Circuito y funcionamiento del oscilador de cristal

Un oscilador de cristal es un circuito oscilador electrónico que se utiliza para hacer resonar mecánicamente un cristal vibrante de material piezoeléctrico. Crea una señal eléctrica con una frecuencia determinada. Esta frecuencia se utiliza habitualmente para controlar el tiempo, por ejemplo, los relojes de pulsera se utilizan en los circuitos integrados digitales para proporcionar una señal de reloj estable y también para estabilizar las frecuencias de los transmisores y receptores de radio. El cristal de cuarzo se utiliza principalmente en los osciladores de radiofrecuencia (RF). El cristal de cuarzo es el tipo más común de resonador piezoeléctrico utilizado en los circuitos osciladores, por lo que se le conoce como oscilador de cristal. Los osciladores de cristal deben estar diseñados para proporcionar una capacidad de carga.

Hay varios tipos de circuitos osciladores electrónicos que se utilizan y son: Osciladores lineales: oscilador Hartley, oscilador de desplazamiento de fase, oscilador Armstrong, oscilador Clapp, oscilador Colpitts. Osciladores de relajación: oscilador de Royer, oscilador de anillo, multivibrador y oscilador controlado por tensión (VCO). En breve hablaremos de los osciladores de cristal en detalle, como el funcionamiento y las aplicaciones de un oscilador de cristal.

¿Qué es un cristal de cuarzo?

El cristal de cuarzo presenta una propiedad muy importante conocida como efecto piezoeléctrico. Cuando se aplica una presión mecánica a las caras del cristal, se genera una tensión proporcional a la presión mecánica. Esta tensión provoca una distorsión en el cristal. La magnitud de la distorsión será proporcional a la tensión aplicada, y una tensión alternativa aplicada a un cristal también lo hace vibrar a su frecuencia natural.

La siguiente figura representa el símbolo electrónico de un resonador de cristal piezoeléctrico y un cristal de cuarzo en un oscilador electrónico compuesto por resistencia, inductor y condensadores.

Esquema del circuito del oscilador de cristal

La figura anterior muestra un nuevo oscilador de cristal de cuarzo de 20psc y 16MHz.

Generalmente, en la construcción de los circuitos osciladores de cristal se utilizan transistores bipolares o FET. Esto se debe a que los amplificadores operacionales se pueden utilizar en varios circuitos osciladores de baja frecuencia, por debajo de 100KHz, pero los amplificadores operacionales no tienen el ancho de banda necesario para funcionar. Esto será un problema en las frecuencias más altas que se adaptan a los cristales que están por encima de 1MHz.

El oscilador de cristal de Colpitts fue diseñado para superar este problema. Funcionará con frecuencias más altas. En este oscilador, el circuito LC de depósito que proporciona las oscilaciones de retroalimentación se ha sustituido por un cristal de cuarzo.

Funcionamiento del oscilador de cristal

El circuito del oscilador de cristal suele funcionar según el principio del efecto piezoeléctrico inverso. El campo eléctrico aplicado produce una deformación mecánica en determinados materiales. De este modo, utiliza la resonancia mecánica del cristal vibrante, hecho de un material piezoeléctrico, para generar una señal eléctrica de una frecuencia determinada.

Normalmente, los osciladores de cristal de cuarzo son muy estables, tienen un buen factor de calidad (Q), son de pequeño tamaño y son económicos. Por esta razón, los circuitos de osciladores de cristal de cuarzo son superiores a otros resonadores, como los circuitos LC y los diapasones. En los microprocesadores y microcontroladores se suele utilizar un oscilador de cristal de 8 MHz.

El circuito eléctrico equivalente también describe la acción del cristal. Observa el diagrama del circuito eléctrico equivalente que se muestra arriba. Los componentes básicos utilizados en el circuito, la inductancia L representa la masa del cristal, la capacitancia C2 representa la conformidad y C1 se utiliza para representar la capacitancia que se forma debido al moldeado mecánico del cristal, la resistencia R representa la fricción interna de la estructura del cristal, El diagrama del circuito del oscilador de cristal de cuarzo consta de dos resonancias como la resonancia en serie y la resonancia en paralelo, es decir, dos frecuencias de resonancia.

La resonancia en serie se produce cuando la reactancia producida por la capacitancia C1 es igual y opuesta a la reactancia producida por la inductancia L. Las frecuencias fr y fp representan las frecuencias de resonancia en serie y en paralelo, respectivamente, y los valores de "fr" y "fp" pueden determinarse mediante las siguientes ecuaciones que se muestran en la figura siguiente.

El diagrama anterior describe un circuito equivalente, el gráfico de la frecuencia de resonancia y las fórmulas de las frecuencias de resonancia.

Usos del oscilador de cristal

En general, sabemos que en el diseño de microprocesadores y microcontroladores se utilizan osciladores de cristal para proporcionar las señales de reloj. Por ejemplo, consideremos los microcontroladores 8051: en este controlador en particular, un circuito oscilador de cristal externo funcionará a 12MHz, lo cual es esencial, aunque este microcontrolador 8051 (según el modelo) es capaz de funcionar a 40MHz (como máximo), debe proporcionar 12MHz en la mayoría de los casos porque para un ciclo de máquina el 8051 requiere 12 ciclos de reloj, por lo que proporciona una velocidad de ciclo efectiva de 1MHz (tomando el reloj de 12MHz) a 3,33MHz (tomando el reloj máximo a 40MHz). Este oscilador de cristal concreto, que tiene una frecuencia de ciclo entre 1MHz y 3,33MHz, se utiliza para generar los pulsos de reloj necesarios para la sincronización de todas las operaciones internas.

Aplicación del oscilador de cristal

El oscilador de cristal tiene varias aplicaciones en diversos campos y algunas de ellas se enumeran a continuación

Aplicación del oscilador de cristal de Colpitts

El oscilador de Colpitts se utiliza para generar una señal de salida sinusoidal a frecuencias muy altas. Este oscilador puede utilizarse para diferentes tipos de sensores, como los de temperatura. El dispositivo SAW que utilizamos en el circuito de Colpitts detecta directamente desde su superficie.

Las aplicaciones de los osciladores de Colpitts se refieren principalmente a la utilización de una amplia gama de frecuencias. También se utilizan en condiciones de oscilación continua y no amortiguada. Utilizando determinados dispositivos en el circuito de Colpitts, podemos conseguir una mayor estabilidad de la temperatura y una alta frecuencia.

El circuito de Colpitts se ha utilizado en el desarrollo de las comunicaciones móviles y las radiocomunicaciones.

Aplicaciones del oscilador de cristal de Armstrong

Este circuito fue popular hasta la década de 1940. Se utiliza mucho en los receptores de radio regenerativos. En esta entrada, la señal de radiofrecuencia de la antena se acopla magnéticamente al circuito del depósito a través de un bobinado adicional y la retroalimentación se reduce al control de la ganancia en el bucle de retroalimentación. Por último, fabrica un filtro de radiofrecuencia de banda estrecha y un amplificador. En este oscilador de cristal, el circuito resonante LC se sustituye por bucles de retroalimentación.

En el ámbito militar y aeroespacial

Para un sistema de comunicación eficaz, los osciladores de cristal se utilizan en el ámbito militar y aeroespacial. El sistema de comunicación sirve para establecer y para la navegación y la guerra electrónica en los sistemas de guía

En Investigación y Medición

Los osciladores de cristal se utilizan en la investigación y la medición para la navegación celeste y el seguimiento espacial, los dispositivos médicos y los instrumentos de medición.

Aplicaciones industriales del oscilador de cristal

Las aplicaciones industriales del oscilador de cristal son numerosas. Se utilizan ampliamente en ordenadores, instrumentación, sistemas digitales, sistemas de anillo de bloqueo de fase, módems, marina, telecomunicaciones, sensores e incluso unidades de disco.

El oscilador de cristal también se utiliza en el control del motor, el reloj y el ordenador de a bordo, el equipo de música y los sistemas GPS. Se trata de una aplicación de automoción.

Los osciladores de cristal se utilizan en muchos bienes de consumo. Por ejemplo, sistemas de televisión por cable, videocámaras, ordenadores personales, juguetes y videojuegos, teléfonos móviles y sistemas de radio. Esta es la aplicación de consumo del oscilador de cristal.

Esta es una aplicación de un oscilador de cristal Oscilador de cristal, funcionamiento y aplicaciones. Creemos que la información proporcionada en este artículo es útil para que entiendas mejor este concepto. Además, si tienes alguna duda sobre este artículo o necesitas ayuda para poner en marcha proyectos de electricidad y electrónica, puedes ponerte en contacto con nosotros comentando en la sección de comentarios de abajo. Aquí tienes una pregunta: ¿cuál es la función principal del oscilador de cristal?

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