¿Por qué se utilizan osciladores de cristal en relojes en lugar de circuitos RLC?


Respuestas:


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Los osciladores de cristal son mucho más precisos, son pequeños, tienen coeficientes de baja temperatura y poca deriva a un bajo costo.


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Un cristal de cuarzo es un resonador mecánico con propiedades particularmente estables. El cuarzo es un material muy estable: no "envejece" ni cambia mucho con la temperatura. También es posible preparar cuarzo para que sea muy puro y tenga propiedades consistentes. El cuarzo también es ligeramente piezoeléctrico: un campo eléctrico provoca una desviación y una desviación genera una carga eléctrica.

Cuando se corta correctamente (con una orientación específica de los ejes de cristal) y se monta correctamente, las propiedades mecánicas (básicamente rigidez) son independientes de la temperatura. Los contactos en el cristal significan que una vibración mecánica genera carga eléctrica, y cuando se configura correctamente (con un amplificador), todo el sistema puede resonar a una frecuencia estable.

Eléctricamente, esto se puede modelar como una red RLC con propiedades similares. Los valores de RLC pueden ser sorprendentes, típicamente fracciones de un fF de capacitancia y muchas henias de inductancia.


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Los valores "sorprendentes" (extremos) causan Q muy alta: pico resonante estrecho.


La Q alta se debe básicamente a que el cuarzo tiene un coeficiente de restitución muy alto (cercano a 1,00): cuando almacena energía en él doblando, recupera la mayor parte de eso cuando se relaja. En el modelo eléctrico, esto equivale a una serie R muy baja, y con muchas fuentes de inductancia, la Q (wL / R) es muy alta.
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Si bien un cristal de cuarzo se puede modelar como un circuito RLC, eso no es lo que realmente es.
El corte y las dimensiones del cristal hacen que resuene a una frecuencia particular y esto puede determinarse con mucha más precisión que un circuito hecho de R, L y C discretos.


¿Podría explicar cómo podemos modelar el cristal de cuarzo como un RLC con un simple ejemplo
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En comparación con un RLC real, el cristal tiene una Q fantásticamente alta, lo que significa que el pico de frecuencia resonante es extremadamente estrecho. Entonces, el modelo "como" un RLC tiene que incluir ese factor, pero dichos valores son inalcanzables con componentes reales.

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La razón es la precisión. Para los condensadores, el 2% se considera una muy buena tolerancia. No estoy seguro acerca de los inductores, pero espero que sea similar. Las resistencias son mejores que los condensadores o inductores, pero no se puede construir un oscilador con resistencias solo.

Para poner estos números en perspectiva: 1% es equivalente a 36 segundos por hora o 14 minutos y 24 segundos por día, lo que sería una precisión totalmente inaceptable para un reloj.


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Desde mi experiencia, se agrega un cristal en lugar de reemplazar los componentes RLC de un oscilador. La razón por la que se "agrega" es para dar y mantener una frecuencia dada con mayor precisión que el uso de los componentes RLC solos. La razón por la que un cristal proporciona más precisión es que puede fabricarse con tolerancias "más estrictas" que los componentes RLC y su alta propiedad eléctrica Q.


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El oscilador de cristal tiene propiedades de bajo costo en términos de complejidad del circuito y precio unitario que lo hace ventajoso sobre un circuito RLC. El circuito RLC requiere más piezas y ajustes. Cuando está correctamente diseñado y calibrado, un reloj RLC es tan preciso como un reloj oscilador de cristal. Se trata del costo y el tamaño.


De Verdad? ¿No hay expansión de la bobina con calor? ¿No hay inductancia variable con la corriente? Trato con osciladores FM RF en la banda de 98.7-118.7MHz y nunca he visto uno que sea lo suficientemente preciso o estable para un reloj.
user207421
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