oscillatóre
Indice
Lessico
sm. [sec. XX; da oscillare].
1) Sistema fisico classico quantistico in grado di eseguire oscillazioni di frequenza determinata. In particolare, in elettronica, circuito che genera spontaneamente oscillazioni, cioè segnali variabili periodicamente. Se il segnale generato è sinusoidale, l'oscillatore è detto sinusoidale o armonico.
2) Costituente fondamentale dell'orologio, più correttamente detto “generatore di oscillazioni” in quanto fornisce le oscillazioni isocrone che regolano la marcia uniforme del meccanismo. Sono tali il pendolo, il bilanciere e il diapason.
Fisica
Oscillatore lineare armonico è il sistema costituito da un punto materiale P di massa m, mobile su una retta, sottoposta all'azione di una forza F che lo attira verso un punto O in modo proporzionale alla distanza OP=x:
Secondo la meccanica classica il punto P esegue oscillazioni armoniche di ampiezza e fase individuate dalle condizioni iniziali. La frequenza dell'oscillatore è
con m massa del punto materiale. La meccanica ondulatoria determina la distribuzione di probabilità della posizione della particella ricavandola dalle soluzioni della corrispondente equazione di Schrödinger. Tali soluzioni esistono solo per energie dell'oscillatore quantistico date da
, in cui n è un intero positivo, h è la costante di Planck, f0 è la frequenza dell'oscillatore calcolata secondo la meccanica classica. Al crescere della energia dell'oscillatore la distribuzione di probabilità calcolata quantisticamente tende ad approssimarsi alla corrispondente espressione classica per una particella con la stessa energia. In meccanica quantistica si considerano anche oscillatori armonici tridimensionali, cioè sistemi costituiti da un punto materiale di massa m, nello spazio ordinario tridimensionale, attirato verso un punto O da una forza di componenti -k, -k, -k. In questo caso si individuano come valori possibili per l'energia dell'oscillatore, in particolare se esso è isotropo (cioè con frequenze uguali lungo i tre assi coordinati):
con n, n, n, n numeri interi positivi. La distribuzione di probabilità della posizione dell'oscillatore per ogni valore di W è determinata da tante soluzioni dell'equazione di Schrödinger quante sono le terne di numeri interi n, n, n che hanno per somma n. Oscillatore parametrico ottico è uno strumento di misura utilizzato per la misurazione di effetti fisici ottici al di sotto della soglia ordinaria dei laser. In pratica si tratta di un sistema laser costruito in maniera tale da minimizzare il cosiddetto rumore quantico. Il principale campo di applicazione di questi strumenti è l'interferometria ottica fine.
Elettronica
Gli elementi essenziali per il funzionamento di un oscillatore, che si possono riconoscere pur nella varietà delle forme circuitali, sono una funzione di amplificazione eseguita da uno o più componenti attivi, un collegamento di reazione positiva che riporta all'ingresso parte del segnale di uscita, una funzione selettiva realizzata da una rete filtrante con stretta banda passante. L'innesco spontaneo delle oscillazioni si verifica imponendo un guadagno d'anello della spira di reazione maggiore di uno. Infatti, in questa condizione è sufficiente un piccolo disturbo oppure il rumore elettrico proprio del circuito per causare la crescita indefinita dell'ampiezza di segnale entro l'oscillatore. D'altro canto, la rete selettiva introduce un tasso dicrescita variabile per le differenti componenti in frequenza, favorendo quelle interne alla sua banda passante e in particolare quella alla frequenza di massima trasmissione. L'ampiezza dell'oscillazione cresce fino a invadere tutta la dinamica del componente attivo utilizzato, allorché quest'ultimo interviene per cimatura di interdizione o saturazione a ridurre il guadagno d'anello riportandolo a un valore esattamente uguale a uno (condizione di Barkhausen, che corrisponde al regime di oscillazione ad ampiezza costante). La forma d'onda generale è tanto più prossima a quella sinusoidale, cioè a ridotto contenuto di armoniche, quanto minore è la riduzione del guadagno d'anello che il componente deve eseguire per cimatura passando dalla condizione di innesco a quella di oscillazione permanente, e quanto più elevata è la selettività della rete. Gli oscillatori si possono classificare in relazione ai tipi di componenti, attivi e di reti selettive impiegate, ai livelli di tensione o potenza erogata, al campo di frequenza di lavoro. Riguardo alla rete selettiva, gli oscillatori possono essere a resistenza-capacità (o RC) e a induttanza-capacità (o LC), rispettivamente per impieghi a bassa frequenza (fino a 1MHz) e a media-alta frequenza (0,1¸100 MHz) oppure a quarzo per alta precisione in frequenza (con deviazione relativa in frequenza Δf/f0, dove f0 è la frequenza di oscillazione, di ca. 10-7 nel campo 0,5¸50 MHz). Per potenze erogate inferiori a qualche centinaio di W i transistori costituiscono il componente attivo ideale, mentre i tubi a vuoto trasmittenti possono raggiungere le centinaia di kW. I diodi tunnel polarizzati nella regione a resistenza negativa sono viceversa usati come componenti attivi per iperfrequenze (0,5 ÷10 GHz), insieme ai diodi a effetto Gunn e a valanga. Gli oscillatori LC si distinguono in oscillatori Colpitts, Hartley e Meissner, dal nome dei loro inventori, secondo che la reazione positiva sia ottenuta attraverso una partizione capacitiva, induttiva o per mutua induzione. Il transistore opera negli schemi con carico risonante di collettore, mentre il condensatore di accoppiamento Ca e l'induttanza di blocco Lb servono per separare il gruppo selettivo dalle polarizzazioni; la frequenza di oscillazione è
Questi schemi si prestano specialmente per le applicazioni a frequenza fissa, quali per esempio il comando di generatori di ultrasuoni per lavaggio e lavorazioni meccaniche e il riscaldamento ad alta frequenza induttivo e capacitivo. Viceversa, oscillatori a frequenza variabile per la diagnostica dei circuiti sono realizzabili mediante configurazioni a transistori e reti filtranti RC. Per esempio, con la rete a sella o RC-RC disposta tra ingresso e uscita di uno stadio amplificatore non invertente a due transistori complementari, è possibile coprire un ampio campo di frequenze (1Hz÷1MHz) combinando le variazioni continue di R e a scatti di C, con una frequenza di oscillazione
. Nell'oscillatore a sfasamento , i tre gruppi RC producono ciascuno uno sfasamento di 60º alla frequenza di oscillazione, compensando perciò l'inversione di fase introdotta dal transistore tra base e collettore. Anche gli amplificatori operazionali integrati si prestano alla realizzazione di oscillatori LC e RC; , la reazione positiva riportata al morsetto di ingresso non invertente sul gruppo risonante LC parallelo è tenuta, alla frequenza di oscillazione
, di poco maggiore di quella negativa a larga banda riportata al morsetto di ingresso invertente tramite il partitore R₁R₂. In radiotecnica, gli oscillatori sono usati a elevati livelli di potenza nei trasmettitori, e nei ricevitori come oscillatori locali per la conversione a frequenza intermedia. Nelle trasformazioni di potenza, gli oscillatori servono altresì come invertitori e come convertitori di frequenza. Infine, gli oscillatori a forma d'onda non sinusoidale (per esempio a rilassamento), dotati di reazione positiva a banda larga, funzionano e sono considerati più propriamente come circuiti a scatto o multivibratori. È detto oscillatore bloccato o blocking un oscillatore costituito da un solo dispositivo attivo (per esempio un transistore) e un trasformatore atto a generare impulsi periodici.