Cristais (ALM1059)

A maioria dos equipamentos eletrônicos que exija alguma espécie de sincronismo preciso, ou seja, um "relógio interno" para funcionar, aproveita as propriedades dos cristais de quartzo.

Estes cristais são instalados em invólucros que possibilitam seu acoplamento a um circuito e normalmente podem ser encontrados com as aparências mostradas na figura 1.

 

Evidentemente, os tamanhos e as formas podem variar bastante em função da aplicação, da frequência e do tamanho do próprio cristal.

Os cristais são estruturas em que os átomos se dispõem de uma forma ordenada que se repete em toda a sua extensão. Assim, forma-se uma espécie de rede de átomos com uma disposição totalmente ordenada em toda sua extensão, conforme mostra a figura 2.

 

Os átomos de um cristal não precisam ser necessariamente todos do mesmo elemento.

Um cristal pode ser formado por átomos de dois tipos, como, por exemplo, de um metal como o silício, o alumínio, etc. e o oxigênio como elemento "intruso".

Muitos cristais de grande efeito decorativo e também muito valiosos, como o rubi, a turmalina, etc. são estruturas formadas por átomos de dois tipos, normalmente um deles o oxigênio.

A maioria dos cristais apresenta uma estrutura perfeitamente simétrica, o que significa que as forças de natureza elétrica manifestadas pelos átomos no seu interior são balanceadas, e nada de anormal ocorre ou é notado em termos de seu comportamento.

No entanto, dependendo da disposição dos átomos que formam o cristal, pode ocorrer que haja uma assimetria em relação as forças elétricas manifestadas entre as partículas. O resultado disso é a manifestação de forças de natureza elétrica em determinadas condições.

Assim, existem os casos em que essa assimetria se manifesta de tal maneira que nas faces do cristal predominem cargas de determinadas polaridades, ou seja, o material permanece constantemente carregado com cargas estáticas, conforme mostra a figura 3.

 

Um material deste tipo é denominado piroelétrico, ou seja, trata-se de um eletreto. As cargas que este material manifesta são intrínsecas, bem diferente das cargas que um corpo acumula quando, por exemplo, o atritamos com outro.

Mas, o caso que nos interessa é um pouco diferente: existem cristais que em condições normais não manifestam qualquer desequilíbrio elétrico no seu interior. No entanto, quando estes cristais sofrem algum tipo de deformação homogênea, como por exemplo uma compressão, extensão ou torção, aparecem cargas elétricas localizadas, ou seja, eles se tornam polarizados.

Qualquer cristal que não possua um centro de simetria apresenta esta propriedade, que é a de ser piezoelétrico.

A intensidade com que o efeito se manifesta depende da direção do deslocamento que os átomos sofrem com a deformaçãoem relação às suas posições originais de equilíbrio.

O efeito contrário também pode ser observado: se aplicarmos às faces de um cristal deste tipo uma tensão elétrica, ele se deforma.

Um material que pode manifestar esta propriedade é o quartzo, isso quando seus cristais são cortados de determinada maneira o que é mostrado na figura 4.

 

Desta forma, o corte de um cristal quartzo comum, que é uma forma de óxido de silício (SiO2), em qualquer das maneiras mostradas na figura resulta em cristais piezoelétricos.

Os cristais piezoelétricos de quartzo, em consequência do fato de apresentarem uma polarização elétrica em suas faces devido à deformações, têm outras propriedades importantes consequentes.

Uma dessas propriedades é a ressonância.

Qualquer corpo possui uma frequência natural de vibração. Quando batemos numa lâmina de metal presa numa morsa, conforme mostra a figura 5, esta lâmina tende a vibrar numa única frequência que depende de seu formato, tamanho e material de que é feita.

 

As vibrações mecânicas fazem com que forças elásticas entrem em ação determinando o modo como essas vibrações se realimentam e portanto a frequência natural com que o corpo tende a oscilar.

Este é o princípio de funcionamento do diapasão que produz sempre a mesma nota musical quando excitado mecanicamente, ou das teclas de um xilofone, conforme mostra a figura 5.

Até o ar no interior de um tubo de um órgão ou de um instrumento musical, vibra em frequência que depende de suas dimensões, o que resulta no princípio de funcionamento de todos os instrumentos musicais de sopro.

No caso do cristal de quartzo, as suas dimensões e também as forças elásticas que agem no seu interior, e que dependem da direção de sua atuação determinada pelo corte, faz com que ele tenda a vibrar sempre numa única frequência quando excitado mecanicamente ou eletricamente.

Em outras palavras, podemos dizer que um cristal de quartzo se comporta, quando excitado, como um diapasão elétrico.

Para termos então correntes elétricas ou sinais de determinadas frequências, a partir de um cristal de quartzo, basta cortar este cristal com as dimensões apropriadas e excitá-lo eletricamente de modo que ele entre em vibração.

As vibrações vão então ocorrer na sua frequência de ressonância, ou ainda num múltiplo desta frequência, ou seja, em frequências harmônicas, caso em que dizemos que o cristal oscila em um sobretom..

O modo como um cristal é cortado influi na maneira como ele pode vibrar e também a intensidade com que o efeito piezoelétrico se manifesta, demos apenas três orientações possíveis.

Na prática, a eletrônica pode aproveitar muito mais orientações e assim existem muitos tipos de cortes, os quais resultam em cristais com aplicações específicas.

Na figura 6 temos uma figura em que são mostrados todos os tipos de corte com as suas denominações.

o cristaEstes cortes vão determinar não só o modo segundo o qual o cristal vibra quando excitado, na sua aplicação principal, como também a faixa de frequências e o uso a que se destina.

 

Temos então os seguintes cortes principais:

 

--> a) Duplex 5 X - Designação J.

Neste corte l vibra no sentido de seu comprimento e pode operar em frequências entre 0,8 e 10 kHz. Trata pois de um corte para baixas frequências, obtendo-se um coeficiente nulo de temperatura na temperatura ambiente.

 

--> b) XY

Neste corte, o cristal pode vibrar tanto no sentido de comprimento como na largura numa faixa de frequências entre 3 e 50 kHz. Também temos neste caso um corte destinado a operação em baixas frequências.

 

--> c) NT - designação N.

Os cristais com este corte vibram no sentido de seu comprimento em frequências entre 4 e 150 kHz sendo indicados para aplicações em osciladores de baixas frequências e filtros. Uma estabilidade de frequências de 0,0025% pode ser obtida na temperatura ambiente sem a necessidade de controles de temperatura.

 

--> d) +5 X - designação H.

O cristal neste corte vibra no sentido de flexionar numa faixa de frequências de 5 a 140 kHz. As variações relativamente grandes da frequência deste cristal com a temperatura limitam suas aplicações a filtros em ambientes com temperaturas controladas. Dentre as dificuldades que podem ser citadas para este cristal está a relacionada comsua fabricação que deve ser uma barra fina e longa fixada em suporte especial.

 

--> e) BT - designação B.

Nesta modalidade de corte o cristal vibra no sentido de sua espessura e em uma faixa de frequências compreendida entre 1 e 75 kHz. Dentre as dificuldades apresentadas por este tipo de cristal está também a relacionada a sua fabricação.

 

--> f) -18-1/2 X - designação F.

Neste corte o cristal vibra no sentido de seu comprimento, numa faixa de frequências que pode ficar entre 50 e 250 kHz. Este tipo de cristal é utilizado em filtros e pode ser encontrados em aplicações multi-eletrodos.

 

--> g) +5 X - designação E.

Os cristais que apresentam este corte vibram no sentido de seu comprimento numa faixa de frequências de 50 a 250 kHz sendo usados em aplicações como filtros de baixa frequências graças a seu baixo coeficiente de temperatura que lhe dá uma boa estabilidade.

 

--> h) DT - designação D

Este tipo de cristal tem suas oscilações rente às faces e pode operar em frequências na faixa de 80 a 500 kHz. Este tipo de cristal é usado como calibrador e base de tempo em frequencímetros além de transmissores de FM e TV. No entanto, ele não pode operar satisfatoriamente acima de 500 kHz.

 

--> i) MT - designação M

As vibrações neste tipo de cristal ocorrem ao longo de sua extensão numa faixa de frequências de 50 a 250 kHz. Seu baixo coeficiente de temperatura torna-o ideal para controle de osciladores e filtros. No entanto, trata-se de um tipo de cristal pouco usado, porque existem unidades mais compactas que o substituem.

 

--> j) GT - designação G.

Neste cristal as vibrações ocorrem no sentido de sua extensão numa faixa de frequências entre 85 e 400 kHz. É o tipo de corte que apresenta a maior estabilidade, não variando sua frequência em mais que uma parte por milhão numa faixa de 100 graus centígrados. É utilizado em padrões de frequência nos quais a estabilidade sem o controle de temperatura ‚ essencial. A desvantagem está no seu preço, já que é o mais caro de todos os tipos devido ao grande trabalho que existe em seu encontrar a direção exata de seu corte.

 

--> k) CT - designação C.

As vibrações neste cristal ocorrem rente a superfície de suas faces numa faixa de frequências de 300 kHz a 1,1 MHz. Trata-se de um cristal com coeficiente de temperatura nulo nas baixas frequências. É utilizado em filtros e osciladores que não necessitam do controle de temperatura de funcionamento. No entanto, como desvantagem, este cristal é difícil de ser fabricado em frequências muito baixas devido às suas dimensões.

 

--> l) X

Neste corte o cristal vibra ao longo de suas extensão podendo fazer isso numa faixa de frequências que vai de 350 kHz a 20 MHz. Trata-se de um tipo de cristal mecanicamente estável e de baixo custo. No entanto, além do coeficiente de temperatura algo elevado ele tem tendências a mudar seu modo de oscilação.

 

-->m) SL

As vibrações deste cristal ocorrem rente à face mas acopladas à flexão, isso numa faixa de frequências entre 300 e 800 kHz. As características elétricas deste cristal são similares às do corte DT, no entanto, ele é maior, possui melhor Q e uniformidade de características acima de 300 kHz. Estas características tornam-no ideal para uso em filtros.

 

--> n) Y - designação Y

Este cristal vibra com ondas superficiais acopladas por flexão numa faixa de frequências que vai de 500 kHz a 20 MHz. Este tipo de cristal é o mais ativo.

 

--> o) AT - designação A

Este tipo de corte faz com que o cristal vibre no sentido de sua espessura numa faixa de frequências entre 550 kHz e 20 MHz para o modo fundamental e de 10 MHz a 60 MHz nos modos em terceiros sobretom.

As características excelentes de temperatura e frequência fazem deste tipo de corte o escolhido para os casos em que a frequência não deve se alterar com as variações de reatância do oscilador. Estas características tornam este tipo de cristal bastante usado no controle de osciladores de altas frequências.

Dentre as desvantagens apresentadas podemos citar a dificuldade de fabricação.


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