Cristal de cuarzo

Cristal de Cuarzo Componente electrónico, formado por una fina lámina de cristal de cuarzo, utilizado en circuitos osciladores

Cristal de cuarzo. Son componentes electrónicos utilizados en circuitos osciladores. Estos oscilan a una frecuencia estable. Por lo que tienen una gran utilidad principalmente en la Electrónica Digital y radiofrecuencia.

Características

En los cristales de cuarzo se produce un fenómeno llamado piezoelectricidad. Este fenómeno consiste en que la aplicación de una tensión eléctrica produce una deformación del cristal, mientras que la deformación del cristal genera una tensión eléctrica. Esta característica se aprovecha en electrónica para producir tensiones alternas con una gran estabilidad de frecuencia.

La frecuencia de oscilación de un cristal viene determinada por el grueso de la lámina de cuarzo y la dirección en que se dio el corte del cristal original para obtener la lámina.

Resonancia

Cuando se aplica una tensión alterna entre los electrodos, se produce una deformación de la lámina de cuarzo. Esta deformación se traslada de un lado de la lámina hacia el otro lado, donde se refleja hacia el lado contrario. Si esta deformación reflejada coincide en fase con la deformación inicial, las dos se suman incrementándose notablemente. Se produce la resonancia y la frecuencia de la tensión aplicada se dice que es la fundamental del cristal. Si la frecuencia de la tensión aplicada es, por ejemplo, tres veces mayor, también se produce la coincidencia de fase entre la deformación inicial y la deformación reflejada dándose también la condición de resonancia. Esta condición de resonancia también se da en otras frecuencias múltiplos impares de la frecuencia fundamental. En este caso se dice que el cristal oscila en el tercer, quinto, etc. sobretono.

Durante las reflexiones de las ondas en los lados de la lámina de cristal, hay un pequeño error de fase, por lo que la frecuencia de un sobretono no coincidirá exactamente con un múltiplo de la frecuencia fundamental. Es por tanto que no hay que confundir sobretono con armónico. Sobretono no es otra cosa que una resonancia mecánica del cristal, mientras que armónico es una señal adicional cuya frecuencia es un múltiplo exacto (también los pares) de la frecuencia fundamental.

Construcción

La construcción de un cristal de cuarzo resulta curiosa: primero se corta una lámina (normalmente de forma circular) de sección aproximada a la frecuencia de resonancia fundamental que se desea obtener. Como es técnicamente imposible conseguir la frecuencia exacta durante el corte, es necesario esmerilarla con máquinas muy precisas. Seguidamente, se pulveriza y hornea en ambas caras unas finas películas metálicas de solución de plata, o también mediante evaporación de oro, plata o aluminio, con objeto de disponer de dos superficies de contacto (los electrodos). Mediante una soldadura de bajo punto de fusión, se conectan a las superficies metálicas dos alambres conductores. El punto donde se sueldan los alambres debe ser elegido cuidadosamente, y tiene que ser forzosamente en un punto llamado “nodal”, es decir, donde el cristal no produzca vibración, pues en caso contrario el alambre amortiguará la resonancia y dejará de vibrar, de la misma forma que una campanilla se ahogaría si la tocamos con la mano cuando está sonando. Finalmente, el cristal es encapsulado en una caja herméticamente cerrada, de vidrio, metálica u otro material adecuado.

Antes de su comercialización, al cristal se le hace vibrar durante unas horas para que envejezca y se estabilice.

Tipos de cortes del cristal

AT

Modo de vibración: Espesor de corte fundamental.Rango de frecuencia (kHz):800~5,000 y 2,000~80,000. Relación de capacitancia (C0/C1):450~300 y 220

Modo de vibración: 3er armónico.Rango de frecuencia (kHz):20,000~90,000

Relación de capacitancia (C0/C1):n2 x 250 n: Orden de armónico.Modo de vibración:5to armónico y 7mo armónico Rango de frecuencia (kHz):40,000~150,000 y 70,000~210,000 Relación de capacitancia (C0/C1):

BT

Modo de vibración: Espesor de corte fundamental Rango de frecuencia (kHz): 3,000~30,0. Relación de capacitancia (C0/C1): 650

XY

Modo de vibración: Flexión (Tuning fork).

Rango de frecuencia (kHz):16~150

Relación de capacitancia (C0/C1):425~800

Modo de vibración: Extensional.

Rango de frecuencia (kHz):600~3,000

Relación de capacitancia (C0/C1):400

DT

Modo de vibración: Corte de cara.

Rango de frecuencia (kHz): 100~500

Relación de capacitancia (C0/C1):400

CT

Modo de vibración: Corte de cara.

Rango de frecuencia (kHz): 100~850

Relación de capacitancia (C0/C1):350

SL

Modo de vibración: Corte de cara.

Rango de frecuencia (kHz): 180~700

Relación de capacitancia (C0/C1):400

Encapsulados

SDM Paquete de cerámica.

SDM Paquete de plástico.

SDM Tipo con camisa.

SDM Tipo cilíndrico.

SDM Tipo metálico.

Tipo cilíndrico.

Tipo metálico.

Circuito eléctrico equivalente

Un cristal de cuarzo se puede representar mediante un circuito eléctrico, llamado circuito eléctrico equivalente.

Es un esquema del cristal de cuarzo trabajando a una determinada frecuencia de resonancia. El capacitor C’ o capacidad en paralelo, representa en total la capacidad entre los electrodos del cristal más la capacidad de la carcaza y sus terminales. R, C y L conforman la rama principal del cristal y se conocen como componentes o parámetros motional donde: L representa la masa vibrante del cristal, C representa la elasticidad del cuarzo y

R representa las pérdidas que ocurren dentro del cristal.

Empleo en circuitos electrónicos

Oscilador que utiliza el 3er simple sobretono. Oscilador colpitts. Oscilador con puertas lógicas.

Fuentes

• Sánchez Pérez, Luis. Cristales de cuarzo.
• Bill Sheets, Rudolf F Graf. Cristal Oscillators and Circuits.