¿Qué es un oscilador de cuarzo?

Un oscilador de cuarzo es un circuito electrónico que genera una señal a una frecuencia determinada por un cristal de cuarzo formado por silicio y oxígeno. La propiedad piezoeléctrica del cuarzo lo convierte en un muy buen resonador desde decenas de kilohercios (KHz) hasta cientos de megahercios (MHz). Un oscilador de cristal de cuarzo generalmente está diseñado para funcionar solo con una frecuencia precisa. Estos osciladores se utilizan para crear frecuencias estables en teléfonos celulares, receptores del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y radios bidireccionales. También se utilizan para cronometraje preciso en relojes, computadoras y otros equipos electrónicos.

Un cristal de material piezoeléctrico como el cuarzo puede cambiar ligeramente de forma cuando se aplica un voltaje a un electrodo en el cristal. Una vez que se elimina ese voltaje, el cristal puede volver a su forma original y generar un voltaje mientras lo hace. Descubierta en 1880 y llamada piezoelectricidad, esta propiedad es crítica para el funcionamiento de un oscilador. Se realizaron experimentos con diferentes materiales de cristal a lo largo del tiempo y el primer oscilador de cuarzo se ensambló a fines de la década de 1910. Desde la década de 1920, los osciladores de cristal de cuarzo se han utilizado con frecuencia en relojes, así como en equipos de radio aficionados, comerciales y militares.

Cuando un oscilador de cuarzo se enciende por primera vez, el circuito introduce una señal de ruido aleatorio al cristal. Parte de ese ruido siempre estará en la frecuencia de resonancia del cristal, lo que hace que el cristal oscile. El voltaje producido por el cristal a medida que cambia de forma se amplifica por el circuito del oscilador de cuarzo y se retroalimenta al resonador del cristal. A medida que este proceso se repite, las señales dentro de la banda de frecuencia limitada del cristal se volverán más fuertes, mientras que otras frecuencias se filtrarán. Una vez que se complete este período de "calentamiento", el oscilador funcionará con precisión a su frecuencia diseñada.

La forma, el tamaño y el corte de un cristal de cuarzo determinan qué tan rápido se expande y contrae. Un oscilador de cuarzo puede funcionar a esta velocidad, llamada frecuencia resonante. También puede operar a una frecuencia de sobretono, que es un múltiplo de la frecuencia de resonancia. Si bien los cristales de cuarzo se producen naturalmente en el medio ambiente, se fabrica una gran cantidad para aumentar el rendimiento y el suministro de cristales físicamente utilizables.

La salida de frecuencia de un oscilador de cuarzo puede verse afectada por una variedad de factores externos, incluida la temperatura e incluso una aceleración repentina. La radiación también afectará la frecuencia, ya sea de rayos cósmicos en una nave espacial, rayos X o un pulso de radiación ionizante. Algunos de estos factores pueden compensarse con circuitos adicionales que monitorean las condiciones y ajustan la salida del oscilador en consecuencia. Algunos osciladores de cuarzo incluyen un horno controlado con precisión con el cristal en el interior para compensar los cambios de temperatura. Los cristales de cuarzo también se pueden "barrer" o endurecer contra la radiación al hornearlos en una atmósfera especializada y en un campo eléctrico.