Horno de cristal

Un horno de cristal es una cámara con temperatura controlada que se utiliza para mantener el cristal de cuarzo de los osciladores de cristal electrónicos a una temperatura constante, con el fin de evitar cambios en la frecuencia debidos a variaciones en la temperatura ambiente. Un oscilador de este tipo se conoce como oscilador de cristal controlado por horno ( OCXO , donde "XO" es una antigua abreviatura de "oscilador de cristal"). Este tipo de oscilador logra la mayor estabilidad de frecuencia posible con un cristal. Se utilizan habitualmente para controlar la frecuencia de transmisores de radio , estaciones base celulares , equipos de comunicaciones militares y para la medición precisa de frecuencias.

Los cristales de cuarzo se utilizan ampliamente en osciladores electrónicos para controlar con precisión la frecuencia que producen. La frecuencia a la que vibra un resonador de cristal de cuarzo depende de sus dimensiones físicas. Un cambio de temperatura provoca que el cuarzo se expanda o contraiga debido a la dilatación térmica , modificando la frecuencia de la señal producida por el oscilador. Aunque el cuarzo tiene un coeficiente de dilatación térmica muy bajo , los cambios de temperatura siguen siendo la principal causa de variación de frecuencia en los osciladores de cristal.

El horno es una carcasa con aislamiento térmico que contiene el cristal y uno o más elementos calefactores eléctricos . Dado que otros componentes electrónicos del circuito también son vulnerables a las variaciones de temperatura, normalmente todo el circuito oscilador está encerrado en el horno. Se utiliza un sensor de temperatura de termistor en un circuito de control de lazo cerrado para controlar la potencia del calentador y asegurar que el horno se mantenga a la temperatura precisa deseada. Debido a que el horno funciona por encima de la temperatura ambiente, el oscilador generalmente requiere un período de calentamiento después de que se haya aplicado la energía para alcanzar su temperatura de funcionamiento. ^{[ 1 ]} Durante este período de calentamiento, la frecuencia no tendrá la estabilidad nominal completa.

La temperatura seleccionada para el horno es aquella en la que la pendiente de la curva de frecuencia vs. temperatura del cristal es cero, lo que mejora aún más la estabilidad. Se utilizan cristales con corte AT o SC (con compensación de tensión). El corte SC tiene un rango de temperatura más amplio en el que se alcanza un coeficiente de temperatura cercano a cero y, por lo tanto, reduce el tiempo de calentamiento. ^{[ 2 ]} Generalmente se utilizan transistores de potencia para los calentadores en lugar de elementos calefactores de resistencia . Su potencia de salida es proporcional a la corriente, en lugar del cuadrado de la corriente, lo que linealiza la ganancia del bucle de control. ^{[ 2 ]}

Una temperatura común para un horno de cristal es de 75 °C , ^{[ 3 ]} pero la temperatura puede variar entre 30 y 80 °C dependiendo de la configuración. ^{[ 4 ]}

La mayoría de los cristales comerciales estándar están especificados para una temperatura ambiente de 0–70 °C , las versiones industriales generalmente están especificadas para −40 a +85 °C . ^{[ 5 ]}

Debido a la energía necesaria para hacer funcionar el calentador, los OCXO requieren más energía que los osciladores que funcionan a temperatura ambiente, y el requisito del calentador, la masa térmica y el aislamiento térmico implica que son físicamente más grandes. Por lo tanto, no se utilizan en aplicaciones alimentadas por batería o en miniatura, como los relojes . Sin embargo, a cambio, el oscilador controlado por horno logra la mejor estabilidad de frecuencia posible de un cristal. La estabilidad de frecuencia a corto plazo de los OCXO es típicamente 1 × 10 ⁻¹² durante unos pocos segundos, mientras que la estabilidad a largo plazo está limitada a alrededor de 1 × 10 ⁻⁸ (10 ppb ) por año debido al envejecimiento del cristal. ^{[ 1 ]} Lograr una mejor estabilidad requiere cambiar a un estándar de frecuencia atómica , como un estándar de rubidio , un estándar de cesio o un máser de hidrógeno . Otra alternativa más económica es disciplinar un oscilador de cristal con una señal de tiempo GPS , creando un oscilador disciplinado por GPS ( GPSDO ). Utilizando un receptor GPS que pueda generar señales de tiempo estables (con una precisión de hasta ~30 ns respecto a UTC ), un GPSDO puede mantener una estabilidad de oscilación de 10⁻¹³ ^durante períodos de tiempo prolongados. 

Los hornos de cristal también se utilizan en óptica. En los cristales empleados para óptica no lineal , la adaptación de fase es sensible a la temperatura, por lo que requieren estabilización térmica, especialmente cuando el haz láser calienta el cristal. Además, se suele emplear un reajuste rápido del cristal. Para esta aplicación, el cristal y el termistor deben estar en contacto muy cercano y ambos deben tener la menor capacidad calorífica posible. Para evitar la rotura del cristal, deben evitarse grandes variaciones de temperatura en cortos periodos de tiempo.

• Marvin E., Frerking (1996). "Cincuenta años de progreso en los estándares de frecuencia de cristal de cuarzo" . Actas del Simposio de Control de Frecuencia IEEE de 1996. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. págs. 33–46 . Archivado del original el 12 de mayo de 2009. Recuperado el 31 de marzo de 2009 . 

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