oscillatore

oscillatore

oscillatóre [Der. del lat. oscillatio -onis, dal part. pass. oscillatus di oscillare, a sua volta da oscillum, dim. di os "volto", dischetto di legno o di terracotta con l'immagine di un dio o di una scena mitica, sospeso al ramo di un albero sacro e quindi oscillante al vento] [LSF] Sistema capace di oscillare, cioè di diventare sede di oscillazioni, smorzate e quindi effimere (o. smorzato) oppure stabili (o. persistente, che è questo il signif. normale), sia meccaniche (o. meccanico: v. oltre) che elettriche (o. elettrico: v. oltre) o anche di natura non fisica (per es., biologiche); un o. fisico, in quanto capace di fornire energia sotto forma oscillante, può essere riguardato, in via generale, come un generatore e in effetti le due locuzioni o. e generatore (oscillatorio, oscillante, di oscillazioni, e simili) si alternano nell'uso. ◆ [EMG] [MCC] O. accoppiato: un o. (elettrico o meccanico) che abbia un trasferimento mutuo di energia con un altro o., per cui v'è un'influenza reciproca sulle oscillazioni del-l'uno e dell'altro; è un caso molto frequente nella meccanica, per il fatto che un o. meccanico, oscillando, mette in oscillazione anche il suo sostegno se questo non è sufficientemente rigido (per es., → pendolo: P. accoppiati). ◆ [ACS] [ELT] O. acustico: generatore di suoni o, in generale, onde elastiche o elettriche a frequenza acustica (20÷20 000 Hz); è tale, per es., un diapason (v. oltre: O. elettrico a diapason) o un altoparlante alimentato da un o. elettrico a frequenza acustica. ◆ [EMG] [MCC] O. armonico: ogni o. nel quale la grandezza oscillante (spostamento meccanico, intensità di corrente elettrica, ecc.) sia descritta da una funzione armonica, cioè da una funzione sinusoidale o esponenziale complessa; per es., un punto materiale di massa m soggetto a una forza di richiamo proporzionale allo spostamento x esprimibile come -mω2x, prende a descrivere un moto oscillante armonico descritto dall'equazione x(t)=A sin(ωt+B), con A e B opportune costanti, determinabili in base alle condizioni iniziali o di altro tipo. ◆ [MCQ] O. armonico quantistico: sistema la cui halmiltoniana è descritta da un'equazione simile a quella di un o. armonico classico: v. oscillatore armonico quantistico. ◆ [MCQ] O. armonico quantistico smorzato: v. semigruppi dinamici quantistici: V 166 b. ◆ [ELT] O. a sintesi di frequenza: altro nome del sintetizzatore di frequenza, dispositivo elettronico a stato solido in cui una qualunque frequenza è ottenuta per moltiplicazioni, divisioni e combinazione dei risultati a partire da un o. piezoelettrico, del quale il segnale sintetizzato conserva l'accuratezza e la stabilità: v. sintesi di frequenza. ◆ [ELT] O. Barkhausen-Kurz: il prototipo degli o. elettrici a campo frenante (v. oltre). ◆ [MCC] O. circolare: o. meccanico nel quale ogni punto della massa oscillante descrive un arco di cerchio, come, per es., un pendolo. ◆ [ELT] O. della base dei tempi: (a) o. piezoelettrico che in un contatore elettronico fornisce un segnale di frequenza accuratamente nota e stabile per le varie esigenze del conteggio (v. conteggio elettronico: I 738 a); (b) o. a rilassamento che negli oscilloscopi elettronici genera il segnale a rampa, a frequenza regolabile, per la deflessione orizzontale: v. oscillografi e oscilloscopi: IV 333 b. ◆ [ELT] O. di trasferimento di frequenza: v. conteggio elettronico: I 738 d. ◆ [EMG] O. elettrico: dispositivo capace di fornire energia elettrica in forma di corrente oscillante permanente con ben determinate caratteristiche (forma, frequenza, ampiezza, ecc.) a spese dell'energia elettrica fornita da un generatore, che usualmente è un generatore di corrente continua (da questo punto di vista, un o. elettrico può essere considerato un convertitore di energia elettrica); della corrente oscillante prodotta si utilizza o l'intensità (per es., per effetti elettromagnetici) oppure una tensione a essa associata (per es., la tensione ai capi del condensatore del circuito oscillante per ottenere la deflessione di un oscillografo). Gli o. elettrici possono essere classificati in vario modo: (a) in base alla forma della corrente oscillante si parla di o. sinusoidali, a segnale rettangolare, a segnale triangolare, ecc, impulsivi, ecc. (in rapporto a questa varietà di forme, certi o. elettrici sono chiamati anche generatori di forme d'onda); (b) in base alla frequenza della corrente oscillante si hanno o. a bassa frequenza, ad alta frequenza, ecc., ad audiofrequenza, ad altissima frequenza radio, ecc.; (c) in base alla potenza della corrente oscillante, si distinguono gli o. di potenza, quando quest'ultima grandezza è rilevante (dell'ordine delle decine di watt o più), e gli o. di segnale, con potenza piuttosto piccola, che servono non per utenze esterne dirette ma per pilotare amplificatori o altri dispositivi; (d) in base a particolarità costruttive (o. a transistore, a tetrodo termoelettronico, ecc.) e, soprattutto, di funzionamento, come, per es., o. a frequenza fissa e a frequenza variabile (cioè provvisti di organi con cui poter variare entro dati limiti la frequenza della corrente oscillante), o. a uscita variabile (cioè provvisti di organi con cui poter variare entro dati limiti l'ampiezza della corrente oscillante), ecc.; (e) infine, ma molto importante, in base al principio di funzionamento, parlandosi di o. a magnetostrizione, a reazione, a resistenza negativa, a rilassamento, piezoelettrici, ecc. ◆ [ELT] O. elettrico a battimenti: è costituito (v. fig.) da un o. a frequenza variabile (intervallo di frequenza da f₁ a f₂), un o. a frequenza fissa f₃, e un mescolatore (generic., un elemento non lineare, attivo o passivo), al quale ultimo sono applicati i segnali dei due o.; dal mescolatore si ottiene un segnale complesso, contenente segnali di frequenza pari sia alla somma, sia alla differenza delle frequenze dei segnali dei due o., dal quale un filtro separa il segnale utile. Quest'ultimo è normalmente, come nella fig., quello corrispondente alla differenza delle frequenze, e gli o. sono allora ad alta frequenza e il filtro è del tipo passa-basso. A tale disposizione si ricorre spec. per generare segnali a bassissima e a bassa frequenza, per i quali non è facile realizzare o. ordinari sufficientemente stabili. ◆ [ELT] O. elettrico a bloccaggio, od o. bloccato (ingl. blocked oscillator): tipo particolare di o. a rilassamento per generare impulsi ricorrenti periodicamente. È costituito da un amplificatore a un solo stadio (nel passato con un triodo e attualmente con un transistore) caratterizzato da una forte reazione positiva e governato dalla costante di tempo RC di un gruppo resistenza-capacità. Nello schema della fig. la reazione è data dal forte accoppiamento induttivo (a trasformatore) tra il circuito di collettore e quello di emettitore di un transistore; nel circuito di emettitore è presente il gruppo resistenza-capacità. All'atto dell'applicazione della tensione di alimentazione, il transitorio di corrente di collettore provoca un impulso di tensione nel circuito di emettitore, che carica il condensatore; la tensione ai capi di quest'ultimo è tale da portare il transistore all'interdizione, e questa condizione permane sinché la tensione ai capi del condensatore (che sta scaricandosi sul resistore) scende al di sotto della tensione d'interdizione; il transistore torna allora a condurre, si produce un impulso di corrente di collettore, e il ciclo si ripete; la tensione anodica presenta così un andamento a impulsi negativi (mostrati nella fig.), la durata dei quali dipende dalle caratteristiche del transistore e del trasformatore (può andare da qualche decina di microsecondi a qualche centesimo di microsecondo), mentre la frequenza di ripetizione è inversamente proporzionale alla costante di tempo RC. ◆ [STF] [ELT] O. elettrico a campo frenante: tipo di o., il primo dei quali fu l'o. Barkhausen-Kurz (1920), capace di operare a frequenze di microonde (a quell'epoca, centinaia di MHz), ora di interesse soltanto storico. Era costituito da un triodo speciale, con elettrodi a simmetria cilindrica (tubo di Barkhausen) in cui il circuito oscillante era costituito da una linea a fili paralleli e dalle capacità interelettrodiche (v. fig.); la griglia era a potenziale positivo rispetto al catodo e l'anodo a potenziale negativo, per cui gli elettroni emessi dal catodo erano accelerati verso la griglia e respinti dall'anodo, molti di essi prendendo a oscillare intorno alla griglia, con una frequenza (con la quale era in risonanza la linea) dipendente dalle dimensioni interelettrodiche e dalle tensioni applicate; in una successiva disposizione la frequenza veniva a dipendere anche dalla linea e quindi poteva essere variata variando le caratteristiche, spec. la capacità, della linea medesima. Questo tipo di o. perse ogni importanza con l'avvento di appositi tubi generatori di microonde (klystron e magnetron). ◆ [ELT] O. elettrico a campo magnetico: altra denomin., peraltro non usuale, del magnetron. ◆ [ELT] O. elettrico a cristallo: lo stesso che o. piezoelettrico (v. oltre). ◆ [ELT] O. elettrico ad accoppiamento di emettitore e ad accoppiamento catodico: quello nel quale il quadripolo formatore delle oscillazioni (circuito oscillante o rete RC) è inserito tra gli emettitori di due transistori o tra i catodi di due triodi termoelettronici. ◆ [STF] [ELT] O. elettrico ad accoppiamento elettronico (ingl. Electron Coupled Oscillator, sigla ECO): o. che utilizza un tubo termoelettronico a più griglie (tetrodo, pentodo, ecc.), di cui la seconda funziona da anodo virtuale per un o. a triodo (v. fig.) e da separatore per il circuito anodico, da cui si preleva il segnale d'uscita, con grande vantaggio per la stabilità rispetto a variazioni del carico; è stato l'o. più usato, a parte quelli piezoelettrici, prima dell'avvento dei transistori, cioè all'incirca prima degli anni '60. ◆ [STF] [ELT] O. elettrico ad arco: o. che sfrutta il tratto a resistenza negativa della caratteristica corrente-tensione di un arco elettrico; ha soltanto interesse storico, in quanto fu usato negli anni 1900-20 come o. di potenza in qualcuna delle prime stazioni radiotrasmittenti (1900: o. Duddell, perfezionato poi nell'o. Poulsen, 1903). ◆ [STF] [ELT] O. elettrico a diapason: o. a bassa frequenza, oggi di interesse quasi esclusivam. storico, costituito da un diapason mantenuto in oscillazione permanente mediante circuiti elettromagnetici o elettronici. Un circuito tipico, a triodo termoelettronico, è riportato nella figura. Ai due rebbi del diapason, a, sono accostati piccoli elettromagneti, due dei quali, b, con nucleo magnetizzato, costituiscono il circuito di griglia del triodo, mentre gli altri due, c, con avvolgimenti opposti rispetto ai precedenti, fanno parte del circuito anodico: il diapason, vibrando, induce negli avvolgimenti di b una tensione che determina una corrente anodica oscillante tale da dar luogo ad azioni degli elettromagneti c sui rebbi medesimi; il diapason resta così in regime di vibrazione permanente. Il segnale utile può essere ricavato dal circuito di griglia o dal circuito anodico. ◆ [ELT] O. elettrico agganciato in fase: v. sintesi di frequenza: V 244 b. ◆ [ELT] O. elettrico a magnetostrizione, o magnetostrittivo: o. a bassa frequenza (1÷200 kHz), oggi d'interesse quasi esclusivam. storico, in cui il risonatore è costituito da una sbarretta di nichel o di permalloy vincolata al centro come schematicamente indicato nella fig., sulla quale sono infilate due bobine, avvolte in senso contrario e facenti capo, rispettiv., all'emettitore e al collettore di un transistore; nella sbarretta si destano onde longitudinali stazionarie, con un nodo al centro e due ventri, in accordo di fase, alle estremità; poiché le correnti che scorrono nelle due bobine determinano campi magnetici oscillanti in fase, v'è continuo trasferimento di energia dal circuito elettronico alla sbarretta, che resta in regime di vibrazione permanente. Il segnale d'uscita può essere meccanico, costituito dalle onde elastiche nella sbarretta, oppure elettrico, costituito, per es., dalla tensione Vu indicata nella figura. ◆ [ELT] O. elettrico a multivibratore: o. a rilassamento, costituito da un multivibratore (←) astabile, sincronizzato o no; la forma d'onda del segnale prodotto è sensibilmente rettangolare. ◆ [ELT] O. elettrico a quarzo: lo stesso che o. piezoelettrico (v. oltre). ◆ [ELT] O. elettrico a resistenza e capacità: lo stesso che o. elettrico a sfasamento (v. oltre), in quanto il quadripolo formatore delle oscillazioni è costituito soltanto da resistori e condensatori. ◆ [ELT] O. elettrico a resistenza negativa: v. oscillatori elettronici: IV 326 f. ◆ [ELT] O. elettrico a retroazione, o a reazione positiva o a rigenerazione: v. oscillatori elettronici: IV 325 b. ◆ [ELT] O. elettrico a rilassamento: o. in cui è sfruttata la carica di un condensatore e la sua successiva scarica su un resistore, secondo un ciclo che si ripete automaticamente, producendosi in tal modo una corrente oscillante ma non sinusoidale, più frequentemente a dente di sega o impulsiva; i tipi principali sono l'o. a bloccaggio, l'o. a multivibratore (per i quali v. sopra) e l'o. con tubo a gas (v. oltre). ◆ [ELT] O. elettrico a risonatore: quello in cui il circuito oscillante è costituito da una cavità risonante. ◆ [ELT] O. elettrico a sfasamento: tipo di o. in cui il quadripolo formatore delle oscillazioni non è un circuito oscillante RCL ma un quadripolo RC, cioè senza induttori: v. oscillatori elettronici: IV 326 d. ◆ [STF] [ELT] O. elettrico con tubo a gas: nella sua forma più semplice è costituito secondo lo schema della fig., in cui un tubo a scarica luminescente (per es., una lampadina a neon), a, è alimentato da un generatore di corrente continua per il tramite di un resistore, di resistenza R, e ha in parallelo un condensatore, di capacità C; la forza elettromotrice del generatore dev'essere maggiore della tensione d'innesco, Vi, del tubo. Chiuso che sia il circuito, il condensatore prende a caricarsi, la tensione V ai capi di esso crescendo nel tempo esponenzialmente, con costante di tempo pari a RC; allorché V uguaglia Vi, s'innesca nel tubo la scarica, che si mantiene sinché V non assume un valore pari alla tensione di disinnesco, Vd, del tubo; a questo punto, il tubo non assorbe più corrente, il condensatore prende a ricaricarsi e il ciclo si ripete. Come mostra il diagramma della fig., la tensione Vu ai capi del tubo ha un andamento a dente di sega, oscillando tra Vd e Vi con un tratto ascendente relativ. lento (carica del condensatore attraverso il resistore) e un tratto discendente piuttosto ripido (scarica del condensatore attraverso il tubo); la frequenza dell'oscillazione a denti di sega è inversamente proporzionale al prodotto RC, ma ha un limite superiore (dell'ordine di qualche kHz) determinato dal tempo di ionizzazione e di deionizzazione del tubo (cioè dalla durata della scarica nel tubo). Sostanzialmente analogo è il funzionamento degli o. a thyratron, i quali, anziché un diodo a gas (qual è la detta lampadina a neon) impiegano un triodo o un tetrodo a riempimento gassoso. Questo tipo di o., che oggi non è più usato, ebbe una notevole importanza nel passato, all'incirca fino agli anni '60, quando, spec. nella versione a thyratron, era presente in tutti gli oscilloscopi a raggi catodici quale generatore della tensione a rampa per l'asse dei tempi orizzontale. ◆ [STF] [ELT] O. elettrico hertziano: o., di grande interesse storico, nel quale si ha un circuito oscillante a costanti distribuite, costituito da un'asta rettilinea (con o senza sfere alle estremità) la cui frequenza propria fondamentale corrisponde a una lunghezza d'onda (nell'aria) pari a poco più del doppio della lunghezza dell'asta, che si chiama un dipolo elettromagnetico a mezz'onda; di esso si servirono H. Hertz per le sue fondamentali esperienze (1885) sulle onde elettromagnetiche artificiali e, sempre nell'ambito fisico, A. Righi per le sue esperienze originali di ottica di tali onde, nonché, in campo applicativo, i precursori e i contemporanei di G. Marconi per la radiotelegrafia e lo stesso Marconi nei suoi primi e decisivi esperimenti a Pontecchio (1895) e poi altrove. Il primitivo o. di Hertz era costituito (fig. 1) dal suddetto dipolo, interrotto al centro da uno spinterometro a due sfere, per l'alimentazione da parte di un rocchetto di Ruhmkorff ad autoeccitazione (→ Ruhmkorff, Heinrich Daniel) connesso a una batteria di pile o di accumulatori; quando la tensione impulsiva generata dal rocchetto fa scoccare la scintilla nello spinterometro, si ha un impulso di corrente, che eccita oscillazioni proprie nel dipolo; queste oscillazioni sono piuttosto rapidamente smorzate, a causa della relativ. grande resistenza della scintilla, per cui si eccita nel dipolo e s'irraggia nell'aria circostante un treno di onde elettromagnetiche smorzate; ciò si ripete con la frequenza di interruzione automatica del rocchetto. Una notevole variante è l'o. di Righi, in cui il circuito oscillante è costituito (fig. 2) da due sfere metalliche identiche contenute in un recipiente con olio isolante ed eccitate a oscillare elettromagneticamente da due spinterometri collegati al secondario del rocchetto; caratteristiche specifiche di questo o., che fu quello usato da Marconi nei suoi primi esperimenti, sono la maggiore potenza e la capacità di generare onde radio di piccola e piccolissima lunghezza d'onda (cosa molto importante per le esperienze "ottiche" di Righi); poiché a ogni impulso di tensione del rocchetto scoccano tre scintille (due di pura "alimentazione", negli spinterometri, e una tra le sue sfere "oscillanti") si parlava anche di o. a tre scintille, o a quattro sfere (ma v'era anche una versione a due scintille, o a tre sfere, in cui il circuito oscillante era costituito da una sfera tra due altre sfere identiche (fig. 3). Nel campo della radiotelegrafia tali o. furono sostituiti intorno al 1900 da alternatori ad alta frequenza e ad arco e infine, intorno al 1920, da o. elettronici a triodo. ◆ [ELT] O. elettronico: denomin. generica di o. elettrici che usino dispositivi elettronici (tubi termoelettronici, transistori e derivati): v. oscillatori elettronici. ◆ [MCC] O. lineare: o. meccanico nel quale ogni punto della massa oscillante si sposta descrivendo periodicamente un segmento di retta. ◆ [MCC] O. meccanico: dispositivo conformato in maniera che in esso possano destarsi e possano essere eventualmente intrattenute oscillazioni meccaniche (lineari o angolari, oppure di pressione, ecc.). Un dispositivo del genere è, per es., quello costituito (fig. 1) da una massa appesa, per il tramite di una molla a elica, a un punto fisso; la massa, tirata (o spinta) verticalmente e poi abbandonata a sé stessa, prende a oscillare in su e in giù intorno alla posizione di quiete; in queste oscillazioni si ha una continua e reciproca trasformazione di energia cinetica della massa in energia potenziale elastica della molla (quando una è massima, l'altra è minima, e viceversa), salvo la parte di energia che a ogni oscillazione viene dissipata in calore a causa della resistenza del-l'aria e di attriti interni nella molla. Si ha una perfetta analogia formale con un circuito oscillante elettrico: l'induttanza di questo corrisponde alla massa, la capacità corrisponde alla cedevolezza della molla, la resistenza elettrica corrisponde alla resistenza meccanica. Così, la trattazione del comportamento di questo, come di ogni altro tipo di o. meccanico, può farsi riconducendosi, nel quadro dell'analogia elettromeccanica (→ elettromeccanico), a un equivalente circuito elettrico. Qui ci limiteremo a ricordare che l'o. della fig. 1 può essere schematizzato, come mostra la fig. medesima, in un punto materiale P, di massa m, libero di muoversi lungo una traiettoria rettilinea e soggetto, ove venga spostato dalla sua posizione di equilibrio C, a una forza costantemente rivolta verso C (centro del moto) e di intensità proporzionale, secondo una costante positiva k, alla distanza x del punto da C (-kx, forza di richiamo elastica: nel caso specifico, quella esplicata dalla molla sulla massa). Istituito sulla traiettoria un sistema di ascisse rettilinee, x, con origine in C, se si assumono nulle le resistenze al moto del punto, il moto medesimo è descritto dall'equazione differenziale m(d2x/dt2)=-kx, essendo t il tempo; integrando, si ottiene: x=X cos (ωt-φ), dove X, ampiezza del moto, è la massima elongazione del punto da C, (ωt-φ) è la fase istantanea, ω la pulsazione (variazione, in radianti, della fase, cioè del-l'argomento ωt-φ del coseno nell'unità di tempo), φ la fase iniziale (cioè all'istante t=0). Delle tre grandezze che caratterizzano il moto, la pulsazione ha il valore ω=(k/m)1/2, dipendente dunque dalle caratteristiche meccaniche del sistema, mentre l'ampiezza e la fase iniziale (che sono le costanti d'integrazione) dipendono dalle condizioni iniziali, cioè dalla posizione x₀ e dalle velocità v₀ che competono al punto nell'istante t=0; si ha, precis., X=[x₀2 +(v₀2 /ω2)]1/2, φ=arctan[-v₀/(ωx₀)]. Il punto risulta animato da un moto oscillatorio permanente, movendosi con continuità tra due posizioni estreme, di ascissa X e -X rispettiv., con una frequenza f e un periodo T dati dalle relazioni: f=1/T=ω/(2π)=(k/m)1/2/(2π). È il caso dell'o. armonico non smorzato. In partic., se è x✄=a e v₀=0 (il punto viene abbandonato liberamente a distanza a da C), risulta X=a, φ=0 e quindi x=a cos(ωt): per x si ha l'andamento temporale illustrato nella fig. 2. In pratica, però, occorre tener conto delle inevitabili resistenze al moto, e ciò vien fatto introducendo un termine rappresentante una forza resistente, diretta, come quella di richiamo elastico, costantemente nel verso contrario al moto. Nella maggior parte dei casi tale forza può assumersi proporzionale, secondo una costante positiva r, alla velocità dx/dt di P, talché l'equazione assume la forma: m(d2x/dt2)=-kx-r(dx/dt), equivalente a (d2x/dt2)+(r/m)(dx/dt)+ ω2x=0; la soluzione di questa equazione è del tipo x=c₁ exp(d₁t)+c₂ exp(d₂t), dove d₁ e d₂ sono le radici dell'equazione algebrica d2+(r/m)d+ω2=0, e c₁, c₂ sono costanti da determinare in base alle condizioni iniziali. Se è soddisfatta la condizione r2≥4m2ω2, cioè se r≥2(mk)1/2, d₁ e d₂ sono radici reali (eventualmente coincidenti) e il moto è aperiodico, P tendendo asintoticamente a portarsi dalla posizione iniziale verso il centro C; se, invece, è r