Por que os osciladores de cristal são usados ​​em relógios em vez de circuitos RLC?

O tempo dos relógios de quartzo é regulado por um oscilador de cristal . Este oscilador de cristal forma efetivamente um circuito RLC. Nesse caso, que propriedades possui um oscilador de cristal que o torna vantajoso em relação a um circuito RLC?

Os osciladores de cristal são muito mais precisos, são pequenos, têm coeficientes de baixa temperatura e baixa deriva a baixo custo.

Um cristal de quartzo é um ressonador mecânico com propriedades particularmente estáveis. O quartzo é um material muito estável - não 'envelhece' ou muda muito com a temperatura. Também é possível preparar o quartzo para ser muito puro e ter propriedades consistentes. O quartzo também é levemente piezoelétrico - um campo elétrico causa uma deflexão e uma deflexão gera uma carga elétrica.

Quando cortadas corretamente (com uma orientação específica nos eixos de cristal) e montadas corretamente, as propriedades mecânicas (basicamente rigidez) são independentes da temperatura. Os contatos no cristal significam que uma vibração mecânica gera carga elétrica e, quando configurado corretamente (com um amplificador), todo o sistema pode ser ressonado a uma frequência estável.

Eletricamente, isso pode ser modelado como uma rede RLC com propriedades semelhantes. Os valores de RLC podem ser surpreendentes - geralmente frações de fF de capacitância e muitos henries de indutância.

Embora um cristal de quartzo possa ser modelado como um circuito RLC, não é o que realmente é.
O corte e as dimensões do cristal fazem com que ele seja ressonante em uma frequência específica e isso pode ser determinado com muito mais precisão do que um circuito feito de R, L e C discretos.

O motivo é a precisão. Para capacitores, 2% é considerado uma tolerância muito boa. Não tenho certeza sobre indutores, mas espero que seja semelhante. Os resistores são melhores que os capacitores ou indutores, mas você não pode construir um oscilador apenas com resistores.

Para colocar esses números em perspectiva: 1% é equivalente a 36 segundos por hora ou 14 minutos e 24 segundos por dia, o que seria uma precisão totalmente inaceitável para um relógio.

Pela minha experiência, um cristal é adicionado em vez de substituir os componentes RLC de um oscilador. A razão pela qual é "adicionada" é fornecer e manter uma determinada frequência com mais precisão do que usar apenas os componentes RLC. A razão pela qual um cristal fornece mais precisão é que ele pode ser fabricado com tolerâncias "mais rígidas" do que os componentes RLC e sua alta propriedade elétrica Q.

O oscilador de cristal possui propriedades de baixo custo em termos de complexidade do circuito e preço unitário, o que o torna vantajoso em relação a um circuito RLC. O circuito RLC requer mais peças e ajustes. Quando projetado e calibrado adequadamente, um relógio RLC é tão preciso quanto um relógio de oscilador de cristal. É tudo sobre o custo e tamanho.