Oscilador de cuarzo

Oscilador de cuarzo Oscilador de cuarzo: Es utilizado como componente de control de la frecuencia de circuitos osciladores convirtiendo las vibraciones mecánicas en voltajes eléctricos a una frecuencia específica.

Oscilador. Es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia. Tienen numerosas aplicaciones: generadores de frecuencias de radio y de televisión, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos, entre otras muchas aplicaciones en el mundo de la electrónica.

Comentario del cuarzo

La razón de la utilización masiva del cuarzo radica en una propiedad electromecánica, conocida como efecto "piezoeléctrico", la cual es, de una gran utilidad en los osciladores. El cuarzo tiene la propiedad de deformarse mecánicamente, es decir, aumentar o disminuir su volumen, cuando se le aplica una diferencia de potencial entre sus extremos. Además, este efecto piezoeléctrico es reversible, por lo que, si de alguna forma somos capaces de oprimir un cristal de cuarzo, podríamos observar cómo, durante el tiempo en que el cristal está reduciendo su tamaño, produciría una diferencia de potencial entre sus caras opuestas. Este efecto reversible es parecido al de un motor eléctrico, el cual, si le aplicamos una diferencia de polaridad comienza a girar pero si, por el contrario, lo hacemos girar manualmente, se produciría una diferencia de potencial entre sus dos conexiones.

Historia en la tecnología de osciladores de cuarzo

• 1880 Efecto piezoeléctrico descubierto por Jacques y Pierre Curie
• 1905 Primer crecimiento hidrotérmico de cuarzo en lab. por G. Spezia
• 1917 Primera aplicación de piezoeléctricos en sonares
• 1918 Primer aplicación del cristal piezoeléctrico en osciladores
• 1926 Primer estación de radio controlada por cristales de cuarzo
• [[1927] Descubrimiento del corte de coeficiente cero de temperatura
• 1927 Primer reloj de cristal de cuarzo
• 1934 Primera aplicación práctica del corte de coeficiente cero de tempo.
• 1949 Primer oscilador de alta estabilidad y exactitud
• 1956 Primer comercialización de cuarzo artificial
• 1956 Primera descripción del TCXO
• 1972 Desarrollo del oscilador de tenedor; primeros relojes de pulsera
• 1982 Primer MCXO

Propiedades del cuarzo

El cuarzo es el único material conocido que posee las siguientes propiedades:

• piezoeléctrico

• Corte de coeficiente de temperatura cero

• Corte de compensación de esfuerzo

• Bajo costo (alto Q)

• Fácilmente procesable

• Abundante en la naturaleza, de crecimiento rápido con alto nivel de pureza.

Obtención del cuarzo

El cuarzo es uno de los minerales más abundantes en la naturaleza formado por anhídrido de silicio. Se encuentra en la naturaleza en diferentes formas, principalmente como "cuarzo a", que se obtiene a alta temperatura y es hexagonal, y como "cuarzo b", que existe a temperatura ordinaria. Sin embargo, para su utilización en circuitos, la única variedad que nos interesa es la formada por cristales prismáticos hexagonales.

Efecto piezoeléctrico

Efecto piezoeléctrico, un cristal de cuarzo tiene una frecuencia natural de oscilación. Supongamos que conectemos un cristal de cuarzo a una diferencia de potencial provocando, por tanto, que este se deforme; si, a continuación, dejamos de aplicarle la diferencia de potencial, el cristal tenderá a su forma original ya que ha cesado la causa que lo deformaba. Durante su "vuelta" al estado original, el cristal, comienza a oscilar aumentando y disminuyendo su tamaño hasta que, al cabo de cierto tiempo, se detendrá definitivamente. Este aumento y disminución de tamaño son oscilaciones propias del cristal y a una frecuencia fija que depende exclusivamente del cristal y es lo que llamamos frecuencia natural de oscilación.

Para comprender mejor esta oscilación del cristal de cuarzo, pensemos en el clásico globo inflado de aire. Supongamos que cogemos de un extremo del globo y lo estiramos cierta cantidad sin llegar a explotarlo. El globo se deforma. Pues bien, si, a continuación, lo soltamos, el globo evidentemente, va a volver a su posición original. Pero esta "vuelta" a su posición original no es instantánea sino que, aunque apenas se aprecie debido a la velocidad con que ocurre, el globo, una vez que hemos dejado de estirarlo, vuelve a su posición oscilando, es decir, primero se hace más pequeño que inicialmente, luego más grande, de nuevo más pequeño y así sucesivamente hasta que termina por adoptar su tamaño original. Esto lo hace en un tiempo que podría ser del orden de 0,2 segundos y depende del material con que esté hecho el globo. Para hacernos una idea aproximada de las oscilaciones del cristal de cuarzo pensemos que este puede oscilar con frecuencias del orden de MHz, es decir, de millones de veces por segundo.

Comparaciones

Las sales de Rochelle tienen la mayor actividad piezoeléctrica. Con una tensión alterna dada, vibran más que el cuarzo o la turmalina. Mecánicamente, son las más débiles porque se quiebran muy fácilmente. Estas sales se han empleado para hacer micrófonos, agujas fonocaptoras, audífonos y altavoces. La turmalina muestra actividad piezoeléctrica mínima, pero es la más resistente de las tres. Es también la más cara. Ocasionalmente se usa en frecuencias muy altas. El cuarzo ocupa un lugar intermedio entre la actividad piezoeléctrica de las sales de Rochelle y la dureza de la turmalina. Debido a su coste y su disponibilidad en la naturaleza, se utiliza ampliamente para hacer osciladores de RF y filtros.

Ventajas del cristal de cuarzo

• Amplifica: El sonido en micrófonos, bocinas y otras formas de audio y video.
• Transmite: Todo el espectro de la luz en lentes ópticos y prismas.
• Diagnóstica: Médicamente en microscopios y equipo de ultrasonido.
• Enfoca: La energía en la tecnología del rayo láser utilizado para medir la distancia de los planetas, quemar a través de un muro de acero, para efectuar micro cirugías delicadas.
• Comunica: Las ondas de frecuencia en todos los rayos y estaciones transmisoras de T.V.
• Sincroniza: Con precisión el impulso del tiempo en los relojes a través de sus patrones vibratorios.

Tipos de utilidades

El cristal de cuarzo ha sido utilizado por el humano por más de 100.000 años, El cuarzo está reconocido por su habilidad para producir impulsos eléctricos, Esta electricidad o impulso eléctrico que el cuarzo genera es un recurso muy importante en la tecnología actual. Sonar, computadoras, relojes, aparatos eléctricos, radios y más, utilizan éste increíble recurso de energía del cuarzo, que selecciona y separa una determinada vibración para que pueda ser usada sin la interferencia de otras.

Factores de influencia en la frecuencia de osciladores de cuarzo

• Tiempo:

1. Ruido a corto plazo
2. Ruido a mediano plazo (por ejemplo, temperatura del oscilador)
3. Inestabilidades a largo plazo (por ejemplo: envejecimiento)

• Temperatura:

1. Dependencia estacionaria de la frecuencia respecto a la temperature
2. Dependencia Dinámica de la frecuencia respecto a la temperature (periodo de calentamiento, impactos térmicos)
3. Memoria térmica ("histéresis")

• Aceleración:

1. Gravedad (2g inversión)
2. Ruido acústico
3. Vibración
4. Impacto

• Radiación ionizante:

1. Photons (X-rays, ?-rays)
2. Particles (neutrons, protons, electrons)

• Otros:

1. Variaciones de tensión
2. Humedad
3. Campo magnético
4. Presión atmosférica
5. Impedancia de carga

Frecuencia Fundamental vs. Frecuencia de Sobretono

Esto es de importancia cuando se especifica un cristal. Cuando se incrementa la frecuencia solicitada, el espesor del cuerpo del cristal disminuye y por supuesto existe un límite en el proceso de fabricación. Alrededor de 30MHz, el espesor de la placa del cristal comienza a ser muy delgada.

Debido a que el corte "AT" resonará a números enteros impares múltiplos de de la frecuencia fundamental, es necesario especificar el orden del sobretono deseado para cristales de altas frecuencias.

• Potencia de trabajo (Drive Level): Es la potencia disipada por el cristal. Está normalmente especificada en micro o milivatios, siendo un valor típico 100 microvatios.
• Tolerancia en la frecuencia: La tolerancia en la frecuencia se refiere a la máxima desviación permitida y se expresa en partes por millón (PPM) para una temperatura especificada, usualmente 25°C.
• Estabilidad de la frecuencia: La estabilidad de la frecuencia se refiere a la máxima desviación en PPM, en un determinado rango de temperatura. La desviación esta tomada con referencia a la frecuencia medida a 25°C.
• Envejecimiento: El envejecimiento se refiere a los cambios acumulativos en la frecuencia del cristal con el transcurrir del tiempo. Los factores que intervienen son: exceso en la potencia disipada, efectos térmicos, fatiga en los alambres de armado y pérdidas en la elasticidad del cristal.

Mecanismos de envejecimiento

Transferencia de masa por contaminación Puesto que f ? 1/t, ?f/f = -?t/t; por ejemplo., f5MHz ? 106 capas moleculares, por lo tanto 1 monocapa en el cristal contribuye a la frecuencia en ?f/f ? 1 ppm

Pérdida de fuerza en la montura y estructuras de unión, electrodos, y en el cuarzo.

Otros efectos

• Evaporación del cuarzo
• Efectos de difusión
• Efectos por reacciones químicas
• Cambios en la presión del resonador (fugas y evaporación)
• Envejecimiento de la circuitería
• Cambios en campo eléctrico
• Envejecimiento de la circuitería de control del horno

El diseño de circuitos considerando bajas temperaturas ambientales y mínimas potencias en el cristal reducirán el envejecimiento.

Fuentes

• electronicacompleta.com
• ABC del Joven Radiotécnico
• Electrónicacompleta
• apuntesdeelectronica.com
• abcelectronica.net
• redeya.com