de CA, que puede consistir en una variedad de formas de onda, frecuencias, amplitudes y ciclos de trabajo. O la salida puede ser una onda sinusoidal básica sin ningún otro contenido armónico.

Un oscilador LC, un subtipo de oscilador electrónico, se ve a menudo en aplicaciones de radiofrecuencia debido a su salida de alta calidad y su diseño simple. Consiste en un amplificador que incorpora retroalimentación positiva (regenerativa) junto con un circuito resonante LC con un parámetro Q adecuado.

El objetivo al construir un amplificador es diseñar un circuito que no entre en oscilación. En un amplificador que no está destinado a funcionar como un oscilador, se puede utilizar una cantidad limitada de retroalimentación positiva para aumentar la ganancia. Se puede colocar una resistencia variable en serie con la realimentación para evitar que el circuito entre en oscilación. En un auditorio con sistema de megafonía, es necesario mantener la separación entre el altavoz y el micrófono para controlar la realimentación y evitar la oscilación. La distancia entre el micrófono y el altavoz se comporta como una resistencia para las ondas de audio-frecuencia.

Los osciladores LC (a diferencia de los osciladores RC, que no son resonantes y se basan únicamente en una constante de tiempo) se sintonizan para sonar a una frecuencia específica dependiendo de la interacción de las reactancias capacitiva e inductiva. Son análogos a los resonadores electromecánicos, como los osciladores de cristal de cuarzo.

El proceso de medición de la frecuencia de resonancia de un circuito oscilador comienza acoplando un generador de señales de RF al circuito. El acoplamiento entre el generador y el oscilador debe ser flojo. De lo contrario, la resistencia de salida del generador puede cargar el circuito y reducir su Q.

A continuación, ajustamos el generador a la frecuencia a la que queremos medir la Q. Ajustamos el circuito oscilador (a menudo girando el condensador del sintonizador) para ver la tensión máxima en una sonda del osciloscopio conectada al circuito tanque. El circuito está ahora en resonancia, esta frecuencia es la frecuencia de resonancia del circuito.

Medimos entonces la tensión del circuito oscilador a la frecuencia de resonancia. Variamos la frecuencia del generador un poco por encima y por debajo de la resonancia y determinamos las dos frecuencias en las que la tensión sobre el circuito es 0,707 veces el valor en la resonancia. La tensión a 0,707 veces la resonancia es el punto de -3 dB.

El ancho de banda del oscilador es la diferencia entre las frecuencias correspondientes a estos dos puntos de 0,707. Entonces Q es la frecuencia de resonancia dividida por este ancho de banda.

El montaje de prueba suele incluir un generador de señales, una bobina de acoplamiento, un osciloscopio y una sonda 1:100. La salida del generador de señales se conecta a la bobina de acoplamiento que tiene unas 50 vueltas. Para frecuencias en el rango de los megahercios, colocamos la bobina de acoplamiento a unos 20 cm del circuito oscilador. La distancia de 20 cm está pensada para dar un acoplamiento flojo entre la bobina y el oscilador.

Conectamos entonces la sonda al circuito del oscilador. La conexión a tierra de la sonda debe conectarse a la carcasa del condensador del sintonizador. La sonda se conecta al osciloscopio. La sonda constituye una pequeña carga del circuito, por lo que la Q no suele caer mucho. También hay sondas 1:1 y 1:10, pero éstas pueden cargar el circuito del oscilador. Una sonda 1:100 suele tener una resistencia de entrada de 100 MΩ y una capacidad de entrada de 4 pF.

Debido a la atenuación de 100x en la sonda, la salida del generador de señales generalmente debe ajustarse bastante alta.

Un generador de barrido puede simplificar algunos aspectos de esta medición. La «salida de barrido» se conecta a la entrada X del osciloscopio con éste en el modo X-Y. Ahora el trazado del osciloscopio va de izquierda a derecha, siendo el lado izquierdo la frecuencia de inicio y el lado derecho la frecuencia de parada. Un buen punto de partida es ajustar la frecuencia de barrido a unos 10 Hertz.

La entrada Y del osciloscopio se conecta al oscilador a través de la sonda 1:100. La salida de RF del generador de barrido se conecta a la bobina de acoplamiento, que se coloca a unos 20 cm de la bobina del oscilador.

Podemos girar el condensador del sintonizador y obtener la curva del oscilador en la pantalla del osciloscopio. La perilla de amplitud del generador de barrido ajusta la altura del pico de la curva. La gran ventaja de este método es que los cambios en la frecuencia de resonancia del circuito oscilador pueden verse directamente en la pantalla. Además, los cambios en Q serán evidentes porque la altura del pico cambiará.

Los osciladores de CL se presentan en forma de varios subtipos:

– El oscilador de Armstrong, inventado en 1912 por Edwin Armstrong, fue el primer oscilador electrónico, a diferencia de los osciladores mecánicos, como el péndulo, que habían existido siempre. El oscilador Armstrong se utilizó originalmente en transmisores de tubo de vacío. Más tarde sirvió en el receptor regenerativo donde la señal de RF de la antena se acoplaba a la inductancia LC por medio de una bobina auxiliar. La bobina podía ajustarse para evitar que el circuito oscilara. Este mismo circuito funcionaba para demodular la señal de RF.

– El oscilador de Colpitts, inventado por Edwin Colpitts en 1918, deriva la retroalimentación de lo que puede considerarse como una capacitancia de toma central. En realidad se trata de un divisor de tensión compuesto por dos condensadores en serie. El dispositivo activo, un amplificador, puede ser un transistor de unión bipolar, un transistor de efecto de campo, un amplificador operacional o un tubo de vacío. La salida se conecta de nuevo a la entrada a través de un circuito LC sintonizado que constituye un filtro de paso de banda que suena a la frecuencia deseada.

Un oscilador Colpitts puede funcionar como un oscilador de frecuencia variable -como en un receptor superheterodino o un analizador de espectro- cuando el inductor se hace variable. Esto se hace en lugar de sintonizar uno de los condensadores o introduciendo un condensador variable separado en serie con el inductor.

– Un oscilador Hartley, inventado por Ralph Hartley en 1915, es una imagen especular del oscilador Colpitts. La diferencia es que en lugar de una capacitancia con toma central junto con un inductor, emplea una inductancia con toma central junto con un condensador. La señal de retroalimentación proviene de la inductancia de punta central o de la conexión en serie entre dos inductores.

Estas inductancias no necesitan estar mutuamente acopladas, por lo que pueden consistir en dos bobinas separadas conectadas en serie en lugar de un único dispositivo de punta central. En la variante que tiene una bobina con punta central, la inductancia es mayor porque los dos segmentos están acoplados magnéticamente.

En el oscilador Hartley, la frecuencia puede ajustarse fácilmente utilizando un condensador variable. El circuito es relativamente sencillo, con un bajo número de componentes. Se puede construir un oscilador altamente estable en frecuencia sustituyendo el condensador por un resonador de cristal de cuarzo.

– El oscilador de Clapp, otro dispositivo LC, consiste igualmente en un transistor o tubo de vacío con una red de retroalimentación basada en la interacción de la inductancia y la capacitancia ajustada a la frecuencia de funcionamiento deseada. Fue inventado por James Clapp en 1948. Se parece al circuito Colpitts, con un tercer condensador colocado en serie con el inductor. Es una mejora sobre el oscilador de Colpitts, en el que la oscilación puede no surgir en ciertas frecuencias haciendo huecos en el espectro.

– El oscilador de Peltz difiere de los osciladores de Colpitts, Clapp y Hartley en que utiliza dos transistores en lugar de un único dispositivo amplificador. Al igual que otros osciladores, el objetivo es proporcionar una ganancia combinada superior a la unidad en la frecuencia de resonancia para mantener la oscilación.

Un transistor puede configurarse como amplificador de base común y el otro como seguidor de emisor. El tanque LC, con una impedancia mínima en la frecuencia de resonancia, presenta una carga pesada al colector. La salida del seguidor de emisor conectada de nuevo a la entrada del transistor de base común mantiene la oscilación en el circuito Peltz.

Para construir un oscilador LC que sea sintonizable eléctricamente, se coloca un varactor (condensador de tensión variable) en el circuito LC. El varactor es un diodo con polarización inversa. La capacitancia de cualquier unión PN, como en un diodo, disminuye a medida que aumenta la polarización inversa. En concreto, la cantidad de polarización inversa determina el grosor de la zona de agotamiento dentro del semiconductor. El grosor de la zona de agotamiento es proporcional a la raíz cuadrada de la tensión que polariza inversamente el diodo y la capacidad es inversamente proporcional a ese grosor, por lo que es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la tensión aplicada.

En consecuencia, la salida de una simple fuente de alimentación de CC puede conmutarse a través de un rango de resistencias o una resistencia variable para sintonizar el oscilador. Los varactores están diseñados para explotar eficazmente esta propiedad.

Un sólido con cualquier grado de elasticidad vibrará en cierta medida cuando se aplique energía mecánica. Un ejemplo es un gong golpeado por un mazo. Si se puede hacer que suene continuamente, puede funcionar como un circuito resonante en un oscilador electrónico.

El cristal de cuarzo es inminentemente adecuado para este papel porque es muy estable con respecto a su frecuencia de resonancia. La frecuencia de resonancia depende del tamaño y la forma del cristal. Con una precisión de hasta un segundo en 30 años, los osciladores de cuarzo sustituyeron a los péndulos en los relojes y fueron insuperables en precisión durante años, hasta la década de 1950, cuando los relojes atómicos entraron en escena.

El cristal de cuarzo como resonador tiene la asombrosa virtud de la electricidad inversa. Esto significa que cuando se corta, se conecta a tierra, se monta y se equipa con terminales, reacciona a un voltaje aplicado cambiando ligeramente su forma. Cuando se retira la tensión, volverá a su configuración espacial original, generando una tensión que puede medirse en los terminales. Esta vibración constituye su frecuencia de resonancia.

El cristal de cuarzo tiene otra virtud, y es que es barato, por lo que se utiliza ampliamente en muchas aplicaciones, incluyendo los mejores osciloscopios del mundo, analizadores de espectro y generadores de frecuencia arbitraria.