Cristales De Cuarzo

CRISTALES DE CUARZO.

1.- INTRODUCCIÓN.

Los cristales de cuarzo son ampliamente utilizados en los equipos que utilizamos los radioaficionados. Basta dar una rápida ojeada al esquema de cualquiera de nuestros transceptores para encontrar varios de ellos.

Estos dispositivos están formados por una fina lámina de cuarzo situada entre dos electrodos. Como es sabido, el cuarzo, también llamado cristal de roca, es un mineral compuesto por silicio y oxígeno, (óxido anhidro de silicio, bióxido de silicio o anhídrido silícico, SIO2) cuyos cristales tienen forma de prisma hexagonal terminado por dos romboedros que parecen una bipirámide hexagonal. El cuarzo es el mineral más difundido en la corteza terrestre, bien en forma de cristales o formando parte otras rocas, como el granito (cuarzo, feldespato y mica). En la figura número uno se puede ver un grupo de cristales de cuarzo tal como aparecen en la naturaleza.

En el presente artículo daremos un breve repaso a las características más importantes de los cristales de cuarzo empleados en comunicaciones y se describirá un pequeño circuito para probar dichos dispositivos. En la figura número dos se muestran distintos tipos de cristales de cuarzo empleados en comunicaciones. En la parte superior de la figura y de izquierda a derecha tenemos dos cristales encapsulados en una envoltura de vidrio de la misma forma que la empleada para válvulas electrónicas. Mas a la derecha se pueden ver dos cristales en cápsula de resina. Estos tipos son muy antiguos y ya están en desuso.

En la parte inferior tenemos distintos tipos de cápsulas metálicas, que son las que se emplean en la actualidad, sobre todo las más pequeñas. En la parte inferior izquierda se muestra un cristal de los utilizados en los ordenadores. Este dispositivo en realidad es un oscilador completo, ya que basta aplicar una tensión de 5 voltios para que el dispositivo genere la señal, que en el caso del que se muestra en la figura, es de 20 MHz.

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 ya que ésta depende directamente del grueso de la lámina de cuarzo.

Cómo es natural, un simple cristal de cuarzo no es capaz por si sólo de generar ninguna tensión alterna. Es preciso que el cristal de cuarzo forme parte de un circuito electrónico llamado oscilador que no es sino un amplificador donde una parte de la energía de salida, se realimenta con la misma fase a la entrada. A esto se le llama realimentación positiva.

Si en el camino de la realimentación positiva se encuentra un cristal de cuarzo, entonces el oscilador generará una tensión alterna cuya frecuencia vendrá determinada por las características mecánicas del cristal utilizado y tendrá la característica de que su frecuencia será sumamente estable y precisa. De ahí su empleo en equipos de telecomunicaciones.

Como ya se ha indicado, 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.

En la figura número tres se pueden ver unos cristales de cuarzo sin su cubierta protectora. Se aprecian claramente los electrodos que están metalizados directamente sobre la lámina de cuarzo. En la figura número cuatro se muestra un esquema de la construcción interna de un cristal de cuarzo, aunque su grueso se ha exagerado. Para un cristal cuya frecuencia sea de, por ejemplo, 15 MHz el grueso de la lámina de cuarzo estará alrededor de 0,15 milímetros.

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. En la figura número cinco podemos ver un esquema de un cuarzo oscilando en la frecuencia fundamental y en el tercer sobretono.

Por todo lo anterior, podemos considerar un cristal de cuarzo como un circuito resonante con un factor de calidad Q, muy elevado. Un circuito resonante convencional compuesto de una bobina y un condensador, se considera bueno si tiene un Q de 200. Un cristal de cuarzo alcanza sin dificultad factores de calidad de 10.000 (diez mil) y los mejor construidos pueden sobrepasar factores de 100.000 (cien mil). De ahí su utilización en circuitos osciladores donde se precisa una alta precisión en la frecuencia generada.

Debido al carácter mecánico del fenómeno piezoeléctrico, y cómo los cambios de temperatura hacen variar las dimensiones del cristal, la frecuencia que genera un oscilador con cristal de cuarzo puede variar con dichos cambios de temperatura. En aquellas aplicaciones donde se requiere la máxima estabilidad en la frecuencia generada, se recurre a estabilizar térmicamente el cristal de cuarzo. Para ello, se introduce el cristal en un recinto cerrado y aislado térmicamente y se calienta con un dispositivo termostático, de tal manera que su temperatura, digamos 60 grados, permanezca constante.

Otro factor que puede hacer variar la frecuencia de un cristal es el envejecimiento. Cuando se fabrica un cristal, normalmente se le somete a ciclos de calentamiento para minimizar este efecto, pero con el tiempo, la frecuencia de oscilación puede variar en mayor o menor grado, de forma más acusada al principio y más lentamente

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