Um
cristal sozinho não pode entrar em vibração espontaneamente. A excitação que
coloca um cristal em oscilação e depois a mantém, é obtida por meio de um
circuito especial. Esse circuito, conforme sugere a figura 9, nada mais é do
que um amplificador que tem um elo de realimentação. Ao conjunto assim obtido
denominamos “oscilador”.
Dessa forma, os circuitos que produzem sinais com certas frequências e são
controlados por cristais de quartzo, são denominados osciladores controlados
por cristal, ou simplesmente osciladores a cristal (utiliza-se também a
abreviação XTAL-OSC). Para que tenhamos um oscilador a cristal é preciso que o
circuito empregado na excitação tenha um certo ganho, ou seja, que o sinal
obtido na sua saída seja maior do que aquele que se requer para excitar o
cristal.
Se
isso não ocorrer, o sinal de saída que serve para excitar de novo o cristal,
ficará cada vez mais fraco, e o que teremos é a produção de uma oscilação
amortecida, conforme ilustra a figura 10.
Com
um ganho maior que 1,0, “sobra” sempre um pouco de sinal necessário à
realimentação que mantém as oscilações e que pode ser usado no circuito
externo. Existem centenas de aplicações eletrônicas em que os cristais
controlam a frequência de osciladores, cujos sinais, (que são correntes de
determinadas frequências) são os responsáveis pelos seus ritmos de
funcionamento.
Aplicações
para cristais
Algumas
aplicações dos cristais se destacam. Por isso, será interessante que os
leitores as conheçam.
Relógios
O
ritmo de um relógio mecânico é dado pelo balanço de um mecanismo controlado por
uma mola. A tensão dessa mola determina o ritmo das oscilações. Os relógios
modernos são eletrônicos e seu ritmo é dado por um cristal. Mesmo que exista um
micromotor acionando os ponteiros, veja a figura 11, seu ritmo e portanto
a precisão do relógio dependem do cristal.

Evidentemente,
o cristal de um relógio não tem a frequência mínima que estamos acostumados a
visualizar, que é a de 1 Hz, ou um impulso por segundo. Seria muito difícil
fabricar um cristal com essa frequência (e ele também seria muito grande).
Assim, os relógios utilizam cristais de frequências mais altas, sendo elas
divididas por circuitos apropriados de modo a se obter um ritmo que seja ideal
para o andamento do relógio. A precisão obtida num sistema deste tipo é
excelente, com pequenas variações que normalmente ocorrem em vista das
diferentes temperaturas que o relógio encontra nos ambientes em que trabalha. O
anúncio de que um relógio é de quartzo refere-sejustamente à presença deste
elemento no circuito, determinando assim seu ritmo preciso de funcionamento.
Devido ao espaço limitado que existe num relógio de pulso, evidentemente, os
cristais usados devem ter dimensões muito pequenas, o que implica também que
eles não consigam oscilar em frequências muito baixas. Assim, os minúsculos
cristais dos relógios produzem oscilações de vários megahertz para a divisão
posterior pelos circuitos de que já falamos.
Computadores
Os
computadores de tipo PC e mesmo outros, possuem circuitos que operam segundo o
que se denomina lógica sincronizada. Todos os circuitos devem operar
sincronizados por um determinado sinal de frequência única, denominado “clock”,
o qual determina quando cada um deve realizar uma determinada operação, atender
uma interrupção ou estar pronto para emitir o resultado de uma operação. Se
isso não fosse feito, uma determinada etapa de um computador poderia estar já
somando o valor de um dado a outro armazenado numa célula, antes mesmo que o
outro tivesse chegado, dando com resultado um valor completamente errado.
Todos
os circuitos de um computador são sincronizados por um oscilador único que
determina seu ritmo de andamento. Dessa forma, quando dizemos que um computador
“roda” a 3 GHz e portanto é muito mais rápido que outro que só “roda” a 2 GHz ,
estamos nos referindo à frequência do clock, que é justamente determinada por
um oscilador por cristal, observe a figura 12.
A
velocidade de um computador não pode ser alterada simplesmente pela troca de
sinal de seu clock. A escolha de um determinado valor de frequência para um
cristal de um computador depende da capacidade de seus circuitos operarem com
tal frequência.
Se
um computador que utiliza componentes projetados para operar com frequência
máxima de 20 MHz, receber um sinal de clock de 40 MHz , ele não irá conseguir
operar satisfatoriamente.
Um
problema que surge na operação em velocidade maior (denominada overclock) é que
há uma dissipação de calor maior. Esse fato justifica a existência de uma chave
“turbo”. Em muitos computadores antigos que os dotam de duas velocidades: uma é
a frequência original do clock dada pelo cristal, e a outra dada por um divisor
por 2 que permite a operação na metade da velocidade. Em condições limites, num
ambiente quente ou quando o computador tiver que funcionar por horas seguidas,
se não estivermos com um programa que necessite de alta velocidade, será
interessante aliviar os circuitos de um aquecimento maior com a operação em
menor velocidade. Podemos dizer, de uma forma geral, que o oscilador de clock
de um computador funciona como um “maestro”que determina seu ritmo e
funcionamento de modo que tudo corra em harmonia. A quebra da harmonia poderá
significar erros graves e a própria inoperância do aparelho. É importante
observar que nos computadores mais modernos existe um oscilador de frequência
única que determina a frequência básica de operação de um circuito de entrada.
Através de programações por meio de jumpers ou ligações, é possível modificar
os circuitos que ele controla de modo a se programar a velocidade do
processador. Dessa forma, o profissional da Informática pode perfeitamente
alterar a velocidade de um processador sem mexer no oscilador, apenas mudando a
programação. É claro que o risco de se fazer esta operação de “overclock” é o
que já explicamos: rodando mais rápido que o recomendado, pode-se levar o
circuito a falhas ou mesmo sobreaquecimento. Existem instrumentos de medida
onde a precisão da medida depende fundamentalmente da precisão com que se pode
estabelecer um intervalo de tempo de referência. Esse é o caso de
frequencímetros em que a medida de uma frequência é feita contando-se o número
de ciclos num intervalo de tempo conhecido, conforme mostra a figura 13.

Por
exemplo, num frequencímetro comum podemos fixar em 1/10 de segundo o intervalo
de contagem dos pulsos ou “amostragem”. Assim, se nesse intervalo, para um
sinal de frequência a ser medida, forem contados 5000 ciclos, então a
frequência desse sinal (projetada no mostrador) será de 50 kHz. Os próprios
circuitos internos fazem a multiplicação de valor ou a colocação do ponto
decimal, desprezando os dígitos menos significativos, quando necessário.
Outra
aplicações
Telefones
sem fio, telefones celulares, instrumentos de medida de diversos tipos,
walk-talkies,televisores em cores, videocassetes e DVDs são alguns outros
exemplos de aparelhos em que encontramos os cristais exercendo funções
decisivas relacionadas com o controle de frequência. Nos telefones sem fio, os
cristais determinam a frequência de operação das estações garantindo, assim,
uma estabilidade que de outra forma não poderia ser obtida. Se o ajuste da
frequência fosse feito por circuitos sintonizados comuns (LC), a possibilidade
de “escape” do sinal seria muito maior, resultando na necessidade constante de
reajuste do aparelho com a consequente perda da confiabilidade. Nos
walk-talkies, os cristais determinam com precisão o canal em que os aparelhos
devem operar, fixando a frequência tanto do receptor quanto do transmissor.
Finalmente, nos televisores, encontramos cristais nas etapas de processamento
de cores, fixando a frequência dos circuitos de modo a detectar esse sinal com
precisão.
Conclusão
O
leitor teve, neste artigo, apenas uma amostra da importância dos cristais de
quartzo na Eletrônica. Um aprofundamento maior poderá ser importante se o
leitor for trabalhar com esses componentes. A variedade de tipos de frequências
leva à necessidade de conhecer todas as propriedades específicas de cada um
para que a escolha de um novo projeto seja aquela que o leve ao melhor
desempenho.