La piezoelectricidad es un fenómeno que ocurre en determinados cristales, que al ser sometido a tensiones mecánicas, adquieren una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie que generan una tensión eléctrica.Este fenómeno también ocurre a la inversa, el cristal se deforma bajo la acción de fuerzas internas al ser sometido a un campo eléctrico.
El efecto piezoeléctrico es reversible, al dejar de aplicar un campo eléctrico o un voltaje al crista, este recupera su forma natural, por tanto son materiales que al ser sometido a una tensión eléctrica alterna o variable, vibran, y lo hacen en la misma frecuencia que la tensión alterna o variable que se le aplique. Este material suele ser el Cuarzo.
Un cristal oscilador es un oscilador piezoeléctrico que utiliza la resonancia mecánica de un cristal para crear una señal eléctrica con una frecuencia precisa. Esta frecuencia se utiliza comúnmente para controlar el tiempo, como por ejemplo en los relojes de cuarzo, para proporcionar una señal de reloj estable para circuitos intergrados y digitales, para estabilizar las frecuencia en los emisores y receptores de radio, etc... El tipo más común de resonador piezoeléctrico utilizado es el cristal de cuarzo, por esto que los circuitos osciladores que los incorporan se conocieron como osciladores de cristal. pero existen otros materiales piezoeléctricos como las cerámica policristalinas que se utilizan en circuitos similares.
Un cristal oscilador esta compuesto por un disco de cristal de cuarzo u otro material piezoeléctrico con dos electrodos situado a ambas caras, que están conectado a dos pines de conexión. El grosor del disco determina la frecuencia de vibración, cuanto más fino, mayor es la frecuencia de resonancia, también viene determinada por el tipo de corte que se le ha dado al cristal para extraer el disco.
Un cristal oscilador equivale en corriente continua a un condensado y en corriente alterna a un circuito RLC, pero con gran estabilidad
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.
Tenemos Resonadores y Cristales osciladores
Los resonadores no son capaces de vibrar por si mismo, necesitan formar parte de un oscilador, tiene dos pines de conexión y no tienen polaridad
Los cristales osciladores de cuarzo u otros materiales, no son capaces de vibrar por si mismo, necesitan formar parte de un oscilador, tiene dos pines de conexión y no tienen polaridad, sin embargo tienen mayores prestaciones que los resonadores y se dejan influir menos por el ambiente y su precio es algo superior. Además los cristales de cuarzo los hay de perfil alto y de perfil bajo.
Cuando al cristal se le alimenta con corriente continua, este se comporta como un condensador, ya que esta formado por dos electrodos, separados por un material aislante. Si se alimenta con una señal alterna, a la misma frecuencia, que la frecuencia de resonancia del cristal, este vibra.
Los Osciladores de cristal son circuitos integrados, con cuatro patillas, que pueden generar una señal alterna sin nada más que el circuito que llevan en su interior que entre otros componente tiene un cristal oscilador. El pin 1 es el control, si se conecta al positivo genera oscilación y se conecta la negativo no genera oscilación, esta conexión puede ser mediante resistencias pullup o pulldown o a la salida de un microcontrolador, como por ejemplo arduino. El pin 7 es GND, el pin 8 es la salida de señal del oscilador, y el pin14 es la alimentación Vcc
Cuando vamos a comprar un cristal oscilador, el único dato relevante es la frecuencia de oscilación del propio crista. El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase, dada por el resonador. La frecuencia es estable frente a variaciones de tensión de alimentación. La dependencia de la temperatura depende del resonador, pero un valor típico para los cristales de cuarzo es 0'0005% del valor a 25ºC en el margen de 0 a 70ºC. Cuando compramos un cristal de cuarzo, solo nos interesa saber su frecuencia, que normalmente viene impresa claramente sobre el encapsulado. Este valor suele ser un valor recogido en una tabla de valores normalizada, ya que sería imposible tener cristales para cada frecuencia disponible. La tabla con los valores de frecuencia estandar es la siguiente:
El valor de frecuencias disponibles en el mercado es una lista normalizadas de valore
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
Hay un buen catálogo de frecuencias disponibles, normalizadas, 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, como son los sobretonos y los armónico, que como hemos dicho son múltiplos exactos de la frecuencia fundamental del cristal. 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?
Pues 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).