Un horno de cristal es una cámara de temperatura controlada que se utiliza para mantener el cristal de cuarzo en osciladores de cristal electrónicos a una temperatura constante, con el fin de evitar cambios en la frecuencia debido 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 consigue la mayor estabilidad de frecuencia posible con un cristal. Por lo general, se utilizan para controlar la frecuencia de transmisores de radio , estaciones base celulares , equipos de comunicaciones militares y para mediciones de frecuencia de precisión.
Los cristales de cuarzo se utilizan ampliamente en osciladores electrónicos para controlar con precisión la frecuencia producida. La frecuencia a la que vibra un resonador de cristal de cuarzo depende de sus dimensiones físicas. Un cambio de temperatura hace que el cuarzo se expanda o contraiga debido a la expansión térmica , cambiando la frecuencia de la señal producida por el oscilador. Aunque el cuarzo tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo , los cambios de temperatura siguen siendo la causa principal de la variación de frecuencia en los osciladores de cristal.
El horno es un recinto térmicamente aislado 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 del oscilador está encerrado en el horno. Se utiliza un sensor de temperatura termistor en un circuito de control de circuito cerrado para controlar la energía del calentador y garantizar 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 ha aplicado energía para alcanzar su temperatura de funcionamiento. [1] Durante este período de calentamiento, la frecuencia no tendrá la estabilidad nominal total.
La temperatura seleccionada para el horno es aquella en la que la pendiente de la curva de frecuencia versus temperatura del cristal es cero, lo que mejora aún más la estabilidad. Se utilizan cristales de corte AT o SC (compensados por tensión). El corte SC tiene un rango de temperatura más amplio en el que se logra un coeficiente de temperatura cercano a cero y, por lo tanto, reduce el tiempo de calentamiento. [2] Los transistores de potencia se utilizan generalmente para los calentadores en lugar de elementos calefactores de resistencia . Su potencia de salida es proporcional a la corriente, en lugar de al cuadrado de la corriente, lo que linealiza la ganancia del bucle de control. [2]
Una temperatura común para un horno de cristal es 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 se especifican para una temperatura ambiental de 0 a 70 °C , las versiones industriales generalmente se especifican para -40 a +85 °C . [5]
Debido a la potencia necesaria para hacer funcionar el calentador, los OCXO requieren más energía que los osciladores que funcionan a temperatura ambiente, y los requisitos de calentador, masa térmica y aislamiento térmico significan que son físicamente más grandes. Por lo tanto, no se utilizan en aplicaciones que funcionan con baterías o en miniatura, como relojes . Sin embargo, a cambio, el oscilador controlado por horno logra la mejor estabilidad de frecuencia posible a partir de un cristal. La estabilidad de frecuencia a corto plazo de los OCXO es típicamente de 1 × 10 −12 en unos pocos segundos, mientras que la estabilidad a largo plazo se limita 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 horaria GPS , creando un oscilador disciplinado por GPS ( GPSDO ). Utilizando un receptor GPS que puede generar señales horarias estables (hasta ~30 ns de UTC ), un GPSDO puede mantener una estabilidad de oscilación de 10 −13 durante períodos prolongados de tiempo.
Los hornos de cristal también se utilizan en óptica. En los cristales utilizados para óptica no lineal , la adaptación de fases también es sensible a la temperatura y, por lo tanto, requieren estabilización de temperatura, especialmente cuando el rayo láser calienta el cristal. Además, a menudo se emplea una rápida resintonización 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 se deben evitar grandes variaciones de temperatura en tiempos cortos.
* Los tamaños y costos varían desde <5 cm 3 y <5 USD para los osciladores de cristal, hasta más de 30 litros y 40 000 USD para los estándares Cs .
** Incluyendo los efectos de entornos militares y un año de envejecimiento.