¿Por qué se utilizan osciladores de cristal en relojes en lugar de circuitos RLC?

La sincronización de los relojes de cuarzo está regulada por un oscilador de cristal . Este oscilador de cristal forma efectivamente un circuito RLC. Si es así, ¿qué propiedades tiene un oscilador de cristal que lo hace ventajoso sobre un circuito RLC?

Los osciladores de cristal son mucho más precisos, son pequeños, tienen coeficientes de baja temperatura y poca deriva a un bajo costo.

Un cristal de cuarzo es un resonador mecánico con propiedades particularmente estables. El cuarzo es un material muy estable: no "envejece" ni cambia mucho con la temperatura. También es posible preparar cuarzo para que sea muy puro y tenga propiedades consistentes. El cuarzo también es ligeramente piezoeléctrico: un campo eléctrico provoca una desviación y una desviación genera una carga eléctrica.

Cuando se corta correctamente (con una orientación específica de los ejes de cristal) y se monta correctamente, las propiedades mecánicas (básicamente rigidez) son independientes de la temperatura. Los contactos en el cristal significan que una vibración mecánica genera carga eléctrica, y cuando se configura correctamente (con un amplificador), todo el sistema puede resonar a una frecuencia estable.

Eléctricamente, esto se puede modelar como una red RLC con propiedades similares. Los valores de RLC pueden ser sorprendentes, típicamente fracciones de un fF de capacitancia y muchas henias de inductancia.

Si bien un cristal de cuarzo se puede modelar como un circuito RLC, eso no es lo que realmente es.
El corte y las dimensiones del cristal hacen que resuene a una frecuencia particular y esto puede determinarse con mucha más precisión que un circuito hecho de R, L y C discretos.

La razón es la precisión. Para los condensadores, el 2% se considera una muy buena tolerancia. No estoy seguro acerca de los inductores, pero espero que sea similar. Las resistencias son mejores que los condensadores o inductores, pero no se puede construir un oscilador con resistencias solo.

Para poner estos números en perspectiva: 1% es equivalente a 36 segundos por hora o 14 minutos y 24 segundos por día, lo que sería una precisión totalmente inaceptable para un reloj.

Desde mi experiencia, se agrega un cristal en lugar de reemplazar los componentes RLC de un oscilador. La razón por la que se "agrega" es para dar y mantener una frecuencia dada con mayor precisión que el uso de los componentes RLC solos. La razón por la que un cristal proporciona más precisión es que puede fabricarse con tolerancias "más estrictas" que los componentes RLC y su alta propiedad eléctrica Q.

El oscilador de cristal tiene propiedades de bajo costo en términos de complejidad del circuito y precio unitario que lo hace ventajoso sobre un circuito RLC. El circuito RLC requiere más piezas y ajustes. Cuando está correctamente diseñado y calibrado, un reloj RLC es tan preciso como un reloj oscilador de cristal. Se trata del costo y el tamaño.