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Blog Arduino, LabVIEW y Electrónica

Cristales de Cuarzo

Cristal de cuarzo colocado en una PCB

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Osciladores

En el ámbito de electrónica, un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energía DC en corriente alterna, variando la corriente de forma periódica en el tiempo, estas oscilaciones pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etcétera.

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Cristales de Cuarzo

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El oscilador de cuarzo básicamente es un dispositivo capaz de convertir señales de corriente continua en corriente alterna, de acuerdo a la frecuencia en la que se encuentre.

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Los osciladores eléctricos utilizan resonancia mecánica, proveniente de un material piezoeléctrico (como un cristal vibratorio), con la finalidad de crear una señal eléctrica con una frecuencia precisa. Dicha frecuencia se utiliza generalmente para controlar el tiempo, por ejemplo como su uso en relojes, al proporcionar una señal de reloj estable en estos circuitos integrados digitales, al igual que en transmisores y receptores de radio.

En este artículo nos vamos a enfocar en los cristales de cuarzo, ya que es el oscilador más común, sin embargo no hay que despreciar los elementos oscilatorios provenientes de cerámicas policristalinas, que pueden proporcionar características similares.

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Como se mencionaba previamente, es necesario el uso de un material piezoeléctrico en estos dispositivos, como es debido mencionarse, estos materiales proveen de una propiedad mecánica que conocemos como efecto piezoeléctrico. A un niel físico-químico, el cuarzo tiene la cualidad de deformarse mecánicamente, ya sea aumentando o disminuyendo su volumen, de acuerdo a la diferencia de potencial en alguno de sus terminales. 

Es importante conocer que el efecto piezo eléctrico es reversible, es decir, cuando se logra comprimir un cristal de cuarzo, se puede observar, que al momento que el cristal está disminuyendo su volumen, puede producir un diferencial de potencial en las caras opuestas. 

Para entender este efecto reversible, podemos entenderlo como el funcionamiento de un motor, cuando aplicamos una diferencia de potencial en las terminarles, el motor comienza a girar, y, por el otro lado, cuando se gira el motor manualmente, en las terminales obtenemos una diferencia de potencial.

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Ventajas y Aplicaciones de los Cuarzos

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Dentro de las características que cuentan los cristales de cuarzo, podemos entender ciertas aplicaciones:

  • Como amplificador: En cualquier forma de audio y video, se puede utilizar para manipular el sonido, como en bocinas o micrófonos.
  • Como transmisor: Manipulando y controlando su desempeño en todo el espectro de la luz, utilizado en lentes ópticos y prismas.
  • Enfoque: En cuanto se refiere a su aplicación a láser, que se aplica a la astronomía para medir la distancia de los planetas, cortes en muros de acero para la industria automotriz, para seccionar en microcirugía, etcétera.
  • Sincronización: Ofrece precisión en el impulso del tiempo a través de patrones vibratorios, aplicado en cualquier contador de tiempo además de relojes.
  • Comunicación y medios: Estabilizador para las ondas de radio en cualquier sistema requerible como radios o televisoras.
  • Un enfoque médico que cabe resaltar, es su uso en microscopios y equipos de ultrasonido.

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Cuando se contempla el uso de un cristal para un diseño electrónico, es necesario identificar que cuando se incrementa la frecuencia del mismo, el volumen del cuerpo del cristal disminuye, y se deben tomar en cuenta los valores límite. En promedio los cristales a partir de 30MHz comienzan a tener un volumen considerablemente pequeño.

Otras variables a considerar son las siguientes:

  • Potencia de trabajo: También conocida como Drive Level, es la potencia que disipa el cristal, normalmente se especifica en micro o milivolts. Comúnmente este valor es de 100 microvolts.
  • Tolerancia de frecuencia: Es la máxima desviación permitida por el cristal, se expresa en parte por millón, contemplado a una temperatura ambiente (25°C).
  • Envejecimiento: Como todo dispositivo electrónico, hay factores relacionados a su uso y tiempo de vida útil, en este caso los parámetros principales son: Exceso de potencia disipada, la fatiga que presentan los alambres de armado y pérdidas en la elasticidad del cristal.

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