Estos últimos días hemos aprendido a
diseñar un oscilador donde la frecuencia era fácilmente variable, por ejemplo,
modificando el valor del condensador variable, moviendo la separación de las
espiras de la bobina e, incluso, mediante la variación de una tensión continúa
gracias a la incorporación en el circuito de un condensador que era un diodo
polarizado en inversa.
Pero en el transmisor que queremos hacer
necesitamos un oscilador donde la frecuencia sea 27 MHz y que sea imposible
modificarla. Porque, por ejemplo, una persona que esté en un faro a la espera
de la escucha de una señal no va a estar barriendo todo el espectro, sino que esperará
recibirla a una frecuencia determinada. Por lo tanto, necesitamos aprender a
hacer osciladores cuya frecuencia sea una preestablecida y, además, sumamente estable,
es decir, que no dependa de la inductancia de una bobina, ni de la capacidad de
un condensador, ni del cambio de la temperatura, ni tampoco del paso del
tiempo. Lo que nos va a permitir lograr esto es el cristal de cuarzo
El cuarzo es un mineral muy común en la
naturaleza y está compuesto por óxido de silicio (SiO2). Tallándolo
en delgadas láminas de unas dimensiones precisas, estableciéndole
metalizaciones en las caras opuestas de la lámina y encapsulándolo obtendríamos
lo que llamamos un cristal de cuarzo. Tiene una curiosa propiedad llamada “piezo-electricidad”:
cuando lo deformamos (presionamos o flexionamos) se rompe la neutralidad de
carga y aparece un exceso de carga en un lado y un defecto de carga en el otro.
Al soltar, la deformación se va alternando y lo que antes tenía un exceso de
carga ahora tiene un defecto de carga y viceversa. Es decir, el simple hecho de
modificar la forma del material, hace aparecer cargas eléctricas. En el
siguiente experimento vemos que sucede cuando le aplicamos una tensión:
Como la estructura del cristal de cuarzo es
flexible, si provocamos una deformación de ese tipo, al soltar se va a producir
una oscilación amortiguada y, por lo tanto, la corriente que monitorizamos también
tendrá ese mismo aspecto.
Si fuéramos al laboratorio, insertáramos
el cristal de cuarzo en un circuito (caja negra) con excitación sinusoidal y
tomáramos valores V, I, obtendríamos lo siguiente:
Por lo tanto, un cristal de cuarzo lo
podemos describir mediante ese bipolo diciendo que Cs << Cp.
L y Cs determinan la
frecuencia a la cual la impedancia se hace 0 (cortocircuito) y L junto con Cp y Cs en
serie determinan la frecuencia a la cual la impedancia se hace infinito
(circuito abierto).
Nota 1: El valor de L y el valor de Cs
dependen de cómo se ha tallado el cristal de cuarzo y, por lo tanto son
inmodificables e inalterables con el paso del tiempo y con el cambio de
temperatura.
Así pues, tenemos un dispositivo que
especifica que a una frecuencia determinada es un cortocircuito y, además, nos
asegura que eso es inalterable.
Si recordamos, un oscilador es un circuito
en lazo cerrado en el cual se identifican dos bloques: uno que amplifica y otro
que varía con la frecuencia. Esa estructura es capaz de proporcionarnos una sinusoide
de una cierta frecuencia siempre que se cumpla que, al abrir ese lazo, el
circuito resultante no tenga desfase entre la salida y la entrada y que a esa
frecuencia a la que no hay desfase la amplificación sea mayor que la unidad. Por
lo tanto, si en el lazo introducimos un cristal de cuarzo que tenga la fs
=27 MHz, la estructura solo oscilará a esa frecuencia, ya que a cualquier otra frecuencia el lazo no estará cerrado.
Para ver que todo esto es cierto vamos al laboratorio, colocamos
el cristal de cuarzo en nuestro oscilador y visualizamos la señal que nos
proporciona el analizador de espectros:
El inconveniente con el que nos encontramos
ahora es que si la frecuencia del pico de resonancia del LC se ve alterada (por
ejemplo, si se le diera algún golpe), el oscilador dejaría de funcionar porque sólo
oscila a la frecuencia del cristal de cuarzo. Por lo tanto, tenemos un
oscilador frágil y nos gustaría que fuera más robusto para que, por mucho que
se degradase el circuito, siguiera
oscilando. Finalmente, esto lo conseguiremos con la siguiente modificación de nuestro circuito:
La clave está en aprovecharse del
comportamiento inductivo del cristal de cuarzo, el cual entre fs y fp
(separación muy pequeña) se comporta como un inductor cuyo valor se sitúa entre
0 e infinito. Con lo cual, ya no nos hará falta la bobina en paralelo con el
condensador porque el cristal asumirá el papel de L y Cv, en paralelo con él,
será superfluo.
Ahora procedemos a hacer un divisor de
tensión que no se altere cuando le conectemos un transistor, es decir, con
resistencias bajas para que la corriente que circula por él no sea pequeña
frente a la corriente base del transistor. Con la fórmula del divisor de tensión
tendremos una VB. Si la VB es mayor que la Vγ circulará
corriente por el terminal emisor:
Y como:
Así logramos el valor de la corriente de
colector que nos interesa y situar el transistor en la zona activa sin que
intervenga la B del transistor.
Nota 2: Colocamos un condensador en
paralelo con RE para que cuando se aplique la tensión que queremos
que desplace la VBE del transistor, no estropee la polarización (condensador
de acoplo: cortocircuito a las frecuencias de trabajo).
El circuito Tank, a la frecuencia de
resonancia, se comporta como un resistor (resistencia de colector). Por encima de
esa frecuencia, su impedancia tiene comportamiento RC, por debajo, comportamiento
RL. Nosotros lo diseñaremos para que su pico de resonancia esté por encima de 9
MHz y por debajo de 27 MHz. Con eso conseguimos que el oscilador deje de ser frágil
porque ya no requiere ajustes críticos y, además, que si colocamos un cristal
de cuarzo “barato”, se inhiba a 9 MHz la posible puesta en marcha del
oscilador, porque a 27 MHz seguro que el circuito tanque se comporta como un
RC, pero a 9 MHz no.
Nota 3: Los cuarzos “baratos” debido al
tipo de corte que utilizan cuando los tallan tienen la propiedad de ser un
cortocircuito y circuito abierto a frecuencias múltiples de la fundamental. A
estos cuarzos se les dice que funcionan en sobre-tono (Over-Tone).
Por lo tanto, este sería nuestro oscilador
robusto (Oscilador Colpitts), a prueba de mal uso y envejecimiento y que oscilará
a una frecuencia ligeramente por encima de la fs del cristal de
cuarzo.
