miércoles, 28 de enero de 2015

Tutorial Electrónica Básica. 14. Cristales de cuarzo



ÍNDICE
¿Qué es un cristal de cuarzo?
El fenómeno piezoeléctrico
Resonancia
Fabricación
Cristal, resonador, oscilador... ¿Diferencias?
Encapsulados más comunes
Parámetros de un cristal de cuarzo
Símbolos utilizados en los esquemas
¿Se fabrican cuarzos para todas las frecuencias?
Usos y aplicaciones de los cristales de cuarzo
Ejemplo de utilización: Diapasón electrónico, nota musical "La 440 Hz"
Cómo comprobar un cristal de cuarzo
Comprobador casero de cristales de cuarzo
Otros usos de la piezoelectricidad
RINCÓN DE LA TEORÍA. El efecto termoiónico o efecto Edison
El vídeo




1. ¿Qué es un cristal de cuarzo?

En electrónica hay un circuito básico conocido como oscilador. La función de un oscilador es bien sencilla: Crear una señal eléctrica que nos recuerda a una corriente alterna. Hay muchos tipos de oscilador, cada uno con un propósito: Los hay para altas, medias y bajas frecuencias; los hay que proporcionan señales eléctricas que pueden tener forma sinoidal, triangular u onda cuadrada. Los hay que pretenden ser muy estables (oscilan a una frecuencia fija determinada), y los hay que no importa que la frecuencia varíe o incluso deben variar.

Se utilizan para muy diversos fines, no importa que se trate de un equipo antiguo o del más moderno dispositivo: El circuito oscilador es una presencia muy frecuente en la mayoría de los equipos electrónicos.

Ejemplos de equipos que llevan uno o más osciladores en sus circuitos:

- mandos a distancia
- un reloj digital
- sintetizadores en instrumentos musicales
- cualquier PC
- cualquier smartphone
- Equipamiento médico
- Comunicaciones

El problema viene a continuación: En muchas ocasiones se espera que un circuito oscilador trabaje a una frecuencia fija, muy estable, por ejemplo, las emisoras de radio y TV. A primeros del siglo pasado, antes de la implantación de los cristales, la estabilidad de frecuencia en las emisoras se confiaba a simples circuitos sintonizados tipo LC (bobina-condensador), poco estables, que son susceptibles a variaciones de varios miles de hertzios (varios Khz). Si tenemos en cuenta que el ancho de banda asignado a cada emisora era precisamente de unos pocos Khz, se entiende que era común que dos emisoras se adentrasen la una en la otra produciéndose interferencias mutuamente.

...Y ni hablar de construir un oscilador para hacer un reloj preciso y exacto, porque en electrónica un reloj es eso: Un oscilador.

Todo esto cambió cuando empezaron a usarse cristales para controlar la frecuencia de un oscilador. Se consiguió una gran precisión, hasta el punto de que un reloj electrónico ordinario se adelantaba (o retrasaba) 1 segundo... en 30 años!. Solamente un reloj atómico es más estable que uno de cuarzo.

Este gran avance se lo debemos a los popularmente conocidos como "cristales de cuarzo", si bien no es el cuarzo el único material con que están fabricados estos cristales.





2. El fenómeno piezoeléctrico

Hay materiales que, cuando se cortan en láminas finas, exhiben un fenómeno conocido como "piezoelectricidad".


Cristales de cuarzo

El más conocido y mencionado de estos materiales es el cuarzo, pero no es el único que manifiesta este fenómeno. Este efecto también se produce en:

Sales de  Rochelle
Turmalina
Topacio
Berlinita





y también se produce en algunos materiales orgánicos.

Si se aplica presión mecánica sobre ellos, generan una tensión eléctrica en ambas caras, positivo y negativo. Esto es explotado desde hace bastante tiempo en el encendedor electrónico que tan familiar nos resulta. Al presionar el accionador, cuando este cede, un cristal de cuarzo recibe un súbito golpe y genera una pequeña carga eléctrica. Mediante un mini autotransformador la tensión se eleva a varios miles de voltios. Aunque esta alta tensión es inofensiva para un humano, pues es de muy poca intensidad, tiene energía suficiente para provocar la ignición del gas.


Colección de encendedores. Algunos son de "piedra", otros son piezoeléctricos

El fenómeno piezoeléctrico es reversible: Si se aplica tensión eléctrica a uno de estos cristales, éste se deformará mecánicamente, y lo hará al "ritmo" de la tensión aplicada. Es decir: Vibra.

Bien pensado, uno de estos cristales, conectado en un punto oportuno en un oscilador, se comportará como un circuito RLC, pero con una gran diferencia a su favor: La gran estabilidad a la frecuencia en que vibra o resuena. La frecuencia de resonancia de un cristal está determinada por la forma en que el cristal es construido: Cuanto más delgada es la lámina, mayor es la frecuencia de resonancia. También influye la orientación del corte para hacer la lámina.

En el dibujo siguiente, el circuito equivalente de un cristal de cuarzo. El condensador "PAR" representa la capacidad propia del cristal cuando no está en resonancia, cosa de esperar, pues un cristal de cuarzo tal y como está construido es básicamente un condensador: Dos conductores separados por un aislante (el cuarzo).

La rama de la izquierda representa al cristal de cuarzo cuando está resonando, un circuito RLC, con una impedancia mucho más baja que en el caso de que no resuene.

Circuito equivalente de un cuarzo


3. Resonancia

Cuando la tensión alterna del oscilador y la generada por el propio cristal tienen la misma frecuencia y además están en fase, se dice que el cristal está en resonancia con su frecuencia fundamental. Pero un cristal también puede resonar a frecuencias mayores, conocidas como "sobretonos". Debido a detalles constructivos del cristal, los sobretonos difieren ligeramente de los armónicos, siendo los armónicos múltiplos exactos de la frecuencia fundamental.




4. Fabricación


Componente electrónico: Cristal de cuarzo

El proceso de fabricación de un cristal de cuarzo comienza con el corte de dicha lámina. El grosor de esta lámina determinará la frecuencia de resonancia fundamental. Como el corte es una operación mecánica que no puede ser tan precisa, lo que se hace a continuación es pulir con gran precisión la lámina de cuarzo hasta dejarla con el grosor adecuado.

El siguiente paso es recubrir ambas caras del cuarzo con una imprimación metálica y formar así ambos electrodos.

Sobre cada una de las imprimaciones se suelda un alambre, que serán los terminales. El punto elegido donde se realiza la soldadura de los terminales al cuarzo no es al azar: Debe ser en un punto en donde el cristal no vibre, de lo contrario los terminales amortiguarían la vibración, de la misma forma que posando la mano sobre un timbre de bicicleta, este apenas suena.

Seguidamente el cristal es encapsulado herméticamente para aislarlo, con la finalidad de protegerlo y de hacerlo menos dependiente de factores externos.

Antes de comercializarse, se le hace funcionar en fábrica por unas horas para que se estabilice.





5. Cristal, resonador, oscilador... ¿Diferencias?

Escuchamos estas tres denominaciones como si fuesen una misma cosa, y aunque hay grandes similitudes, no son lo mismo:


- Cristales y resonadores: Ambos tienen en común el que son componentes que sirven para hacer funcionar a un oscilador a una frecuencia determinada. Pero ninguno de los dos es capaz de crear una oscilación por sí mismo; necesitan formar parte de un oscilador como un componente más, y, mediante una realimentación adecuada, hacen su trabajo (vibrar a una frecuencia dada).


Ambos, cristales y resonadores, tienen dos terminales o patillas.
Esos dos terminales no tienen polaridad, se conectan indistintamente.
El cristal es más preciso (pero más caro) que el resonador.




- Osciladores: Se diferencian de los dos anteriores en que sí son capaces de generar por sí mismos una oscilación a una frecuencia dada, pues no son simples componentes sino verdaderos circuitos. Son aún más exactos que los cristales, aunque también son más difíciles de conseguir. 

En lugar de tener dos pines o terminales tienen cuatro, con esta función:

1. ENABLE (disponible): Si este pin se conecta a la tensión positiva (o se deja al aire sin conectar), el oscilador trabaja, entregando a la salida la señal. Si por el contrario se conecta este pin a masa, el oscilador deja de trabajar. Esto es útil como modo de ahorro de energía.

2. GND (negativo, tierra o masa)

3. OUTPUT (Salida): Por este pin se entrega la oscilación

4. VCC (Alimentación, tensión positiva, entre 3.3 y 5 voltios)






6. Encapsulados más comunes

Estos son los ocho encapsulados que nos vamos a encontrar casi siempre:

Para los resonadores:

















Para los cristales:



De izquierda a derecha:

HC-49/SD (Versión SMD)
HC-49/US (Perfil bajo)
HC-49/U (Perfil alto)







Y para los osciladores:



DIL-14 metal
DIL-8 metal
DIL-8 plástico
5x7mm metal (versión SMD)






7. Parámetros de un cristal de cuarzo


La frecuencia fundamental de resonancia es el principal parámetro de un cristal. Viene especificada en el encapsulado.

En el ejemplar mostrado a la izquierda, la frecuencia marcada es de 8.867238 MHz, frecuencia usada en TV de sistema PAL.






8. Símbolos utilizados en los esquemas

En este componente no hay mucha variedad en cuanto a símbolos:






9. ¿Se fabrican cuarzos para todas las frecuencias?

Evidentemente... no

Hay un buen catálogo de frecuencias disponibles, normalizadas, que se adjunta en una lista a continuación. Sin embargo, comercialmente, no es fácil obtener todas las opciones disponibles de esa lista.

Cada uno de esos cristales puede hacerse resonar a una frecuencia distinta a la fundamental (sobretonos). Pero aún así, quedan muchísimas frecuencias sin cubrir. ¿Cómo haremos para conseguir que un oscilador vibre a una frecuencia determinada sin renunciar al uso de cristales a pesar de que no haya cristales para esa frecuencia que necesitamos?

Respuesta: Mediante el uso de divisores y multiplicadores de frecuencia. Son circuitos integrados que se configuran fácilmente para dividir (o multiplicar) la frecuencia fundamental del cristal utilizado y obtener una frecuencia menor (o mayor).

En el punto 11 siguiente de este tutorial veremos un ejemplo teórico y práctico de uso de un divisor de frecuencia para obtener una frecuencia que no está en esa lista.


La lista de las frecuencias disponibles en cristales de cuarzo:

Frecuencia (MHz)        Uso típico

0.032000                   Relojes
0.032768                   Pequeños Microprocesadores
0.038000                   FM
0.077500                   Relojes
0.100000                   Relojes

0.120000                   Instrumentos de medida
0.131072                   Instrumentos de medida
1.000000                   Frecuencia de referencia standard
1.008000                   Reloj comunicaciones serie
1.544000                   Sistemas DS1

1.843200                   Reloj UART
2.048000                   Sistemas E1
2.097152                   Relojes
2.457600                   Reloj UART
2.500000                   Reloj Ethernet 

2.560000
2.880000                   Reloj UART
3.072000                   Para generar señales de 60 Hz (51200 x 60)
3.088000                   Sistemas DS1
3.276800                   Para generar 50 Hz (Inversores)

3.575611                   Subportadora M de color sistema PAL
3.579545                   Subportadora M de color sistema NTSC
3.582056                   Subportadora N de color sistema PAL
3.595295                   Subportadora M de color sistema NTSC
3.640000                   Radio AM. Control remoto IR

3.686400                   W-CDMA. Reloj UART
3.932160                   Inversores. Generador Sync Vert NTSC
4.000000                   Pequeños microcontroladores
4.032000                   Reloj UART. Modems
4.096000                   Sistemas ISDN

4.194304                   Relojes. Usado en Game Boy original
4.332000                   Señal RDS
4.433618                   Para obtener frecuencia 44.1Khz en sampleo CD
4.608000                   Reloj microcontroladores
4.915200                   Sistemas CDMA

5.000000                   Frecuencia standard
5.034963                   NTSC
5.068800                   Reloj UART
5.120000                   
5.185000                   Radio. Microcontroladores

5.529600                   Reloj UART
6.000000                   USB baja velocidad
6.144000                   Sistemas digitales de audio
6.176000                   Sistemas DS1
6.400000                   Frecuencia mitad de la standard 12.8 MHz

6.451200                   Reloj UART
6.553600                   
7.159090                   Subportadora M color sistema NTSC
7.200000                   Reloj UART y reloj DARC
7.372800                   Reloj UART

8.000000                   Sistemas bus CAN
8.184000                   GPS
8.192000                   Sistemas ISDN
8.664000                   Señal RDS
8.867240                   Subportadora BGH color sistema PAL

9.216000                   Reloj UART. DOCSIS
9.545450                   Reloj en µP antiguos
9.600000                   Reloj UART
9.830400                   Sistemas CDMA
10.00000                   µP antiguos. Protocolo Stratum 3 network

10.23000                   GPS
10.24000                   PLL CB radio. Teléfonos inalámbricos
10.24500                   IF Radio
10.41666                   Gigabit Ethernet. Reloj FDDI
11.05920                   µP Intel 8051

11.28960                   CD-DA y CD ROM
11.45454                   TV NTSC, Secam y PAL. Teletexto
11.52000                   Reloj UART
12.00000                   USB 1.0 y 2.0, Intel 8051, Sistemas de bus CAN
12.27272                   Vídeo NTSC

12.28800                   Sistemas de audio digital
12.35200                   Sistemas DS1
12.40625                   Teletexto
12.80000                   Frecuencia standard
12.90240                   Reloj UART

12.96000                   Reloj UART
13.00000                   GSM (móviles)
13.50000                   Reloj DVD y TV digital
13.51680                   Reloj UART
13.56000                   RFID

13.87500                   Teletexto
14.25000                   Radio FM
14.31818                   CGA y VGA 8bit PC, NTSC, Reloj PC motherboard
14.35000                   Camaras CCD NTSC
14.40000                   PDC, GPS

14.74560                   Reloj UART
14.75000                   Vídeo PAL
15.36000                   3G, Bluetooth, reloj UART
16.00000                   Sistemas BUS CAM, USB
16.20000                   MUSE HDTV

16.25700                   Reloj tarjetas MGA EGA 
16.36760                   GPS
16.36900                   GPS
16.38400                   GPS
16.58880                   Reloj UART

16.67000                   µP (Motorola 68000), IOAPIC
16.80000                   PLL en radio, Bluetooth
16.93440                   CD-DA, CD-ROM
17.32800                   RDS
17.66400                   DSL

17.73447                   Subportadora PAL
18.43200                   Audio digital
19.20000                   3G, GPS, Bluetooth
19.44000                   Sistemas DS1, T1 y E1
19.66080                   Sistemas CDMA

19.68000                   Sistemas CDMA y Bluetooth                   
19.80000                   Sistemas CDMA y Bluetooth
20.00000                   Ethernet
20.27520                   Reloj UART
20.48000    

21.47727                   NTSC
22.11840                   Reloj UART
22.57920                   Audio
23.10400                   GPS
23.96160                   Reloj UART

24.00000                   USB Full speed
24.55350                   GPS
24.57600                   Sistemas Firewire
24.70400                   Sistemas DS1
25.00000                   Ethernet

25.17500                   Gráficos VGA
25.80480                   Reloj UART
26.00000                   GSM/UMTS
26.21440                   
26.56250                   Canal de fibra

26.84360                   Generador de señal digital
26.97500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
26.99500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
27.00000                   PAL/NTS
27.02500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
27.04500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
27.07500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
27.09500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control

27.12000                   RFID
27.12500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
27.14500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
27.17500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
27.19500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
27.22500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control
27.25500                   Banda 27 Mhz. RC modelos a radio-control

27.45600                   GPS
27.64800                   Reloj UART
28.22400                   Modems
28.32200                   Gráficos VGA
28.37500                   Sistema PAL
28.63600                   NTSC
29.49120                   Reloj UART

30.00000                   Reloj CPU
30.24000                   Vídeo VGA
30.72000                   3G
31.33440                   Reloj UART
32.76800                   GPS

33.17760                   Reloj UART
33.33000                   Reloj CPU, reloj bus PCI
33.86880                   Audio
34.36800                   Reloj datos E3

34.95000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
34.96000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
34.97000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
34.98000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
34.99000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35.00000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35.01000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35.02000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control

35.02080                   Reloj UART

35.03000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,04000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,05000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,06000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,07000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,08000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,09000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,10000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,11000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,12000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,13000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,14000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,15000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,16000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,17000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,18000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,19000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,20000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,21000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,22000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,23000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,24000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,25000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control

35.25120                   Reloj UART


35.26000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,27000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,28000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,29000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control
35,30000                   Banda 35 Mhz. RC Radio-control

35.32800                   DSL
36.00000                   VGA
36.86400                   Reloj UART
38.40000                   3G
38.88000                   Sistemas DS1/T1/E1

39.00000                   GSM/UMTS
40.00000                   Reloj CPU
40.32000                   Reloj UART
40.65500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.66500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.67500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.68500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.69500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.70500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.71500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.72500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.73500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.74500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.75500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.76500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.77500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.78500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.79500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.80500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.81500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.82500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.83500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.87500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.88500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.91500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.93500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.94500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control

40.96000

40.97500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
40.98500                   Banda 40 Mhz. RC Radio control
44.73600                   DS3
45.15840                   Audio
48.00000                   Gráficos VGA

49.15200                   Firewire
49.40800                   DS1

49.83000                   RC juguetes, Walkie-talkies
49.86000                   RC juguetes, Walkie-talkies
49.89000                   RC juguetes, Walkie-talkies

50.00000                   Ethernet
51.84000                   SONET
52.41600                   Modems
53.12500                   Canal de fibra
56.48800                   Modems

66.66700                   Reloj CPU, BUS PCI
70.65600                   DSL
77.76000                   Reloj UART
80.00000                   Reloj CPU
100.0000                   PCI Express

106.2500                   Canal de fibra
106.5000                   Radio
125.0000                   Ethernet
155.5200                   SONET/SDH
156.2500                   Ethernet
161.1328                   Ethernet




10. Usos y aplicaciones de los cristales de cuarzo

La gran estabilidad con la que vibran los cristales de cuarzo los hace idóneos para gobernar la frecuencia a la que trabaja un oscilador. Los vamos a encontrar precisamente formando parte de osciladores y generadores de señal.



En primer plano, un cristal de cuarzo


11. Ejemplo de utilización: Diapasón electrónico, nota musical "La 440 Hz"



Como ejemplo práctico os presento un oscilador gobernado por cuarzo: Un afinador para instrumentos musicales, conocido como "diapasón". 

Creo que este pequeño circuito tiene interés no solo desde el punto de vista "académico" para mostrar en acción un cristal de cuarzo, sino también como circuito "útil" que nos puede servir en la vida cotidiana. Por eso, este circuito será objeto del próximo vídeo de la serie "Circuitos Útiles". Aquí sólo se hará una breve descripción:





La necesidad es conocida por aquéllos que tocan algún instrumento musical "afinable" como es el caso de una guitarra. El diapasón hace sonar una nota de referencia con la cual afinaremos la guitarra. Lo más usual es que esa nota de referencia sea "La(4)", o más exactamente "Nota La(4) a 440 Hz".

Sin embargo, al consultar la tabla anterior de frecuencias disponibles vemos que no hay cristales para 440Hz (ni nada que se le parezca).

La solución: Usaremos un resonador de 1Mhz, que es una frecuencia 2.273 veces mayor que 440Hz. Haremos un oscilador para 1Mhz con un circuito integrado. A continuación inyectamos ese MHz en un circuito divisor de frecuencia basado en otro circuito integrado. ¿Y en qué factor vamos a dividir la frecuencia?. Pues en un factor... 2.273 con lo cual obtendremos nuestros buscados 440Hz a partir de aquél MHz.

¿Cómo es posible que ese circuito divisor nos permita dividir precisamente por 2.273?. Bueno, en realidad ese circuito es fácilmente configurable y nos permite dividir por un amplio rango de números. Lo veremos en "circuitos útiles"

La salida del divisor de frecuencia es aplicada a una etapa de amplificación de BF a cargo de dos transistores y enviada directamente a un pequeño altavoz.

La alimentación es de 9 vcc
Se acciona por un pulsador
Por simplicidad no lleva mando de volumen



12. Cómo comprobar un cristal de cuarzo

En esta ocasión no estamos "de suerte". Un cristal de cuarzo es otro componente que no podemos comprobar con nuestro multímetro. Tampoco dan señales externas de estar en mal estado, así que en caso de sospecha, lo más directo es sustituir el cristal dudoso y comprobar el resultado. El coste de un cristal de cuarzo está en torno a un euro. Los resonadores son un poco más baratos aún.

Otra opción es construir un sencillo comprobador de cristales basado en un oscilador y convertirlo en un gadget para nuestro laboratorio.



13. Comprobador casero de cristales de cuarzo




El circuito anterior se puede montar en un trozo pequeño de circuito preimpreso y hacer el cableado como de costumbre: Un mix de soldaduras directas, pequeños trozos de alambre y/o cable. Todo se puede acomodar en una pequeña caja de plástico incluyendo la pila.

Para probar un cristal lo conectaremos donde dice "XTAL" sin importar la polaridad, ya sabéis que los cristales carecen de ella. El transistor T1, junto con C1, C2 y R3 forman un oscilador (suponiendo que haya un cristal válido conectado en "XTAL").

Si el cristal a probar está bien, al aplicar la tensión (pulsando S1) T1 oscilará. Esa oscilación será "detectada" por D2 y D3, es decir: Rectificada, y aplicada a la base de T2 hará entrar a este en conducción, encendiendo el Led D4 indicando que el cristal probado es válido.

D1 sirve para que nos aseguremos que la pila está bien.

He probado este comprobador de cristales jugando con los valores de algunos componentes y repitiendo las medidas muchas veces, y puedo asegurar que es totalmente fiable para probar cristales en un rango de 1Mhz a 32Mhz, lo que nos permite cubrir prácticamente todos los casos que nos vamos a encontrar.

La lista de componentes:

1 Caja de plástico de tamaño y forma adecuada
1 Pequeño trozo de circuito impreso
1 interruptor miniatura de los que se sueldan directamente al PCB
1 Portapilas para pila de 9V
1 Pila de 9V
1 Conector de dos vías
2 Trozos de cable de unos 10 cms
2 pinzas de cocodrilo
4 tornillos diámetro 3mm largo 15mm
3 arandelas 3mm
6-12 tuercas 3mm
R1 680 ohm
R2 27K
R3 1K
R4 5K6
R5 680 ohm
C1 100 pf
C2 100 pf
C3 1 nf
C4 4n7
D1 Led verde
D2 1N4148
D3 1N4148
D4 Led (que no sea verde como D1)
T1 Ver esquema (Yo uso el tipo BC550)
T2 Igual que el anterior


Todos los componentes son económicos y fáciles de encontrar.

Comprobador DIY de cristales de cuarzo, ya terminado



14. Otros usos de la piezoelectricidad

Este capítulo del tutorial está dedicado a los cristales de cuarzo, componentes electrónicos basados en el el fenómeno piezoeléctrico. Pero los cristales de cuarzo no son los únicos componentes electrónicos que explotan este fenómeno, también se utilizan en:


- Zumbadores: Pequeños dispositivos a modo de micro-altavoces que sirven para emitir señales acústicas o melodías. Usado en relojes, alarmas, juguetes, teléfonos... 

Son reversibles, es decir, pueden funcionar al revés: Si son presionados, generan electricidad.









- Transductores (en sondas): Utilizado en barcos para conocer no sólo la profundidad sino también el perfil del fondo marino y su composición (roca, arena, algas) e incluso localizan bancos de peces o grandes peces solitarios.

La mayoría llevan una alarma de fondo que avisa si la profundidad disminuye por debajo de cierto valor.














- Encendedores piezoeléctricos: 

Utilizados en los populares encendedores.










- Limpieza ultrasónica: Llamada también limpieza "sin detergente". Un transductor piezoeléctrico produce ultrasonidos en un líquido en el que se ponen los objetos a limpiar. Esa vibración ultrasónica, muy energética, produce un fenómeno llamado "cavitación", que limpia la superficie de esos objetos.

- Limpieza bucal en odontología: También aquí se utiliza el fenómeno de cavitación a su vez inducido por ultrasonidos que provienen de un material piezoeléctrico.

- Altavoces de agudos

- Balanzas piezoeléctricas de gran precisión

- Inyectores en motores de combustión modernos.




RINCÓN DE LA TEORÍA. El efecto termoiónico o efecto Edison

A finales de los 1800 varios experimentadores dieron con este fenómeno que ocurría cuando se calentaban metales cargados eléctricamente. Pero fue Thomas Edison quien mas investigó este fenómeno, pues en los incontables experimentos que realizó con su bombilla eléctrica este fenómeno (entre otros) era responsable de que dichas bombillas no tuvieran larga vida.


Edison, en algunas bombillas introdujo un electrodo, aislado eléctricamente del filamento. Y comprobó que al polarizarlo positivamente respecto del filamento, se establecía una corriente entre el filamento caliente y ese electrodo frío.

Cuando el segundo electrodo no se polarizaba (o se polarizaba negativo) no se producía corriente alguna. Es decir, esa corriente sólo se manifestaba en un sentido. Sin saberlo en ese momento, acababa de inventar el diodo, componente que marcó el inicio de lo que hoy conocemos como "electrónica".

Edison también observó que esa corriente era tanto mayor cuanto mas voltaje positivo aplicaba a ese segundo electrodo, y también cuanto mayor fuese la temperatura del filamento.


¿Que estaba ocurriendo?

Los átomos de los metales tienen electrones en su capa externa que no están muy ligados a dichos átomos. A temperatura ambiente, los electrones permanecen ligados a sus átomos pero, cuando la temperatura alcanza valores de cientos de grados, esos electrones adquieren un nivel energético tal que les permite abandonar momentáneamente sus "órbitas" en sus átomos y alejarse de ellos. 



Esto crea una carga positiva en el metal (ya que faltan electrones) mientras que la "nube" electrónica que rodea a ese metal es, lógicamente, negativa. Mientras haya aporte de calor, esa nube electrónica se mantiene, lo cual no quiere decir que sean siempre los mismos electrones: Eventualmente muchos regresan al metal a ocupar su puesto en su átomo, pero nuevos electrones de otros átomos escapan a esa nube, de modo que siempre hay una nube electrónica que rodea al metal.


Lo anterior tiene una enorme importancia: Los electrones que ahora están "flotando en la nube", desligados de sus átomos en el metal, son ahora susceptibles de ser atraídos por una pequeña carga eléctrica positiva y hacerlos circular a través del vacío o de un gas.


La invención del diodo

Estos experimentos condujeron inevitablemente a la invención del diodo (palabra que significa "dos electrodos"). Su característica principal es que sólo deja pasar la corriente eléctrica en un sentido, bloqueándola en el otro.


En el dibujo a la izquierda, hay dos diodos: El de la izquierda tiene un filamento que hace las veces de cátodo (caldeo directo). El de la derecha también tiene un filamento pero el cátodo es otro electrodo independiente. En ambos casos el cátodo se calienta para que emita electrones que formarán la nube electrónica en torno a él.

Ahora nos centramos en el electrodo ánodo "placa" en la parte superior. No está conectado al cátodo con ningún conductor eléctrico y además los separa el vacío que es aislante.

Si polarizamos el ánodo con una tensión positiva, atraerá a los electrones de la nube que rodea al cátodo. Como esos electrones están desligados de sus átomos, responderán a la atracción viajando velozmente hacia el ánodo a pesar de haber vacío, o mejor dicho "gracias a que" hay vacío, pues así los electrones evitan millones de colisiones en su viaje ya que de haber aire en el interior del diodo los electrones se verían frenados.

Una vez los electrones recogidos en el ánodo, la batería los envía de nuevo al cátodo, cerrando así el circuito.

Si se polariza el ánodo con una tensión negativa o no se polariza, los electrones no son atraídos y el diodo no conduce.


Las válvulas de vacío



El diodo fue el primero (y el más sencillo) de los dispositivos conocidos como válvulas de vacío. Al diodo se le añadió un tercer electrodo (llamado rejilla) convirtiéndose en "Triodo". Con el diodo y el triodo ya era posible hacer muchas cosas con la electricidad: Rectificación, detección, amplificación, osciladores, comparadores, mezcladores... en definitiva, pura electrónica.

Más tarde se añadió un cuarto electrodo (tetrodo), un quinto electrodo (pentodo)...


A mediados del siglo pasado, la invención del transistor y el uso de materiales semiconductores, mucho más eficientes, relegó (que no acabó) el uso de las válvulas de vacío a unas pocas aplicaciones especiales como etapas de potencia en radio, magnetrones en radar y hornos microondas, tubos de rayos X, equipos de alta fidelidad para sibaritas y el tubo de rayos catódicos (TRC) de la TV "antigua" (que aún sigue usándose)...


Aprovecho para decir que no sé si será posible, pero me gustaría dedicar un capítulo de este tutorial a las válvulas de vacío, por supuesto, con parte práctica, con montajes. A ver si no se me hace muy cuesta arriba conseguir material de este tipo...




El vídeo



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