CRISTALES DE CUARZO.

1.- INTRODUCCIN.

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

Estos dispositivos estn formados por una fina lmina de cuarzo situada entre dos electrodos. Como es sabido, el cuarzo, tambin llamado cristal de roca, es un mineral compuesto por silicio y oxgeno, (xido anhidro de silicio, bixido de silicio o anhdrido silcico, SIO2) cuyos cristales tienen forma de prisma hexagonal terminado por dos romboedros que parecen una bipirmide hexagonal. El cuarzo es el mineral ms 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 nmero uno se puede ver un grupo de cristales de cuarzo tal como aparecen en la naturaleza.



En el presente artculo daremos un breve repaso a las caractersticas ms importantes de los cristales de cuarzo empleados en comunicaciones y se describir un pequeo circuito para probar dichos dispositivos. En la figura nmero 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 vlvulas electrnicas. Mas a la derecha se pueden ver dos cristales en cpsula de resina. Estos tipos son muy antiguos y ya estn en desuso.



En la parte inferior tenemos distintos tipos de cpsulas metlicas, que son las que se emplean en la actualidad, sobre todo las ms pequeas. 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 tensin de 5 voltios para que el dispositivo genere la seal, que en el caso del que se muestra en la figura, es de 20 MHz.

En los cristales de cuarzo se produce un fenmeno llamado piezoelectricidad. Este fenmeno consiste en que la aplicacin de una tensin elctrica produce una deformacin del cristal, mientras que la deformacin del cristal genera una tensin elctrica. Esta caracterstica se aprovecha en electrnica para producir tensiones alternas con una gran estabilidad de frecuencia ya que sta depende directamente del grueso de la lmina de cuarzo.

Cmo es natural, un simple cristal de cuarzo no es capaz por si slo de generar ninguna tensin alterna. Es preciso que el cristal de cuarzo forme parte de un circuito electrnico llamado oscilador que no es sino un amplificador donde una parte de la energa de salida, se realimenta con la misma fase a la entrada. A esto se le llama realimentacin positiva.

Si en el camino de la realimentacin positiva se encuentra un cristal de cuarzo, entonces el oscilador generar una tensin alterna cuya frecuencia vendr determinada por las caractersticas mecnicas del cristal utilizado y tendr la caracterstica de que su frecuencia ser sumamente estable y precisa. De ah su empleo en equipos de telecomunicaciones.

Como ya se ha indicado, la frecuencia de oscilacin de un cristal viene determinada por el grueso de la lmina de cuarzo y la direccin en que se dio el corte del cristal original para obtener la lmina.



En la figura nmero tres se pueden ver unos cristales de cuarzo sin su cubierta protectora. Se aprecian claramente los electrodos que estn metalizados directamente sobre la lmina de cuarzo. En la figura nmero cuatro se muestra un esquema de la construccin 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 lmina de cuarzo estar alrededor de 0,15 milmetros.



Cuando se aplica una tensin alterna entre los electrodos, se produce una deformacin de la lmina de cuarzo. Esta deformacin se traslada de un lado de la lmina hacia el otro lado, donde se refleja hacia el lado contrario. Si esta deformacin reflejada coincide en fase con la deformacin inicial, las dos se suman incrementndose notablemente. Se produce la resonancia y la frecuencia de la tensin aplicada se dice que es la fundamental del cristal. Si la frecuencia de la tensin aplicada es, por ejemplo, tres veces mayor, tambin se produce la coincidencia de fase entre la deformacin inicial y la deformacin reflejada dndose tambin la condicin de resonancia. Esta condicin de resonancia tambin se da en otras frecuencias mltiplos 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 lmina de cristal, hay un pequeo error de fase, por lo que la frecuencia de un sobretono no coincidir exactamente con un mltiplo de la frecuencia fundamental. Es por tanto que no hay que confundir sobretono con armnico.

Sobretono no es otra cosa que una resonancia mecnica del cristal, mientras que armnico es una seal adicional cuya frecuencia es un mltiplo exacto (tambin los pares) de la frecuencia fundamental. En la figura nmero 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 ah su utilizacin en circuitos osciladores donde se precisa una alta precisin en la frecuencia generada.

Debido al carcter mecnico del fenmeno piezoelctrico, y cmo 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 mxima estabilidad en la frecuencia generada, se recurre a estabilizar trmicamente el cristal de cuarzo. Para ello, se introduce el cristal en un recinto cerrado y aislado trmicamente y se calienta con un dispositivo termosttico, 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 oscilacin puede variar en mayor o menor grado, de forma ms acusada al principio y ms lentamente pasado un cierto tiempo. Por esto es necesario proceder a un reajuste de los osciladores pasado un cierto tiempo de operacin. Esto es particularmente necesario en equipos de medida tales como frecuencmetros, donde la precisin de la medida depende de la precisin con que est ajustado su oscilador patrn.

El cristal de cuarzo es un material frgil y por tanto es preciso protegerlo con una cpsula que suele ir rellena de un gas inerte, por ejemplo, nitrgeno. Hay distintos tamaos de cpsulas y en la figura nmero seis se pueden ver las dimensiones aproximadas de las ms usuales, as cmo su denominacin. Las cpsulas HC18/U, HC33/U y HC13/U tienen hilos para soldar, mientras que las cpsulas HC25/U y HC6/U tienen patillas para enchufar.



Normalmente en el taller de radioaficionado se encuentra un cierto nmero de cristales de cuarzo cuya frecuencia y estado de funcionamiento a veces no es del todo conocido. Para probar su funcionamiento necesitamos algn tipo de oscilador que nos permita determinar si el cristal funciona y su frecuencia de resonancia, aunque sea de forma aproximada.

En los prrafos siguientes se describe un oscilador aperidico que nos permitir probar cristales de cuarzo con frecuencias de resonancia comprendidas entre un mnimo de 1 Mhz y un mximo de 30 MHz aproximadamente.

2.- DESCRIPCIN.

En la figura nmero siete tenemos el esquema del circuito elctrico del oscilador. Est construido con dos inversores de un circuito integrado TTL 7404, que est formado por seis inversores.



Las secciones U1A y U1B forman el oscilador. Como estos inversores tienen una elevada ganancia para su funcionamiento digital (todo o nada) es preciso aadir las resistencias R1, R2 y R3 para linearizar su curva de trabajo. Dos inversores puestos en serie hacen que la salida del segundo est en fase con la entrada del primero, dndose la condicin de ralimentacin positiva. Como en el camino de sta realimentacin tenemos un cristal de cuarzo, en la salida del segundo inversor tenemos una tensin alterna cuya frecuencia coincide aproximadamente con la de resonancia del cristal.

La resistencia R4 aplica la salida del oscilador a otro inversor, que sirve como amplificador separador. El inversor U1F enva la seal alterna a travs del condensador C1, al conector J1, donde podemos conectar un frecuencmetro para la lectura de la frecuencia. El nivel de la seal de salida corresponde con los niveles TTL por lo que es posible excitar circuitos digitales con este dispositivo. Para esta aplicacin ser necesario sustituir el condensador C1 por un puente, para que la tensin de salida vare entre 0 (cero) y 5 voltios.

El inversor U1E enva la seal a travs del condensador C2 a un diodo rectificador, D1. La tensin rectificada se aplica a la base de un transistor NPN (casi cualquier tipo servir) haciendo que ste conduzca poniendo a masa la entrada del inversor U1D. Este nivel bajo en su entrada hace que en su salida aparezca un nivel alto, haciendo que el diodo LED D2 se encienda para indicarnos la actividad del cristal.

Cmo la tensin de funcionamiento del circuito integrado 7404 es de 5 voltios, todo el circuito est alimentado por el regulador U2 7805. De esta manera conseguimos que el circuito funcione con cualquier tensin comprendida entre 8 y 30 voltios.

3.- CONSTRUCCIN.

La construccin del comprobador de cristales de cuarzo se puede llevar a cabo utilizando cualquier tcnica habitual. Se puede cablear directamente, utilizando algn tipo de regleta o se puede utilizar placa de circuito impreso perforada para prototipos. Tambin se puede utilizar el circuito impreso cuyo diseo se puede ver en la figura nmero ocho. En la figura nmero nueve tenemos la disposicin de los componentes.

 

Seguiremos las tcnicas habituales. Soldaremos las resistencias, condensadores, diodos, para terminar con el transistor y finalmente el circuito integrado. Para ste ltimo podemos utilizar un zcalo, aunque no es imprescindible si tenemos la precaucin de dejar enfriar el circuito entre la soldadura de cada patilla. En la figura nmero diez tenemos la placa montada con todos los componentes, excepto el conector J1, el diodo LED y los zcalos de los cristales.

 

Una vez completado el montaje de los componentes en la placa de circuito impreso, podemos montar sta en el interior de una pequea caja metlica donde sujetaremos los zcalos para los cristales, el conector BNC y el diodo LED. Un modelo apropiado puede ser la caja RETEX MINIBOX modelo RM.02. En la figura nmero once se puede ver el prototipo montado en una caja cmo la indicada. En la tapa superior sujetaremos los zcalos para enchufar los cristales y stos irn provistos de dos trozos de hilo de cobre de 1 milmetro de dimetro que, cortados a la medida adecuada, al colocar la tapa en su sitio, enchufarn en el zcalo dispuesto en la placa de circuito.

Como es natural, el constructor podr utilizar cualquier tcnica de montaje que estime conveniente y emplear otra caja de cualquiera de los muchos modelos que hay en el mercado.

La relacin de los materiales necesarios para la construccin del comprobador de cristales de cuarzo se da en la tabla siguiente.

C1	1nF
C2	1nF
C3	10nF
C4	100F
D1	OA90
D2	LED
J1	BNC
Q1	NPN
R1	470
R2	470
R3	3K3
R4	1K
R5	1K
R6	1K
R7	150
U1	7404
U2	7805
X1	CRISTAL
4.- OPERACIN.

El funcionamiento del comprobador es muy sencillo. Basta con conectar la alimentacin y enchufar un cristal de cuarzo en el correspondiente zcalo. El diodo LED se encender indicando la oscilacin y si conectamos un frecuencmetro en el conector J1, podremos ver la frecuencia de oscilacin, que ser la fundamental del cristal, aunque en la cpsula venga marcada la de un sobretono.

El circuito tiene alguna caracterstica que es preciso sealar. Por un lado, como no existe ningn trimmer compensador en serie con el cristal, la frecuencia generada no coincide exactamente con la nominal del cristal, sino que es un poco ms baja.

Si se inserta un cristal de una frecuencia muy baja, digamos 100 KHz, normalmente el oscilador no funciona o lo hace en una frecuencia arbitraria y muy alta, varios MHz. Esto es debido a que la realimentacin no se produce por la resonancia del cristal sino a travs de la capacidad entre los dos electrodos, que en estos cristales que tienen un tamao apreciable, puede ser elevada.

En otras ocasiones y al insertar un determinado cristal, el oscilador arranca unas veces en fundamental y otras veces en sobretono. No obstante lo anterior, el comprobador funciona correctamente con la mayora de los cristales con que se ha probado, mas de cincuenta.

5.- RESUMEN.

Mediante el circuito propuesto podremos comprobar el funcionamiento y la frecuencia de resonancia de cualquier cristal de cuarzo comprendido entre 1 MHz y 30 MHz aproximadamente, que son los lmites dentro de los cuales se construyen la mayora de los cristales. El circuito puede funcionar con tensiones de alimentacin comprendidas entre 8 y 30 voltios, tiene un consumo de unos 25 miliamperios sin ningn cristal enchufado y de unos 45 miliamperios cuando est oscilando, a una tensin de alimentacin de 12 voltios. Dispone de un diodo LED para indicar la actividad del cristal y tiene una salida hacia un frecuencmetro para poder leer la frecuencia de oscilacin.

El montaje descrito en el presente artculo no ha sido probado en grandes series y, por tanto, no se tiene certeza de que su funcionamiento sea 100% correcto. Solamente se describe la construccin y el funcionamiento del prototipo.

El autor no se hace responsable de posibles derechos de copia. La informacin para la realizacin de este montaje procede de diversas publicaciones, libros, revistas, etc., as cmo de los propios conocimientos del autor.

El autor no se hace responsable de posibles daos y/o perjuicios causados por la construccin y/o uso de este dispositivo, daos personales o muerte, daos a la propiedad, daos al medio ambiente, lucro cesante, perdida total o parcial de datos informticos o cualquier tipo de dao que se pudiera derivar del montaje y/o uso de este dispositivo.

No se aconseja el uso de este dispositivo en aplicaciones crticas, cmo son control de maquinaria peligrosa, control de navegacin o trfico, maquinaria de mantenimiento de vida o sistemas cuyo mal funcionamiento pueda provocar causas o efectos anteriormente mencionados. Este dispositivo no es tolerante a fallos.

El autor declina cualquier responsabilidad, ni se hace responsable de no mencionar a los dueos de las posibles patentes que aqu se pudieran reflejar.

El dispositivo descrito en el presente artculo es un montaje experimental, cuyo propsito es el estudio de los diferentes aspectos de la Electrnica, por tanto, no est destinado a su utilizacin industrial ni para su explotacin comercial en cualquiera de sus facetas.

El autor no efecta ninguna actividad comercial relacionada con este u otros montajes publicados en esta u otras revistas o publicaciones de cualquier tipo.

El presente artculo y todos los publicados hasta el momento en la revista "RADIOAFICIONADOS", estn recopilados en un DVD a disposicin de quien lo solicite. Se incluyen todos los textos, as como las fotografas, dibujos, grficos, plantillas de circuitos impresos, etc.

Aunque se ha intentado proporcionar todos los detalles necesarios para la realizacin del proyecto, es posible que algn aspecto no haya quedado suficientemente desarrollado. Como es natural, con mucho gusto el autor dar cumplida informacin sobre cualquier detalle no especificado, o cualquier punto en particular que no haya quedado completamente explicado. Buena suerte a todos.

Luis Snchez Prez. EA4-NH

Apartado 421, 45080 - TOLEDO

E-mail : ea4nh@ure.es