OSCILADORES DE CRISTAL DE CUARZO

 Lo que antes se consideraba imposible con el cuarzo y los osciladores se ha hecho posible en las últimas décadas gracias a los avances tecnológicos: tamaños cada vez más pequeños sin sacrificar el rendimiento o los costos.

 Pero primero veamos un resúmen de lo que es un oscilador, antes de entrar de lleno en los de cristal de cuarzo.

¿Qué es un Oscilador Electrónico?


 Un oscilador es un circuito electrónico que genera a su salida una señal (corriente o tensión) oscilante repetitiva, es decir que varía de un valor a otro cada cierto tiempo, como por ejemplo lo hace una señal de corriente alterna de una onda senoidal.

 Se llama oscilador porque la corriente eléctrica (o tensión) de salida generada es una corriente que oscila entre diferentes valores.

 Un oscilador típico sería un circuito electrónico (circuito oscilador) capaz de generar una señal de corriente alterna (ca) a su salida a partir de una corriente continua (cc) de entrada.

 Básicamente convierten el flujo de corriente unidireccional de una fuente de CC en una forma de onda alterna que es de la frecuencia deseada, según lo decidido por los componentes del circuito oscilador.

 Las características de las señales alternas generadas, como la frecuencia, la tensión, …etc. dependen del circuito oscilador que las genere (de los componentes del circuito).

 El principio de funcionamiento de los osciladores se basa en la realimentación positiva, la cual consiste en tomar parte de la señal de salida y sumarla a la señal de entrada (realimentación).

 El amplificador suministra la energía necesaria al oscilador y el circuito de realimentación mantiene la oscilación.

esquema oscilador

 Podemos imaginar un oscilador como un circuito amplificador, por ejemplo un transistor, que se suministra a si mismo la señal de entrada (señal a la base del transistor).

 Los componentes de la red de realimentación, son del tipo reactivo, esto es, se encuentra formada por la asociación de bobinas (L) y/o condensadores (C) que, como es sabido, dichos componentes presentan pérdidas.

 Ejemplos comunes de señales generadas por osciladores incluyen señales transmitidas por transmisores de radio y televisión, señales de reloj que regulan computadoras y relojes de cuarzo, y los sonidos producidos por beepers electrónicos y videojuegos.

 En el caso de los osciladores RC (Resistor-Capacitor) o RLC (Resistor-Inductor-Capacitor), no son una buena opción cuando se necesitan oscilaciones estables y precisos.

 Los cambios de temperatura afectan la carga y la línea de suministro de energía, lo que a su vez afecta la estabilidad del circuito oscilador.

 La estabilidad se puede mejorar hasta cierto nivel en el caso de los circuitos RC y circuitos RLC, pero aún así la mejora no es suficiente en casos específicos.

 Cuando queramos un oscilador estable y preciso utilizaremos los osciladores de cristal de cuarzo.

Oscilador de Cuarzo

 Todo comenzó en 1880 con el descubrimiento del fenómeno piezoeléctrico, la capacidad de un material para crear un voltaje mediante la aplicación de presión, por los hermanos Jacques y Pierre Curie.

Efecto PiezoEléctrico: Hacemos una presión mecánica y generamos una tensión eléctrica y viceversa (efecto reversible). Abajo tienes un video donde se ve el efecto.

 Esto sentó las bases para el desarrollo del primer oscilador de cristal, utilizando primero los cristales de sal de Rochelle, en 1917 por Alexander M. Nicholson en los famosos Laboratorios Bell Telephone. El primer oscilador de cuarzo nació en 1921 cuando Walter Guyton Cady hizo su invención pionera.

 Existen muchos tipos diferentes de sustancias cristalinas que pueden usarse como osciladores, siendo los más importantes para los circuitos electrónicos los minerales de cuarzo, debido en parte a su mayor resistencia mecánica.

 El cuarzo posee unas muy buenas propiedades piezoeléctricas, por lo que se puede utilizar para generar señales de reloj constantes. Dependiendo de cómo se manipula mecánicamente un cristal de cuarzo, tiene una frecuencia natural definida con precisión a la que vibra cuando se pasa un pulso eléctrico a través del cristal.

 Este efecto piezoeléctrico es reversible, lo que significa que cuando se aplica un voltaje entre los dos lados de un cristal de cuarzo, se deforma mecánicamente (efecto piezoeléctrico recíproco) y continúa como una oscilación periódica muy débilmente amortiguada.

 El principio de funcionamiento de un oscilador de cristal de cuarzo se fundamenta en el hecho de que, al aplicar a dicho cristal una tensión alterna, se producirá una vibración en él, que será proporcional a la tensión aplicada.

 La propiedad por la cual en un componente de este tipo se produce una vibración mecánica al aplicarle una tensión eléctrica y, por el contrario, al someterlo a una deformación o vibración mecánica generará una tensión eléctrica, se conoce como explicamos anteriormente como efecto piezoeléctrico, y son algunos materiales tales como el cuarzo y algunos materiales cerámicos los que presentan esta propiedad.

 A medida que convierte la energía eléctrica en mecánica y mecánica en eléctrica, se denomina Transductores. Estos cambios producen una vibración muy estable, y como efecto piezoeléctrico produce oscilaciones estables.

Veamos un video donde se muestra el efecto piezoeléctrico en los cristales de cuarzo.



 El cristal de cuarzo utilizado en un oscilador de cristal de cuarzo es una pieza muy pequeña, delgada o una oblea de cuarzo cortado con las dos superficies paralelas metalizadas para hacer las conexiones eléctricas requeridas.

 El tamaño físico y el grosor de una pieza de cristal de cuarzo está estrechamente controlado, ya que afecta la frecuencia final o fundamental de las oscilaciones. La frecuencia fundamental generalmente se llama los cristales "frecuencia característica".

 Una vez cortado y conformado, el cristal no se puede usar en ninguna otra frecuencia. En otras palabras, su tamaño y forma determinan su frecuencia de oscilación fundamental.

 Un cristal que vibra mecánicamente puede estar representado por un circuito eléctrico equivalente que consiste en una resistencia R  de pequeño valor, una gran inductancia L y una pequeña capacitancia C.

 A continuación podemos observar el circuito eléctrico equivalente de un cristal de cuarzo:



 Dependiendo de las características constructivas del cristal de cuarzo, variarán los correspondientes valores de L, R, C1 y C2.

 El circuito eléctrico equivalente para el cristal de cuarzo es un circuito RLC en serie, que representa las vibraciones mecánicas del cristal, en paralelo con una capacitancia, Cp, que representa las conexiones eléctricas al cristal. Los osciladores de cristal de cuarzo tienden a operar hacia su "resonancia en serie".

 La impedancia equivalente del cristal tiene una resonancia en serie donde Cs resuena con inductancia, Ls en la frecuencia de funcionamiento de los cristales. Esta frecuencia se llama la frecuencia de la serie de cristales, ƒs.

 Además de esta frecuencia en serie, hay un segundo punto de frecuencia establecido como resultado de la resonancia paralela creada cuando Ls y Cs resuena con el condensador paralelo Cp como se muestra.

 Los osciladores de cristal son utilizados para la generación de altas frecuencias pudiendo decir que, entre otras características tales como la estabilidad de la frecuencia generada y la sencillez de sus circuitos, los hacen ser muy adecuados en una gran mayoría de equipos y dispositivos.

 La frecuencia de salida del circuito oscilador dependerá de la frecuencia de resonancia del cristal de cuarzo utilizado, teniendo en cuenta que, en un cristal de cuarzo, habrá que considerar dos tipos de frecuencias de resonancia, esto es, la frecuencia de resonancia serie y la frecuencia de resonancia paralelo, encontrándose ambas frecuencias muy próximas entre sí.

 En la práctica, se pueden construir circuitos cuya frecuencia de salida sea un submúltiplo de la frecuencia de resonancia del cristal de cuarzo, esto es por ejemplo, teniendo un cristal de cuarzo cuya frecuencia de resonancia sea de 5MHz, la frecuencia de salida del circuito oscilador donde se encuentre dicho cristal podrá ser un múltiplo superior a 5MHz, a esto se le suele denominar sobretono.

cristal de cuarzo simbolos

 Por último veamos un video de un Circuito Oscilador de Alta Frecuencia utilizando un Cristal de Cuarzo a 4 MHZ y una compuerta Not.




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