DR 29/11/2011 - Clase 22 - Cristales de cuarzo

En esta clase vamos a introducir los cristales de cuarzo y a incorporarlos a nuestro oscilador. De esta manera conseguiremos que nuestro circuito trabaje exactamente a 27Mhz si necesidad de ajustar el condensador variable y simplificaremos el diseño. Conseguiremos un modelo mucho más robusto.

El cuarzo es un mineral del tipo oxido muy utilizado en electrónica por sus propiedades piezoeléctricas. Un material piezoeléctrico cumple la siguiente propiedad: cuando se comprime se produce una separación de cargas eléctricas que genera a su vez una diferencia de tensión y, de manera recíproca, reacciona mecánicamente cuando se somete a un cierto voltaje. Cuando aplicamos una diferencia de tensión sobre un cristal de cuarzo este se deforma y aparece una diferencia de tensión entre sus extremos, cuando dejamos de aplicar esta tensión  vibra y las cargas cambian de polaridad según se deforman. Es decir, los cristales de cuarzo responden con una oscilación amortiguada con caída muy lenta después de aplicar una tensión en sus extremos. La frecuencia de esta oscilación depende de la manera en que este tallado.

El modelo circuital de este elemento y su respuesta en frecuencia se puede modelar de la siguiente manera:

La representación de curva de respuesta en frecuencia es la siguiente:

Tenemos dos frecuencia relevantes que denominamos fs y fp. En general son frecuencia muy cercanas, separadas por unos poco hercios. Para valores menores que fs el circuito se comporta como un condensador, para valores entre fs y fp el circuito se comporta como un inductor. En fs la respuesta es un cortocircuito y en fp es un circuito abierto.

En otros la respuesta del cristal es ligeramente diferente y responde al siguiente modelo:

Las curvas se repiten en múltiplos de fs.

Los cristales que tienen un respuesta como la primera gráfica se denominan cristales que trabajan en modo fundamental, los segundos son cristales que trabajan en sobretono.

Visto esto, surge la primera idea de diseño para incorporar a nuestro emisor el cristal de cuarzo. Podemos para fs el cristal de cuarzo se comporta como un cortocircuito, por tanto podemos cerrar el lazo usando el un cristal de cuarzo que resuene a 27 Mhz y por tanto la oscilación se producirá solamente a 27Mhz o no se producirá.

Hemos pasado al laboratorio y hemos montado el siguiente diseño.

 Hemos comprobado con ayuda el analizador de espectro que cuando ajustábamos el condensador variable solo se producía oscilación a 27 Mhz. Es decir, a diferencia de otras clases en que si ajustábamos el condensador variable cambiaba la frecuencia de la raya espectral que visualizábamos, aquí si variamos el condensador vemos una raya espectral en 27 Mhz en para una determinada posición y solamente visualizamos ruido en cualquier otra posición.

Seguidamente hemos comentado otra idea de diseño que surge de las propiedades del cristal: usar el cristal en el oscilador de manera que este trabaje en modo inductivo. Sabemos que el cristal nos provee todos los valores de posibles de una inductancia para frecuencias entre la fs i la fp, como estos dos valores son muy cercanos, podemos rediseñar el circuito de la siguiente manera:

El cristal sustituye al inductor y tomará el valor de L que el circuito necesite para oscilar. Así pues, es possible prescindir de los dos condensadores ya que podremos conseguir exactamente la L que necesitamos sin ellos con el cristal. El cristal resonará y conseguirá que la oscilación se sitúe en 27Mhz más unos pocos hercios, prácticamente 27Mhz. De esta manera será posible conseguir una oscilación más exacta y menos crítica. Ya no es necesario ajustar un condensador. El oscilador es mucho más robusto. Es importante remarcar que para conseguir este funcionamiento hay que usar cristales de cuarzo que no trabajen en modo de sobre tono ya que entonces la oscilación podría producirse a otra frecuencia.