Os Cristais de Quartzo (ART4448)

O efeito piezoelétrico é conhecido desde 1880, mas foi somente em 1921qu e se descobriu que os cristais de quartzo poderiam ser usados no controle da frequência de circuitos osciladores. Veja neste artigo como funcionam os cristais de quartzo e de que modo eles são usados na eletrônica moderna.

Este artigo foi escrito nos anos 90 para uma publicação da época. Usei o pseudônimo J. Martin. No site podem ser encontrados outros artigos tratando do mesmo assunto.

Certas substâncias como o cristal de quartzo e o sal de Rochelle apresentam propriedades piezoelétricas. Estas propriedades se resumem no fato de que, quando submetidas a esforços mecânicos estas substâncias geram tensões elétricas e quando submetidas à tensões elétricas elas apresentam deformações mecânicas.

Os cristais de sal de Rochelle, por exemplo, assim como o titanato de bário podem 'ser usados para a fabricação de microfones e fones de ouvido.

No caso dos fones, quando submetidos às tensões elétricas os cristais se deformam e vibram produzindo sons.

No caso dos microfones, ao receber as vibrações sonoras, os cristais se deformam e vibram produzindo sons produzindo uma tensão de forma de onda correspondente. Veja a figura 1.

 


 

 

Os cristais de quartzo apresentam as mesmas propriedades em menor nível, mas têm uma característica muito mais importante para a eletrônica: em vista da sua estrutura atômica e conforme o corte a que são submetidos eles tendem a vibrar numa certa frequência quando excitados eletricamente.

Foi W.G. Cady em 1921 que descobriu que os cristais de quartzo poderiam ser ligados nos circuitos eletrônicos de modo a manter sua frequência em valores precisos, aproveitando-se sua vibração própria.

Um ano mais tarde G.W. Pierce da Universidade de Harvard, desenvolveu diversos circuitos osciladores com a frequência controlada por cristais os quais patenteou.

Hoje, os cristais de quartzo são usados em todos os osciladores de alta frequência que se deseja manter numa frequência precisa. Na figura 2 temos alguns cristais de quartzo comerciais, com a frequência própria indicada em seu invólucro.

 


 

 

A precisão de tais cristais na manutenção da frequência de um oscilador é tal que um desvio de apenas 1 parte por milhão (1 ppm) é perfeitamente normal.

 

Como funciona

Na figura 3 temos as diversas maneiras segundo as quais pode ser feito o corte do cristal para se obter um componente eletrônico de controle de frequência. Observe que os cortes dependem dos ângulos e das posições relativas.

 


 

 

Podemos dar então uma tabela resumida com as aplicações dos cristais obtidos dos diferentes cortes (os principais):

Corte Duplex 5°X — este cristal tem a designação J e vibra no sentido longitudinal sendo recomendado para controlar a frequência na faixa de 0,8 à 10 KHz. Este cristal é recomendado para o controle de frequência na temperatura ambiente quando apresenta um coeficiente de temperatura nulo.

Corte XY — Este cristal vibra também no sentido longitudinal e é indicado para operação em frequências entre 3 e 50 KHz.

Corte NT — Este corte recebe a designação N e vibra também no sentido longitudinal, sendo indicado para a faixa de frequências entre 4 e 150 KHz. É indicado para ser usado em osciladores e filtros de baixas frequências com uma estabilidade da ordem de 5 ppm. Sua estabilidade é de 0,0025% na faixa de temperaturas ambientes.

Corte +5°X — Este corte recebe a designação H e vibra no sentido de haver flexão, sendo indicado para trabalhar em frequências entre 5 e 140 KHz. É recomendado para ser usado principalmente em filtros.

Corte BT — Recebe a designação H e vibra no sentido de sua espessura, sendo indicado para a faixa de frequências situada entre 1 e 75 KHz.

Corte -18-1/2°X — Designação F, vibra no sentido longitudinal, sendo indicado para operar em frequências entre 50 e 250 KHz. Suas principais aplicações são em filtros.

Norte +5°X — designação E, vibrando no sentido da extensão, pode operar na faixa de 50 a 250 KHz. É indicado para aplicações em filtros de baixas frequências.

Corte DT - designação D — vibrando com ondas superficiais, este cristal pode operar em frequências entre 80 e 500 KHz. É indicado para ser usado como base de tempo para contadores e em transmissores de FM e TV.

Corte MT — designação M, vibrando no sentido da extensão. Pode operar em frequências na faixa de 50 a 250 KHz, apresentando baixo coeficiente de temperatura.

Corte GT — designação G, vibrando no sentido da extensão, este cristal tem frequências entre 85 e 400 KHz. É o corte que permite obter maior estabilidade com 1 parte por milhão na faixa de 100°C. É recomendado para ser usado em padrões de frequência.

Corte CT — designação C, vibrando com ondas superficiais na faixa de frequências entre 300 e 1 100Khz. É recomendado para ser usado em osciladores e filtros. É popular nos circuitos osciladores acima de 400 KHz dada sua baixa resistência-série.

Corte X — com vibração no sentido da extensão, este cristal opera nas frequências entre 350 e 20 000 KHz. É mecanicamente estável e econômico.

Corte SL — este cristal é indicado para operar nas frequências situadas entre 300 e 800 KHz com características similares ao corte DT, mas tem melhor Q e uniformidade de características acima de 300 KHz. É indicado para ser usado em filtros.

Corte Y — designação Y, vibrando no sentido da espessura pode oscilar em frequências entre 500 e 20 000 KHz. É mecanicamente forte.

Corte AT — designação A, vibrando no sentido da espessura, pode vibrar em frequências entre 550 e 20 000 KHz (fundamental) e entre 10 000 e 60 000 KHz (3° sobretom) e até 100 000 KHz (5° sobretom). Este cristal tem excelentes características de frequência sendo recomendado para os casos em que a frequência não pode ser alterada por influência da indutância do oscilador.

 


 

 

Na figura 4 temos o símbolo de um cristal e o seu circuito equivalente. A curva característica de um cristal é mostrada na figura 5.

 


 

 

Observamos que na frequência de ressonância (fs) a impedância do cristal ideal é nula, e na frequência fa (anti ressonante) a impedância é máxima. A variação entre estes dois pontos dá o fator Q do cristal.

Num circuito eletrônico oscilador ou num filtro o cristal tem sua frequência própria atuando diretamente sobre as características do sinal que deve passar.

Assim, temos os seguintes exemplos:

Na figura 6 temos um oscilador transistorizado usando um cristal.

 


 

 

Neste circuito, o cristal atua sobre a realimentação de modo a fixar a frequência de operação.

Na figura 7 temos um oscilador TTL em que o cristal também é usado na realimentação de modo a manter a frequência do sistema fixa,

 


 

 

Finalmente, na figura 8 temos um exemplo de filtro a cristal em que este elemento é usado para deixar passar sinais somente de uma frequência.

Num receptor de rádio, do tipo empregado em serviços de telecomunicações, pode-se estreitar a faixa passante pelas etapas de F1 e com isso melhorar a seletividade com a ajuda de um filtro a cristal.

 


 

 

 

Conclusão

Os cristais são elementos de controle de frequência podendo ser usados em osciladores e filtros quando se deseja ter um valor fixo para a frequência que está sendo trabalhada.

Os cristais podem ser encontrados numa ampla faixa de valores de frequências, conforme o corte e a aplicação. A escolha do tipo exato vai depender das aplicações, devendo ser feito um estudo cuidadoso a este respeito.

Em algumas aplicações em que o cristal não alcança em sua frequência fundamental a frequência desejada, pode-se usar cristais de sobretom, ou seja, cristais que operam numa frequência múltipla daquela para a qual foram cortados.

Em breve voltaremos a abordar o assunto com circuitos práticos usando cristais, principalmente de osciladores e pequenos transmissores, analisando suas características.

 

Referências:

Electronic Databook — Rudolf F. Graf - 1971 - USA

Eletrônica General — J. Vasquez de Abrrategui — Paraninfo — Madrid — 1970

Electrical and Radio Engineering for Physicists — A. Molchanov e P. Zanadvorov — MIR — Moscou a

 

 

 


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