Cómo Funciona Un Resonador De Cristal De Cuarzo

El funcionamiento de los resonadores de cristal de cuarzo o xtal depende del efecto piezoeléctrico y de las agudas resonancias mecánicas del material. Las señales eléctricas se convierten de su forma eléctrica en vibraciones mecánicas. Son estas vibraciones las que se ven afectadas por las resonancias mecánicas del cristal de cuarzo y luego se vuelven a unir al sistema eléctrico.

Las pérdidas asociadas a los cristales de cuarzo son muy bajas, lo que significa que la selectividad o el factor de calidad Q es extremadamente alto.

Cómo Funciona Un Resonador De Cristal De Cuarzo

Índice()

    Efecto piezoeléctrico

    Cuando se examina el funcionamiento de un cristal de cuarzo, primero es necesario comprender los fundamentos del efecto piezoeléctrico.

    Se trata de un efecto que se produce en una serie de materiales, tanto naturales como sintéticos.

    El efecto piezoeléctrico se produce en el cuarzo, así como en una serie de materiales cerámicos utilizados en la industria electrónica, así como en una serie de sustancias orgánicas. Por este motivo, existen algunos resonadores de cerámica, aunque su rendimiento no es igual al del cuarzo en cuanto a su uso como resonador.

    Lee: ¿Qué Es Un Resonador De Cristal De Cuarzo?

    El efecto piezoeléctrico no sólo se utiliza en los resonadores, sino que también puede emplearse en transductores eléctricos: sensores de movimiento, medidores de tensión, micrófonos de cristal y muchos más.

    Cuando se produce el efecto piezoeléctrico, se desarrolla una carga eléctrica en ciertos materiales sólidos como resultado de una tensión mecánica aplicada. Este efecto convierte una tensión mecánica en un cristal en una tensión y viceversa, es decir, una tensión puede hacer que se desarrolle una carga a través del material, o la colocación de una carga a través del material hará que se establezca una tensión.

    Cómo funciona un resonador de cristal de cuarzo: lo básico

    Para el funcionamiento de un cristal de cuarzo se encuentra que el efecto piezoeléctrico convierte los impulsos eléctricos en una tensión mecánica que está sujeta a las resonancias mecánicas de muy alto Q del cristal, y esto a su vez está vinculado de nuevo al circuito eléctrico.

    El cristal de cuarzo puede vibrar de varias maneras, lo que significa que tiene varias resonancias, cada una en una frecuencia diferente.

    Afortunadamente, la forma en que se corta el cristal de cuarzo en bruto a partir del propio cristal original puede reducir esto de forma muy significativa. De hecho, el ángulo de las caras con respecto a los ejes del cristal original determina muchas de sus propiedades, desde la forma en que vibra hasta su actividad, Q, y su coeficiente de temperatura.

    Al observar cómo funciona un resonador de cristal de cuarzo, se puede ver que hay tres formas principales en las que un cristal puede vibrar:

    Modo longitudinal: En el modo longitudinal el cristal se extiende y acorta. Esto hace que el centro se vuelva más delgado cuando el cristal se extiende y más grueso cuando se acorta.

    Modo longitudinal

    Modo de cizallamiento de la cara de baja frecuencia: En los cristales que funcionan en este modo, toda la forma rectangular del cristal vibra como se muestra a continuación.

    Modo de cizallamiento de la cara de baja frecuencia

    Modo de cizallamiento de alta frecuencia: El modo de cizallamiento de alta frecuencia se utiliza para la mayoría de los resonadores de cristal de cuarzo que trabajan en la región de 1 MHz en adelante.

    Modo de cizallamiento de alta frecuencia

    La forma en que se corta la pieza en bruto del cristal afecta a la forma en que vibra. En particular, el ángulo de corte con respecto a los ejes del cristal de cuarzo tiene un efecto importante. Hay varios "cortes" estándar a los que se les ha dado un nombre, y estos tienen parámetros de rendimiento conocidos y útiles. En la mayoría de los cristales de los circuitos tradicionales de radio y electrónica se utiliza un corte conocido como corte AT, que suele vibrar en el modo de cizallamiento de alta frecuencia.

    Circuito equivalente de un resonador de cristal de cuarzo

    Para analizar la respuesta eléctrica de un resonador de cristal de cuarzo, suele ser útil representar los componentes eléctricos equivalentes que se necesitarían para sustituirlo. Este circuito equivalente se puede utilizar para analizar su respuesta y predecir su rendimiento, como en el diagrama siguiente:

    El circuito equivalente que se da a continuación se suele llamar modelo de cristal de 4 parámetros y es suficiente para muchos cálculos y para ilustrar el funcionamiento del cristal.

    Circuito equivalente de un resonador de cristal de cuarzo

    Es posible equiparar estos componentes teóricos con los atributos físicos reales del cristal:

    • L: La inductancia surge de la masa del material.
    • C1: Esta capacitancia surge de la conformidad del cristal.
    • R: Este elemento procede de las pérdidas del sistema. La mayor de ellas proviene de las pérdidas por fricción de la vibración mecánica del cristal.
    • Co: Esta capacitancia en el circuito equivalente teórico del cristal de cuarzo surge de la capacitancia entre los electrodos del elemento de cristal. A menudo se denomina capacidad de derivación.

    Además de su uso en osciladores, los cristales de cuarzo se utilizan en filtros. Aquí ofrecen niveles de rendimiento que no pueden alcanzarse con otras formas de filtro. A menudo se pueden utilizar varios cristales en un filtro para conseguir la forma correcta.

    Resonancia en serie y en paralelo del cristal

    Hay dos modos en los que puede funcionar un oscilador de cristal y que se pueden ver en el diagrama del circuito equivalente.

    Resonancia en serie: Se trata de una condición de resonancia en serie estándar formada por la conexión en serie de un condensador y un inductor. A la frecuencia de resonancia, fs, las reactancias capacitiva e inductiva se cancelan y la impedancia cae a un mínimo igual a la resistencia del circuito, es decir, R.

    Resonancia en serie

    *Se observa que en este modo el circuito externo tiene muy poco efecto sobre la resonancia del cristal.

    Resonancia en paralelo: La resonancia en paralelo para la condición de cristal de cuarzo está formada por un condensador y un inductor en paralelo. En la resonancia, la impedancia de este circuito se eleva al máximo. La derivación de la frecuencia de resonancia real, fp, para este modo incorpora la inductancia junto con los dos condensadores vistos en el circuito equivalente.

    Resonancia en paralelo

    *Cuando se opera en este modo se verá que cualquier capacitancia introducida por el circuito externo también tendrá un efecto. Como resultado, esta capacitancia de "carga" forma parte de la especificación para el funcionamiento del cristal - valores de carga de 30pF, 20pF, etc se ven en las especificaciones.

    Los cálculos en el diseño del oscilador deberían permitir proporcionar la capacitancia de carga correcta al cristal. El cambio de la capacitancia de carga también se puede utilizar para recortar la frecuencia exacta del cristal para asegurarse de que está exactamente en la frecuencia correcta. Normalmente se puede añadir un pequeño condensador de ajuste variable para asegurar que se proporciona la capacitancia de carga correcta.

    Lee: Cómo Funciona La Memoria Flash: Conceptos Básicos.

    *Este modo se conoce a veces como la frecuencia antirresonante del cristal. La razón es que la impedancia del circuito alcanza un pico en la resonancia.

    Los resonadores de cristal de cuarzo pueden funcionar en cualquiera de los dos modos y, de hecho, la diferencia entre las frecuencias de resonancia en paralelo y en serie es bastante pequeña. Por lo general, sólo las separa un 1% aproximadamente.

    Resonancia en serie y en paralelo del cristal

    De los dos modos, el modo paralelo es el más utilizado, pero se puede utilizar cualquiera de ellos. Los circuitos del oscilador para utilizar los diferentes modos son naturalmente diferentes, ya que uno oscila cuando el cristal alcanza su impedancia máxima mientras que el otro funciona cuando el cristal alcanza su impedancia mínima.

    Q del cristal, factor de calidad

    El Q o factor de calidad es un aspecto importante de la resonancia del cristal de cuarzo. Los cristales ofrecen niveles muy altos de Q, a veces superiores a 100 000.

    Por consiguiente, es necesario poder calcular el nivel de Q para poder determinar otras limitaciones y consideraciones de diseño para el circuito en el que va a funcionar.

    Existe una ecuación sencilla para poder calcular el valor de Q para un cristal determinado.

    Q del cristal, factor de calidad

    De ella se desprende que la capacitancia en serie tiene un efecto importante sobre el Q. La disminución de la capacitancia en serie aumenta el Q en proporción directa para una frecuencia determinada.

    Los resonadores de cristal de cuarzo son un complejo enlace entre los dominios eléctrico y mecánico. Aunque en teoría el funcionamiento parece bastante sencillo, en la práctica muchos efectos actúan conjuntamente y pueden enlazarse de forma inesperada.

    No es desconocido que los resonadores de cristal de cuarzo sean excitados por un modo diferente en un circuito concreto y, por tanto, funcionen en una frecuencia incorrecta. Entender cómo funcionan los resonadores de cristal de cuarzo puede ayudar a identificar estos problemas en el improbable caso de que se produzcan.

    A menudo, añadir un circuito ampliamente resonante al oscilador para garantizar que sólo pueda funcionar en el modo requerido es suficiente en este caso.

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