Capacitores e indutores podem ser combinados para criar circuitos ressonantes, que têm características de freqüência pronunciadas. A quantidade de capacitância e indutância destes dispositivos determina tanto a frequência ressonante quanto a agudeza da curva de resposta (conhecida como Q) que estes circuitos apresentam.

Se a capacitância e indutância estão em paralelo, em ressonância o circuito LC paralelo age como um circuito aberto, sendo a corrente do circuito determinada por qualquer resistência no circuito. Assim, a impedância total de um circuito paralelo de ressonância em ressonância torna-se apenas o valor da resistência.

Há muitas aplicações para circuitos ressonantes, incluindo sintonia seletiva em transmissores e receptores de rádio e supressão de harmônicas indesejadas.

Em uma discussão sobre o oscilador LC, é a ressonância paralela que é de interesse. Um indutor e um condensador em configuração paralela são conhecidos como circuito de tanque. Uma condição de ressonância ocorre no circuito quando
XC = XL ou 1/2πfC = 2πfL

Onde f é freqüência e C é capacitância e L é indutância.

Resonância ocorre quando a reatância indutiva e capacitiva são iguais, ou seja, 2πfL = 1/2πfC. Isto só pode acontecer a uma determinada frequência. A equação pode ser simplificada para:

Desta informação é possível, conhecendo os parâmetros capacitivos e indutivos de um circuito, encontrar a frequência ressonante. Alternativamente, se uma determinada freqüência ressonante for desejada, os valores L e C podem ser escolhidos.

Em um circuito ressonante, Q denota qualidade. Q é a energia de pico (ou seja, máxima) armazenada em um circuito ressonante em relação à energia dissipada no decorrer de um ciclo. É a razão entre a frequência ressonante fr e a largura de banda Bw. Como a largura de banda está no denominador, um circuito com Q mais alto terá menos largura de banda: Q = fr/Bw

Mas deve ser dito que em algumas aplicações, o Q de um circuito ressonante é intencionalmente reduzido. Isto pode ser feito através da introdução de um resistor “Q spoiling”. Além de ser importante nos circuitos eletrônicos, Q é relevante nos sistemas mecânicos, acústicos, ópticos e outros sistemas oscilantes.

Genericamente falando, um oscilador em um circuito eletrônico converte a tensão de alimentação dc em uma saída ac, que pode consistir em uma variedade de formas de onda, freqüências, amplitudes e ciclos de trabalho. Ou a saída pode ser uma onda senoidal básica sem outro conteúdo harmônico.

Um oscilador LC, um subtipo do oscilador eletrônico, é freqüentemente visto em aplicações de radiofreqüência devido a sua saída de alta qualidade e design simples. Ele consiste em um amplificador incorporando feedback positivo (regenerativo) em conjunto com um circuito ressonante LC com um parâmetro Q adequado.

O objetivo ao construir um amplificador é projetar um circuito que não entre em oscilação. Em um amplificador não destinado a operar como um oscilador, uma quantidade limitada de realimentação positiva pode ser usada para aumentar o ganho. Uma resistência variável pode ser colocada em série com a realimentação para evitar que o circuito entre em oscilação. Em um auditório com sistema PA, é necessário manter a separação entre alto-falante e microfone para controlar a realimentação e impedir a oscilação. A distância entre o microfone e o alto-falante comporta-se como uma resistência para as ondas de freqüência de áudio.

LC osciladores (ao contrário dos osciladores RC, que são não ressonantes e baseados unicamente em uma constante de tempo) são sintonizados para tocar em uma freqüência específica, dependendo da interação das reações capacitivas e indutivas. Eles são análogos aos ressonadores eletromecânicos como os osciladores de cristal de quartzo.

O processo de medição da freqüência de ressonância de um circuito oscilador começa acoplando um gerador de sinais RF ao circuito. O acoplamento entre o gerador e o oscilador deve ser solto. Caso contrário, a resistência de saída do gerador pode carregar o circuito e reduzir o seu Q.

Próximo ajustamos o gerador para a frequência em que queremos medir o Q. Ajustamos o circuito do oscilador (muitas vezes girando o condensador sintonizador) para ver a tensão máxima numa sonda de alcance ligada ao circuito do tanque. O circuito está agora em ressonância, esta frequência é a frequência de ressonância do circuito.

Mostemos então a tensão do circuito oscilador em frequência de ressonância. Variamos a frequência do gerador um pouco acima e abaixo da ressonância e determinamos as duas frequências em que a tensão sobre o circuito é 0,707 vezes o valor em ressonância. A tensão a 0,707 vezes a ressonância é o ponto -3 dB.

A largura de banda do oscilador é a diferença entre as freqüências correspondentes a estes dois pontos 0,707. Então Q é a freqüência ressonante dividida por esta largura de banda.

A configuração de teste normalmente inclui um gerador de sinais, uma bobina de acoplamento, um escopo e uma sonda 1:100. A saída do gerador de sinal se conecta à bobina de acoplamento com cerca de 50 voltas. Para frequências na faixa de megahertz, colocamos a bobina de acoplamento a cerca de 20 cm do circuito do oscilador. A distância de 20 cm é destinada a dar um acoplamento solto entre a bobina e o oscilador.

Conectamos então a sonda ao circuito do oscilador. A conexão à terra da sonda de medição deve ser conectada à caixa do condensador do sintonizador. A sonda de medição é conectada ao osciloscópio. A sonda de medição constitui uma pequena carga do circuito, de modo que o Q normalmente não cai muito. Existem também sondas 1:1 e 1:10, mas estas podem carregar o circuito oscilador. Uma sonda 1:100 tem tipicamente uma resistência de entrada de 100 MΩ e uma capacidade de entrada de 4 pF.

Por causa da atenuação de 100x na sonda, a saída do gerador de sinal geralmente deve ser ajustada bastante alta.

Um gerador de varredura pode simplificar alguns aspectos desta medição. A “saída de varredura” se conecta à entrada X do osciloscópio com o osciloscópio no modo X-Y. Agora o traço do osciloscópio corre da esquerda para a direita, sendo o lado esquerdo a frequência de arranque e o lado direito a frequência de paragem. Um bom lugar para começar é com a freqüência de varredura ajustada em cerca de 10 Hertz.

A entrada Y do osciloscópio é conectada ao oscilador através da sonda 1:100. A saída RF do gerador de varredura se conecta à bobina de acoplamento, que é colocada a cerca de 20 cm da bobina do osciloscópio.

Podemos girar o capacitor do sintonizador e obter a curva do oscilador na tela do osciloscópio. O botão de amplitude do gerador de varredura ajusta a altura do pico da curva. A grande vantagem deste método é que as mudanças na freqüência de ressonância do circuito oscilador podem ser vistas diretamente na tela. Também, as mudanças em Q serão evidentes porque a altura do pico mudará.

Os osciladores deLC vêm na forma de vários subtipos:

– O oscilador Armstrong, inventado em 1912 por Edwin Armstrong, foi o primeiro oscilador eletrônico, em oposição aos osciladores mecânicos como o pêndulo que tinha sido ao redor para sempre. O oscilador Armstrong foi originalmente usado em transmissores de tubo de vácuo. Eles mais tarde serviram no receptor regenerativo onde o sinal de RF da antena acoplada à indutância LC por meio de uma bobina auxiliar. A bobina podia ser ajustada para que o circuito não oscile. Este mesmo circuito funcionava para desmodular o sinal de RF.

– O oscilador Colpitts, inventado por Edwin Colpitts em 1918, deriva o feedback do que pode ser considerado como uma capacitância central. Este é na verdade um divisor de voltagem composto por dois condensadores em série. O dispositivo ativo, um amplificador, pode ser um transistor de junção bipolar, um transistor de efeito de campo, um amplificador operacional ou um tubo de vácuo. A saída se conecta de volta à entrada através de um circuito LC sintonizado que constitui um filtro passa-banda que toca na freqüência desejada.

A O oscilador Colpitts pode funcionar como um oscilador de freqüência variável – como em um receptor superheterodyne ou analisador de espectro – quando o indutor é tornado variável. Isto é em vez de afinar um dos condensadores ou introduzindo um condensador variável separado em série com o indutor.

>231>Oscilador Hartley- Um oscilador Hartley, inventado por Ralph Hartley em 1915, é uma imagem espelho do oscilador Colpitts. A diferença é que, em vez de uma capacitância central em conjunto com um indutor, ele emprega uma indutância central em conjunto com um condensador. O sinal de realimentação vem da conexão do indutor central ou em série entre dois indutores.

Estas indutâncias não precisam ser acopladas mutuamente, de modo que elas podem consistir em duas bobinas separadas conectadas em série, em vez de um único dispositivo com ponta central. Na variante com uma bobina central, a indutância é maior porque os dois segmentos estão magneticamente acoplados.

No oscilador Hartley, a frequência pode ser facilmente ajustada usando um condensador variável. O circuito é relativamente simples, com uma baixa contagem de componentes. Um oscilador de alta freqüência estável pode ser construído substituindo um ressonador de cristal de quartzo pelo capacitor.

– O oscilador Clapp, outro dispositivo LC, consiste similarmente de um transistor ou tubo de vácuo com uma rede de realimentação baseada na interação da indutância e capacitância ajustada para a freqüência de operação desejada. Ele foi inventado por James Clapp em 1948. Ele se assemelha ao circuito Colpitts, com um terceiro condensador colocado em série com o indutor. É uma melhoria sobre o oscilador Colpitts, no qual a oscilação pode não surgir em certas freqüências fazendo lacunas no espectro.

– O oscilador Peltz difere dos osciladores Colpitts, Clapp e Hartley em que usa dois transistores em vez de um único dispositivo amplificador. Como outros osciladores, o objetivo é fornecer um ganho combinado maior que a unidade na freqüência ressonante de modo a sustentar a oscilação.

Um transistor pode ser configurado como um amplificador base comum e o outro como um seguidor emissor. O tanque LC, com impedância mínima na freqüência ressonante, apresenta uma carga pesada para o coletor. A saída do seguidor do emissor conectado de volta à entrada do transistor base comum mantém oscilação no circuito Peltz.

Para construir um oscilador LC que seja eletricamente sintonizável, um varactor (capacitor de tensão variável) é colocado no circuito LC. O varactor é um díodo com polarização inversa. A capacitância de qualquer junção PN, como em um diodo, cai à medida que a polarização inversa sobe. Especificamente, a quantidade de polarização inversa determina a espessura da zona de depleção dentro do semicondutor. A espessura da zona de depleção é proporcional à raiz quadrada da tensão que polariza inversamente o diodo e a capacitância é inversamente proporcional a essa espessura, e assim é inversamente proporcional à raiz quadrada da tensão aplicada.

De acordo, a saída de uma fonte de alimentação dc simples pode ser comutada através de uma gama de resistências ou uma resistência variável para sintonizar o oscilador. Os variadores são projetados para explorar eficientemente esta propriedade.

Um sólido com qualquer grau de elasticidade vibrará até certo ponto quando a energia mecânica for aplicada. Um exemplo é um gongo atingido por um martelo. Se ele pode ser feito para tocar continuamente, ele pode funcionar como um circuito ressonante em um oscilador eletrônico.

Cristal de quartzo é iminentemente adequado para este papel porque ele é altamente estável no que diz respeito à sua freqüência ressonante. A frequência ressonante depende do tamanho e forma do cristal. Com precisão de até um segundo em 30 anos, os osciladores de quartzo substituíram pêndulos em relógios e foram insuperáveis em precisão por anos, até os anos 50, quando os relógios atômicos entraram na figura.

Cristal de quartzo como ressonador tem a incrível virtude da eletricidade inversa. O que isto significa é que quando devidamente cortado, aterrado, montado e equipado com terminais, ele reagirá a uma tensão aplicada, mudando ligeiramente de forma. Quando a tensão é removida, voltará à sua configuração espacial original, gerando uma tensão que pode ser medida nos terminais. Esta vibração constitui sua freqüência ressonante.

Cristal de quartzo tem outra virtude, que é que é barata, por isso é amplamente utilizada em muitas aplicações, incluindo os melhores osciloscópios do mundo, analisadores de espectro e geradores de freqüência arbitrários.