Seguramente que alguna vez te has preguntado qué genera la frecuencia de reloj que mueve a la CPU, a la memoria RAM, o a la tarjeta gráfica, pues bien, todo proviene de un elemento piezoeléctrico llamado oscilador o Xtal que está en la placa base y que genera una frecuencia base que luego será tratada para los diferentes elementos presentes. En este tutorial te enseño más acerca de esta pieza que da vida al hardware.
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La piezoelectricidad (derivada del griego piezein; piezein significa apretar o empujar, y electroktron significa ámbar, la fuente más antigua de carga eléctrica. Como ya se ha mencionado, la piezoelectricidad es la capacidad de una sustancia de producir energía eléctrica cuando se somete a una tensión, como el aplastamiento, la torsión o la flexión.
La capacidad de un material piezoeléctrico de convertir la tensión mecánica en carga eléctrica se denomina piezoelectricidad. La capacidad de algunos materiales de producir tensiones de CA (corriente alterna) cuando se exponen a una tensión mecánica o a una vibración, o de vibrar cuando se exponen a una tensión de CA, o de ambas cosas, se denomina piezoelectricidad. El efecto piezoeléctrico es la capacidad de ciertos materiales de generar carga eléctrica en respuesta a una tensión mecánica aplicada. La piezoelectricidad(,) es una carga eléctrica acumulada en algunos materiales sólidos -como los cristales, algunas cerámicas y materiales biológicos como los huesos, el ADN y una variedad de proteínas- en respuesta a una tensión mecánica aplicada.
Los transductores piezoeléctricos son un tipo de transductor electroacústico que convierte en energía las cargas eléctricas generadas por alguna forma de material sólido. Los transductores piezoeléctricos pueden utilizarse en numerosas aplicaciones que utilizan la energía eléctrica para usos industriales, medioambientales y personales. Con buenas propiedades mecánicas y consistentes propiedades piezoeléctricas, las cerámicas piezoeléctricas se utilizan ampliamente en sensores, transductores de ultrasonidos, dispositivos de microdesplazamiento y otros componentes electrónicos, etc., como materiales funcionales sensibles a la fuerza, el calor, la electricidad y la luz.
Las propiedades dieléctricas de las cerámicas piezoeléctricas reflejan el grado en que un material cerámico responde al campo eléctrico externo. Los materiales piezoeléctricos también presentan un efecto opuesto, denominado efecto piezoeléctrico recíproco, en el que la aplicación del campo eléctrico provoca distorsiones mecánicas del cristal. Cuando un material piezoeléctrico se somete a una tensión mecánica, hace que el centro de las cargas positivas y negativas se desplace dentro del material, creando así un campo eléctrico externo. Los materiales piezoeléctricos cumplen esta definición, ya que la tensión que se aplica crea una tensión en un material piezoeléctrico y, en cambio, la aplicación de una tensión externa crea también corrientes eléctricas en el material.
Quizás la definición más común es que un material es piezoeléctrico si la aplicación de una tensión mecánica externa provoca un desplazamiento dieléctrico interno. En un dispositivo piezoeléctrico, la tensión mecánica, más que la tensión aplicada externamente, hace que la carga se separe en átomos individuales en el material. El efecto piezoeléctrico es un fenómeno que se produce sobre todo en los materiales dieléctricos, como el cuarzo y la turmalina, en los que se genera carga eléctrica por la tensión generada con la aplicación de presión. Esto se conoce como polarización dieléctrica (eléctrica), y los materiales que presentan este fenómeno se denominan piezoeléctricos.
Cuando un material piezoeléctrico se somete a una tensión mecánica, como la compresión, la corriente fluye a través de él y carga sus caras. En estos dispositivos, los materiales piezoeléctricos reciben una señal eléctrica, que luego se convierte en energía mecánica, que se utiliza para hacer que las placas de cerámica se muevan. Si tomamos ese mismo cristal piezoeléctrico y lo sometemos a la corriente eléctrica, el cristal se expandirá y contraerá, convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica. Si se ejerce una presión mecánica sobre un cristal piezoeléctrico, la estructura se deforma, los átomos se mueven y, de repente, se obtiene un cristal capaz de conducir la corriente eléctrica.
Si se aplica una presión mecánica a un cristal piezoeléctrico con dos placas metálicas, se desequilibran las cargas eléctricas del interior del cristal. Si se comprime o estira un cristal piezoeléctrico, se deformará la estructura, acercando o alejando algunos átomos, lo que altera el equilibrio positivo-negativo, provocando una carga eléctrica neta. El efecto piezoeléctrico resulta de las interacciones electromecánicas lineales de los estados mecánicos y eléctricos en un material cristalino sin simetría de inversión.
La piezoelectricidad es un fenómeno que significa que hay un acoplamiento entre los estados eléctricos y mecánicos del material. El término piezoeléctrico significa literalmente electricidad causada por la presión. Una de las mayores ventajas de los actuadores piezoeléctricos es que las grandes tensiones del campo eléctrico corresponden a cambios diminutos, a escala micrométrica, en la anchura de los cristales piezoeléctricos.
Los osciladores de cristal, o Xtal, son circuitos osciladores eléctricos que emplean el efecto inverso de la fuerza piezoeléctrica, es decir, el mecanismo por el cual se produce una tensión mecánica mediante la aplicación de campos eléctricos a determinados materiales. Los cristales de cuarzo son el tipo más común de cavidad piezoeléctrica, que utilizamos en los circuitos osciladores, por lo que se conoce como oscilador de cristal. Cristal es un término comúnmente utilizado en electrónica para referirse a los resonadores piezoeléctricos. Un oscilador de cristal utiliza resonancias mecánicas de cristales vibrantes que poseen propiedades piezoeléctricas para producir señales eléctricas a frecuencias de alta precisión.
El anterior diagrama representa un símbolo eléctrico para la cavidad de cristal piezoeléctrico, así como para los cristales de cuarzo del oscilador eléctrico, que está compuesto por una resistencia, un inductor y un condensador. Los componentes fundamentales utilizados en el circuito eléctrico equivalente, la inductancia L representa la masa del cristal, el condensador C2 representa la conformación, C1 se utiliza para representar la capacidad formada por la conformación mecánica del cristal, la resistencia R representa la fricción en la estructura interior de los cristales, esquema de un oscilador de cristal de cuarzo que consta de dos resonancias como la resonancia en serie y en paralelo, es decir, dos frecuencias de resonancia.
El circuito eléctrico equivalente también describe la acción del cristal en el cristal. Un cristal de cuarzo oscila con una frecuencia de resonancia constante, actuando como un circuito RLC, pero con un Q mucho mayor (menos energía perdida en cada ciclo de oscilación). En un segundo, un cristal ofrece una impedancia muy alta al circuito externo, y la frecuencia de oscilación viene dada por una relación.
El oscilador tiene la carga de sintonía ajustada a múltiplos impares de la frecuencia fundamental del cristal. Las variaciones en la resistencia de salida, o la carga en la salida, también influyen en la frecuencia de los osciladores. Las tensiones mecánicas producen un cambio a corto plazo en la frecuencia del oscilador debido a la sensibilidad a la tensión de los cristales, y pueden producir cambios permanentes en la frecuencia debido a los cambios inducidos por el impacto en los montajes y las tensiones internas (si las piezas mecánicas están por encima de sus límites elásticos), la eliminación de los contaminantes de las superficies del cristal, o los cambios en los parámetros de los circuitos del oscilador.
Lo más significativo es la resistencia intrínseca de los cristales, que cambia mucho al aumentar la frecuencia. La razón principal es que los diseños de los circuitos osciladores están dominados por las grandes variaciones de la resistencia interna del cristal a medida que cambia la frecuencia.
Reducir el tamaño de un circuito es la deriva de la frecuencia a corto plazo a menos de los cristales es la mayor parte del esfuerzo de diseño del circuito. En un buen circuito, la mayor parte de la deriva de frecuencia, tanto a corto como a largo plazo, proviene del cristal.
Se puede observar que los cambios en la tensión de alimentación, los parámetros del dispositivo de un transistor, etc., no afectan a la frecuencia a la que funciona un circuito, y el cristal la mantiene estable. Para evitar las fluctuaciones, se utiliza un cristal piezoeléctrico en los osciladores. El uso de cristales piezoeléctricos en diseños de cavidades paralelas proporciona una mayor estabilidad de frecuencia en los osciladores.
Los osciladores de cristal se utilizan sobre todo en los circuitos integrados digitales para proporcionar una señal de reloj estable, y para aplicaciones especiales que necesitan referencias de alta frecuencia. Los osciladores de cristal se utilizan para proporcionar señales de reloj estables a los circuitos integrados digitales y a los proyectos de microcontroladores, para el control del tiempo, como los relojes de pulsera de cuarzo, para la estabilización de la frecuencia de los transmisores y receptores de radio, y para muchas otras aplicaciones. Un oscilador de cristal tiene mayor estabilidad, factor de calidad, menor tamaño y menor coste, lo que lo hace superior a otras cavidades como los circuitos LC, los resonadores cerámicos, las horquillas giratorias, etc.
Un circuito para un oscilador de cristal puede construirse de muchas maneras, como un oscilador de colector sintonizado controlado por cristal, un oscilador de cristal de Colpitts, un oscilador de cristal Clap, etc., pero un oscilador de cristal penetrante de transistor es el más utilizado. Los osciladores de reloj de cristal Epson, que albergan las unidades de cristal compuestas por los fundamentos o sobretonos cortados AT o BT y sus circuitos de oscilación dentro de un único paquete, están diseñados y fabricados para ofrecer señales de salida estables cuando se aplica la tensión suministrada. Para aplicaciones críticas, el oscilador de cuarzo se monta en un contenedor de temperatura controlada llamado horno de cristal, que también puede montarse sobre una placa amortiguadora para protegerlo de las perturbaciones de las vibraciones mecánicas externas.
Las vibraciones mecánicas tienen su mayor magnitud a tensiones alternas que son al menos tan rápidas como la frecuencia piezoeléctrica natural de los cristales. Si la frecuencia de la tensión alterna se hace igual a la frecuencia natural de un cristal, se produce la resonancia y las vibraciones del cristal alcanzan su máximo.
Los cristales de corte estándar son difíciles de producir; por encima de 20MHz, ya que las obleas de cuarzo se vuelven demasiado finas. Aunque los circuitos que se muestran a continuación funcionarían con cristales de corte básico, para esta aplicación son mejores los cristales de modo sobretono. Para generar frecuencias más altas, los fabricantes fabrican cristales de sobretono sintonizados para colocar un sobretono de 3, 5 o 7 en la frecuencia deseada, ya que son más gruesos y, por lo tanto, más fáciles de producir que los cristales fundamentales, que generarán las mismas frecuencias–aunque requiere un circuito oscilador ligeramente más complejo para excitar una frecuencia de sobretono deseada.
Para producir frecuencias más altas, los fabricantes hacen cristales de sobretono afinados para poner el 3er, 5º o 7º sobretono en la frecuencia deseada, porque son más gruesos y por lo tanto más fáciles de fabricar que un cristal fundamental que produciría la misma frecuencia — aunque excitar la frecuencia de sobretono deseada requiere un circuito oscilador ligeramente más complicado. En ese caso, este microcontrolador 8051 (basado en su diseño) es capaz de operar hasta 40MHz (como máximo), tiene que suministrar 12MHz para la mayoría de los casos, ya que el 8051 requiere 12 ciclos de reloj para realizar la frecuencia de ciclo, dando así un rango de frecuencia efectiva de un ciclo de un milisegundo (asumiendo un reloj de 12MHz) y por lo tanto da un rango de frecuencia efectiva de un ciclo de un milisegundo (asumiendo un reloj de 12MHz) para un ciclo de máquinas, por ejemplo, asumiendo 12MHz. El oscilador tiene un cristal de 11,6MHz, y está sintonizado en el tercer sobretono, o armónico, de 34,8MHz.
En las placas base existe un Xtal para alimentar de frecuencia a todos los componentes. Pero como cada uno trabaja a diferentes frecuencias y como el cristal no llega a las frecuencias tan altas que se emplean en los diferentes chips, se emplean lo que se conoce como circuitos multiplicadores y divisores de frecuencia.
Un multiplicador de frecuencia no es más que un circuito que es capaz de multiplizar la frecuencia de reloj x2, x3, x4, etc. Así se consiguen las frecuencias deseadas sobre la frecuencia base. Mientras que el divisor es un circuito que hace justo lo contrario, divide. Por ejemplo, cuando la frecuencia del bus de la placa base se debe multiplicar para llegar a alcanzar la frecuencia de la CPU se emplea un multiplicador, mientras que cuando la CPU manda datos fuera y tiene que pasar de la frecuencia de la CPU a la del bus de la placa base se debe emplear un divisor de frecuencia.
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