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".
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| 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.
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| 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.
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| 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
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| 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.
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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.
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.
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| 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.
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| 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.
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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