cristal de cuarzo

Un cristal de cuarzo es una oblea delgada de dióxido de silicio cortada a lo largo de planos cristalográficos precisos y montada entre dos electrodos. Cuando se aplica voltaje a través de los electrodos, el cristal vibra físicamente a una frecuencia específica determinada por su grosor y orientación de corte. Esta vibración mecánica genera una señal eléctrica a esa misma frecuencia, lo que convierte a los cristales de cuarzo en la referencia de frecuencia principal en casi todos los dispositivos electrónicos que necesitan mantener la hora o la pureza espectral.

El cristal se corta típicamente en ángulos como AT (alrededor de 35 grados 15 minutos desde el eje z) o SC (compensado por estrés) para lograr estabilidad de temperatura en un rango práctico. La mayoría de los cristales de grado de consumo funcionan entre 0 y 70 grados Celsius con una deriva de frecuencia de quizás 20 a 100 partes por millón en ese rango. Las aplicaciones industriales y aeroespaciales utilizan osciladores compensados por temperatura (TCXO) u hornos para ajustar esto a ppm de un solo dígito. Los rangos de frecuencia van desde 32.768 kHz para módulos de reloj en tiempo real hasta 100 MHz o más para circuitos de RF y digitales, aunque las frecuencias más altas se logran típicamente multiplicando una frecuencia fundamental más baja.

El cristal de cuarzo siempre se monta dentro de un paquete sellado, generalmente una lata de metal con dos o cuatro cables, y requiere un circuito oscilador de soporte (amplificador, condensadores, resistencias) para mantener la oscilación. El cristal en sí es pasivo; no oscilará por sí solo sin ese circuito que lo impulse. Los valores típicos de capacitancia de carga son 15, 20 o 30 picofaradios, y si el circuito oscilador no presenta la carga correcta, el cristal se desviará de la frecuencia o se negará a arrancar.

Los modos de falla comunes incluyen la deriva de frecuencia por cambios de temperatura, el envejecimiento (los cristales de cuarzo pierden estabilidad de frecuencia lentamente a lo largo de los años debido a la redistribución de carga en el material) y el daño mecánico por golpes o vibraciones. La contaminación dentro del paquete sellado, la humedad, las partículas conductoras o la desgasificación de materiales internos pueden causar un comportamiento errático o la interrupción completa de la oscilación. Los picos o transitorios de voltaje de suministro también pueden fracturar el delicado elemento de cristal.

El nombre "cristal de cuarzo" es literal: es cuarzo piezoeléctrico (SiO2 cristalino), que explota el efecto piezoeléctrico inverso donde la tensión mecánica produce carga eléctrica. El término lo distingue de otros elementos osciladores como los resonadores cerámicos (más baratos, menos estables, pero más pequeños) o los circuitos LC (menos estables, rango de sintonización más amplio). En los esquemas, los cristales de cuarzo se marcan con el símbolo Y1, Y2, etc., y se especifican por frecuencia, capacitancia de carga y tolerancia (por ejemplo, 16 MHz, carga de 20 pF, ±30 ppm).