¿Cómo funciona un cristal?

Específicamente, un oscilador de cristal de cuarzo de 2 pines y 4 pines.

Lo que sé: se aplica corriente y el cristal oscila para proporcionar una señal oscilante.

Lo que quiero saber: ¿Cómo causa la vibración una corriente oscilante? ¿En qué se diferencian los cristales de 2/4 pines? Por último, ¿por qué un 4 pines puede funcionar solo y un 2 pines necesita condensadores?

Los dispositivos con dos pines no son osciladores, son resonadores (cristales), que se pueden usar en un circuito oscilador (como un oscilador Pierce ), y si se usan con el circuito correcto oscilarán (o cerca) de la frecuencia marcada . El circuito oscilador Pierce, que se muestra a continuación, utiliza dos condensadores (condensadores de carga, C1 / C2), el cristal (X1) y un amplificador (U1).

los dispositivos con cuatro pines son circuitos completos que incluyen un resonador y un circuito activo que oscila. Requieren potencia y generan una salida de onda cuadrada o sinusoidal a (o cerca) de la frecuencia marcada.

También hay (cerámica) resonadores con tres pines que actúan como cristales con condensadores.

La forma en que funcionan los cristales (y los resonadores cerámicos) es que están hechos de un material piezoeléctrico que produce un voltaje cuando tienen una forma distorsionada. Un voltaje aplicado causará una distorsión en la forma. El cristal se hace en una forma que resonará físicamente (como un diapasón o un platillo) a la frecuencia deseada. Eso significa que el cristal actuará como un filtro; cuando aplique la frecuencia deseada, aparecerá como una alta impedancia una vez que vibre, y para frecuencias un poco diferentes, será más con pérdidas. Cuando se coloca en el circuito de retroalimentación de un amplificador, la oscilación será autosuficiente. Mucho más, y algunas matemáticas, aquí .

Si piensas que un cristal es una pequeña campana, es fácil ver cómo, si lo golpeas con un pequeño martillo, sonaría con un tono puro como lo haría una campana grande si golpeas la campana grande con un pequeño martillo.

Eso es exactamente lo que hace un cristal, pero el truco es que está hecho de piezoeléctrico material que genera electricidad cuando lo golpeas y cambia de forma cuando lo electrocutas.

Para que produzca ese tono puro de campana continuamente, está conectado a través de un amplificador que funciona igual que alguien que lo empuja en un columpio para que cuando llegue un poco más allá del pico de un columpio le den un empujón para Asegúrate de volver para el próximo.

La naturaleza piezoeléctrica del cristal hace que cambie de forma cuando la salida del amplificador lo "empuja" con una señal eléctrica, y luego, cuando el amplificador se suelta, el cristal retrocede y genera su propia señal que dice "empuja", y envía a la entrada del amplificador en el momento justo para que el amplificador genere otro impulso y regenere el ciclo, para siempre.

Entonces, ¿qué hace que el cristal comience a oscilar?

Ruido.

Hay ruido en todas partes, y es como millones de pequeños martillos golpeando todo todo el tiempo.

Parte de ese ruido golpea el cristal, y cuando se conecta al amplificador y comienza a sonar un poco por los golpes de ruido, el amplificador obtiene la señal eléctrica del tono de llamada (frecuencia) del cristal, lo acumula y lo envía De vuelta al cristal. Eso hace que el cristal cambie de forma aún más, enviando una señal más grande al amplificador cuando la forma del cristal se recupera, hasta que el sistema oscila continuamente y es estable.

Un cristal no oscila por sí solo. No solo aplicas potencia y obtienes oscilaciones. Piense en un cristal como un filtro de frecuencia muy preciso y nítido. Lo coloca en la ruta de retroalimentación de un amplificador de la manera correcta, y hace que el circuito oscile a la frecuencia resonante del cristal. Es el circuito que causa las oscilaciones. El cristal mata todas las frecuencias, excepto la que está sintonizada, lo que solo permite suficiente ganancia de bucle general para que el circuito oscile a la frecuencia del cristal.

Los cristales por debajo de su frecuencia de resonancia aparecen principalmente capacitivos. Por encima de su frecuencia de resonancia, parecen mayormente inductivos. En su frecuencia de resonancia, parecen ser en su mayoría resistivos.

Vuelva a dibujar el oscilador Pierce tres veces, reemplazando el cristal con uno de esos componentes. Puede ayudarlo a comprender cómo funciona.

Los cristales resonantes paralelos se especifican un poco por debajo de la frecuencia fundamental. Esto hace que el cristal parezca un poco capacitivo a la frecuencia especificada. La capacitancia adicional agrega un poco de cambio de fase adicional para ayudar al oscilador a arrancar y funcionar.

La entrada del amplificador ve una señal más grande cerca del fundamental del cristal (resistivo, generalmente por debajo de 100 Ohms ESR). Las señales más pequeñas fuera de frecuencia disminuyen o se bloquean, por lo que una señal en la frecuencia fundamental se hace más fuerte (después de ser amplificada) y domina.

Empujar a alguien en un columpio. No importa cuánto lo intentes, el swing realmente solo se moverá hacia adelante y hacia atrás a una frecuencia fundamental.

Imagina un cristal como la superficie del agua. Ahora envíe ondas (ondas) a través de esa superficie. Las ondas mueven la superficie hacia arriba y hacia abajo, doblando efectivamente la superficie. El cristal también se dobla a medida que vibra.

La flexión puede ser causada al aplicar un campo eléctrico a un cristal de cuarzo, pero también la flexión misma crea un campo eléctrico opuesto en la red cristalina. En reposo, estas fuerzas están equilibradas y el cristal no tiene carga.

¿Qué es más fácil de vibrar con la mano: una regla de 12x1 pulgadas o una lámina de madera contrachapada de 6x4 pies? ¡Obviamente, la regla más pequeña puede vibrar más rápido!

Los cristales son iguales. Sus dimensiones determinan su frecuencia de resonancia; Los cristales más pequeños y / o más delgados vibran más rápido. Esto también es lo que limita la frecuencia fundamental de un cristal: los cristales se vuelven demasiado pequeños o demasiado delgados para procesarlos con precisión mediante mecanizado mecánico o grabado químico a frecuencias más altas.

A frecuencias realmente bajas, los cristales se vuelven tan grandes o gruesos que se necesita demasiada energía para hacer que se doblen; por lo tanto, se utiliza un diseño de cristal de diapasón para cristales de sincronización de baja frecuencia de 32.768 kHz.

Los cristales pueden oscilar en más de una frecuencia. Estos son los armónicos en múltiplos de lo fundamental, pero tienden a ser más débiles que lo fundamental. Es posible diseñar un circuito para hacer que un cristal oscile en un sobretono, típicamente el tercero o el quinto. Por lo general, los cristales de más de 40 MHz están diseñados para el tercer o quinto tono, no el fundamental, ¡así que lea atentamente las especificaciones antes de comprar!