Oscilador de onda cuadrada

LM324

El LM324 es un amplificador operacional cuádruple de propósito general fabricado por Texas Instruments. Contiene cuatro amplificadores independientes en un solo encapsulado de 14 pines, y funciona con fuente simple de 3 a 32 V o fuente partida de ±1,5 a ±16 V. Su entrada acepta señales hasta la masa de alimentación, lo que simplifica los circuitos con fuente simple. El consumo es bajo y el ancho de banda es de aproximadamente 1 MHz, suficiente para aplicaciones de baja frecuencia como este oscilador.

En este circuito se usa solo uno de los cuatro amplificadores (U1, pines 1-2-3). Los tres restantes quedan libres para otros usos o se dejan con las entradas conectadas a masa para evitar oscilaciones espurias.

Cómo funciona el circuito

El circuito es un oscilador astable clásico que genera una onda cuadrada en la salida Vo aprovechando la realimentación positiva del amplificador operacional. Se compone de solo cinco componentes: un amplificador (U1), cuatro resistencias (R1–R4) y un condensador (C).

Realimentación positiva (R4). Las resistencias R2 y R3, ambas de 100 kΩ, forman un divisor de tensión entre la salida Vo y masa, conectado a la entrada no inversora (+). Cuando la salida está en alto (≈ V+), la entrada (+) queda a V+*2/3; cuando la salida está en bajo (≈ 0 V), la entrada (+) cae a V+*1/3 V. Este divisor fija los umbrales de conmutación del oscilador.

Temporización (R1-C). El condensador C (0,01 µF) se carga y descarga a través de R1 (100 kΩ), conectado entre la salida y la entrada inversora (−). La tensión en la entrada (−) sigue una exponencial que sube hacia V+ o baja hacia 0 V según el estado de la salida.

Ciclo de oscilación. Supongamos que la salida arranca en alto:

1. C se carga a través de R1 hacia V+. La tensión en (−) sube.
2. Cuando la tensión en (−) supera el umbral de la entrada (+) (V+*2/3), el amplificador conmuta: la salida pasa a bajo.
3. Ahora C se descarga a través de R1 hacia 0 V. La tensión en (−) baja.
4. Cuando la tensión en (−) cae por debajo del nuevo umbral de (+) (V+*1/3), el amplificador conmuta de nuevo a alto.

El proceso se repite indefinidamente, generando una onda cuadrada en Vo.

Diseño de aplicación

Frecuencia de oscilación

La frecuencia depende de R1, C y de los umbrales fijados por R2, R3 y R4. Con las tres resistencias iguales, los umbrales quedan a V+/3 y 2V+/3, y la frecuencia es aproximadamente:

$$f \approx \frac{0{,}72}{R_1 \cdot C}$$

Con los valores del esquema ($R_1 = 100\,\text{k}\Omega$, $C = 0{,}01\,\mu\text{F}$):

$$f \approx \frac{0{,}72}{100 \times 10^{3} \cdot 0{,}01 \times 10^{-6}} \approx 720\,\text{Hz}$$

Ajuste de la frecuencia

Para cambiar la frecuencia basta con modificar R1 o C:

$$f \propto \frac{1}{R_1 \cdot C}$$

Duplicar R1 o C reduce la frecuencia a la mitad. Sustituir C por 0,1 µF baja la frecuencia a unos 72 Hz; usar 1 nF la sube a unos 7,2 kHz. El rango práctico está limitado por el ancho de banda del LM324 (~1 MHz) y por el slew rate (~0,5 V/µs), que redondea los flancos a frecuencias altas.

Ciclo de trabajo

Con los umbrales simétricos a V+/3 y 2V+/3, ambos semiciclos tienen la misma duración y el ciclo de trabajo es idealmente del 50 %. En la práctica, la salida del LM324 no alcanza exactamente V+ ni 0 V, lo que introduce una ligera asimetría. Si se necesita una onda cuadrada precisa, conviene usar un amplificador operacional con salida rail-to-rail o un comparador dedicado.

Consumo

El LM324 tiene un consumo típico por amplificador de unos 375 µA. El circuito oscilador añade la corriente por el divisor R2-R3 y por R4, que con 100 kΩ y una alimentación de 5 V es del orden de 50 µA por rama. El consumo total del circuito se mantiene por debajo de 1 mA a 5 V, lo que lo hace adecuado para aplicaciones alimentadas por batería.

Otras aplicaciones

Además del oscilador de onda cuadrada descrito aquí, el LM324 se utiliza en una gran variedad de circuitos analógicos:

• Comparador de tensión. Usando la misma topología pero sin el condensador de temporización, el amplificador compara dos tensiones y da una salida alta o baja.
• Amplificador de instrumentación. Combinando dos o tres de los cuatro amplificadores internos para medir señales diferenciales pequeñas con alta impedancia de entrada.
• Filtros activos. Paso bajo, paso alto o paso banda para acondicionamiento de señal en sensores, audio o control.
• Generador de onda triangular. Añadiendo un integrador en cascada con el oscilador de onda cuadrada, se obtiene una rampa triangular.
• Regulador lineal sencillo. Como amplificador de error en fuentes de alimentación reguladas de baja potencia.