Perché gli oscillatori a cristallo vengono utilizzati negli orologi anziché nei circuiti RLC?

I tempi degli orologi al quarzo sono regolati da un oscillatore a cristallo . Questo oscillatore a cristallo forma efficacemente un circuito RLC. Se è così, quali proprietà ha un oscillatore a cristallo che lo rende vantaggioso su un circuito RLC?

Gli oscillatori a cristallo sono molto più precisi, sono piccoli, hanno coefficienti di bassa temperatura e bassa deriva a basso costo.

Un cristallo di quarzo è un risuonatore meccanico con proprietà particolarmente stabili. Il quarzo è un materiale molto stabile: non "invecchia" o cambia molto con la temperatura. È anche possibile preparare il quarzo per essere molto puro e avere proprietà coerenti. Il quarzo è anche leggermente piezoelettrico: un campo elettrico provoca una deflessione e una deflessione genera una carica elettrica.

Se tagliati correttamente (con un orientamento specifico rispetto agli assi di cristallo) e montati correttamente, le proprietà meccaniche (sostanzialmente la rigidità) sono indipendenti dalla temperatura. I contatti sul cristallo indicano che una vibrazione meccanica genera una carica elettrica e, se configurato correttamente (con un amplificatore), l'intero sistema può essere fatto risuonare a una frequenza stabile.

Elettricamente questo può essere modellato come una rete RLC con proprietà simili. I valori di RLC possono essere sorprendenti - in genere frazioni di una fF di capacità e molti henries di induttanza.

Mentre un cristallo di quarzo può essere modellato come un circuito RLC, non è quello che è in realtà.
Il taglio e le dimensioni del cristallo fanno risuonare a una particolare frequenza e questo può essere determinato in modo molto più accurato di un circuito fatto di R, L e C discreti.

Il motivo è l'accuratezza. Per i condensatori il 2% è considerato un'ottima tolleranza. Non sono sicuro degli induttori, ma mi aspetto che sia simile. I resistori sono migliori dei condensatori o degli induttori ma non è possibile costruire un oscilatore con i soli resistori.

Per mettere in prospettiva questi numeri: 1% equivale a 36 secondi all'ora o 14 minuti e 24 secondi al giorno, il che sarebbe una precisione totalmente inaccettabile per un orologio.

Dalla mia esperienza, viene aggiunto un cristallo invece di sostituire i componenti RLC di un oscillatore. Il motivo per cui viene "aggiunto" è quello di fornire e mantenere una data frequenza in modo più accurato rispetto all'utilizzo dei soli componenti RLC. Il motivo per cui un cristallo fornisce una maggiore precisione è che può essere prodotto con tolleranze "più strette" rispetto ai componenti RLC e alle sue elevate proprietà elettriche Q.

L'oscillatore a cristallo ha proprietà di economicità in termini di complessità del circuito e prezzo unitario che lo rende vantaggioso su un circuito RLC. Il circuito RLC richiede più parti e regolazioni. Se correttamente progettato e calibrato, un orologio RLC è preciso come un orologio oscillatore a cristallo. Si tratta di costi e dimensioni.