Rezonator kwarcowy - struktura, zasada działania, jak sprawdzić

Współczesna technologia cyfrowa wymaga dużej dokładności, dlatego nie dziwi fakt, że prawie każde urządzenie cyfrowe, które dziś nie przyciągnęłoby uwagi przeciętnego człowieka, zawiera rezonator kwarcowy.

Rezonatory kwarcowe dla różnych częstotliwości są niezbędne jako niezawodne i stabilne źródła oscylacji harmonicznych, aby cyfrowy mikrokontroler mógł polegać na częstotliwości odniesienia i współpracować z nią w przyszłości, podczas pracy urządzenia cyfrowego. Rezonator kwarcowy jest zatem niezawodnym zamiennikiem oscylacyjnego obwodu LC.

Jeśli weźmiemy pod uwagę prosty obwód oscylacyjny, składający się z kondensator i induktor, wtedy szybko staje się jasne, że współczynnik jakości takiego obwodu w obwodzie nie przekroczy 300, ponadto pojemność kondensatora będzie się unosić w zależności od temperatury otoczenia, to samo stanie się z indukcyjnością.

Nie bez powodu kondensatory i cewki mają takie parametry, jak TKE - współczynnik temperaturowy pojemności i TKI - współczynnik temperaturowy indukcyjności, pokazując, jak zmieniają się główne parametry tych elementów wraz z ich temperaturą.

W przeciwieństwie do obwodów oscylacyjnych, rezonatory kwarcowe mają współczynnik Q nieosiągalny dla obwodów oscylacyjnych, który można zmierzyć wartościami od 10 000 do 10 000 000, a stabilność temperaturowa rezonatorów kwarcowych nie wchodzi w rachubę, ponieważ częstotliwość pozostaje stała w dowolnej temperaturze, zwykle z zakresu od - 40 ° C do + 70 ° C.

Zatem, ze względu na stabilność w wysokiej temperaturze i współczynnik jakości, rezonatory kwarcowe są stosowane wszędzie w inżynierii radiowej i elektronice cyfrowej.

Do zadania mikrokontroler lub procesor częstotliwości zegara, zawsze potrzebuje generatora zegara, na którym mógłby niezawodnie polegać, a ten generator zawsze potrzebuje wysokiej częstotliwości i precyzji. Tu na ratunek przychodzi rezonator kwarcowy. Oczywiście w niektórych zastosowaniach można zrezygnować z rezonatorów piezoelektrycznych o współczynniku jakości 1000, a takie rezonatory są wystarczające dla zabawek elektronicznych i domowych radiotelefonów, ale kwarc jest potrzebny do dokładniejszych urządzeń.

Podstawą rezonatora kwarcowego jest efekt piezoelektrycznypowstające na płycie kwarcowej. Kwarc jest polimorficzną modyfikacją dwutlenku krzemu SiO2 i występuje w naturze w postaci kryształów i otoczaków. Wolna postać w skorupie kwarcowej ziemi wynosi około 12%, ponadto kwarc jest również zawarty w mieszaninach innych minerałów, a ogólnie ponad 60% kwarcu w skorupie ziemskiej (ułamek masowy).

Aby utworzyć rezonatory, odpowiedni jest kwarc niskotemperaturowy o wyraźnych właściwościach piezoelektrycznych. Chemicznie kwarc jest bardzo stabilny i może być rozpuszczony tylko w kwasie fluorowodorowym. Kwarc ma wyższą twardość niż opal, ale nie osiąga diamentu.

Podczas produkcji płyty kwarcowej kawałek wycina się z kryształu kwarcu pod ściśle określonym kątem. W zależności od kąta cięcia uzyskana płyta kwarcowa będzie różnić się właściwościami elektromechanicznymi.

Wiele zależy od rodzaju cięcia: częstotliwości, stabilności temperaturowej, stabilności rezonansowej oraz braku lub obecności fałszywych częstotliwości rezonansowych. Następnie na płytkę nakłada się po obu stronach warstwę metalu, którą może być nikiel, platyna, srebro lub złoto, po czym płytkę mocuje się twardymi drutami do podstawy obudowy rezonatora kwarcowego. Ostatni krok - obudowa jest hermetycznie zmontowana.

W ten sposób uzyskuje się układ oscylacyjny o własnej częstotliwości rezonansowej, a tak otrzymany rezonator kwarcowy ma swoją własną częstotliwość rezonansową określoną przez parametry elektromechaniczne.

Teraz, jeśli napięcie przemienne o danej częstotliwości rezonansowej zostanie przyłożone do metalowych elektrod tworzywa sztucznego, pojawi się zjawisko rezonansu, a amplituda oscylacji harmonicznych płyty znacznie wzrośnie. W tym przypadku rezystancja rezonatora znacznie spada, to znaczy proces jest podobny do tego, co dzieje się w sekwencyjnym obwodzie oscylacyjnym. Ze względu na wysoki współczynnik jakości takiego „obwodu oscylacyjnego” strata energii podczas jego wzbudzenia przy częstotliwości rezonansowej jest znikoma.

Na obwodzie równoważnym: C2 to statyczna pojemność elektryczna płytek z uchwytami, L to indukcyjność, C1 to pojemność, R to rezystancja, odzwierciedlająca właściwości elektromechaniczne zainstalowanej płyty kwarcowej. Jeśli usuniesz elementy montażowe, pozostanie spójny obwód LC.

Podczas instalacji na płytce drukowanej rezonator kwarcowy nie może zostać przegrzany, ponieważ jego konstrukcja jest dość delikatna, a przegrzanie może prowadzić do deformacji elektrod i uchwytu, co z pewnością wpłynie na działanie rezonatora w gotowym urządzeniu. Jeśli kwarc zostanie podgrzany do 5730 ° C, całkowicie straci swoje właściwości piezoelektryczne, ale na szczęście niemożliwe jest podgrzanie elementu za pomocą lutownicy do takiej temperatury.

Oznaczenie rezonatora kwarcowego na schemacie jest podobne do oznaczenia kondensatora z prostokątem między płytkami (płytka kwarcowa) i napisem „ZQ” lub „Z”.

Często przyczyną uszkodzenia rezonatora kwarcowego jest upadek lub silny wpływ urządzenia, w którym jest zainstalowany, a następnie konieczna jest wymiana rezonatora na nowy o tej samej częstotliwości rezonansowej. Takie uszkodzenia są nieodłącznie związane z małymi urządzeniami, które łatwo upuszczać. Jednak według statystyk takie uszkodzenie rezonatorów kwarcowych jest niezwykle rzadkie, a częściej wadliwe działanie urządzenia jest spowodowane inną przyczyną.

Aby sprawdzić, czy rezonator kwarcowy jest sprawny, można zmontować małą sondę, która pomoże nie tylko zweryfikować funkcjonowanie rezonatora, ale także zobaczyć jego częstotliwość rezonansową. Obwód sondy jest typowym obwodem oscylatora kwarcowego wykorzystującym pojedynczy tranzystor.

Włączając rezonator między bazą a minusem (jest to możliwe dzięki kondensatorowi ochronnemu w przypadku zwarcia w rezonatorze), pozostaje zmierzyć częstotliwość rezonansową za pomocą miernika częstotliwości. Obwód ten nadaje się również do wstępnego ustawiania obwodów oscylacyjnych.

Gdy obwód jest włączony, zdrowy rezonator przyczyni się do generowania oscylacji, a na emiterze tranzystora można zaobserwować napięcie przemienne, którego częstotliwość będzie odpowiadać podstawowej częstotliwości rezonansowej badanego rezonatora kwarcowego.

Podłączając miernik częstotliwości do wyjścia sondy, użytkownik będzie mógł obserwować tę częstotliwość rezonansową. Jeśli częstotliwość jest stabilna, jeśli niewielkie nagrzewanie rezonatora za pomocą podniesionej lutownicy nie prowadzi do silnego dryftu częstotliwości, wówczas rezonator jest w dobrym stanie. Jeśli nie ma generacji lub częstotliwość będzie się unosić lub okaże się, że będzie zupełnie inna niż powinna być dla badanego elementu, wówczas rezonator jest uszkodzony i należy go wymienić.

Ta sonda jest również wygodna do wstępnego ustawiania obwodów oscylacyjnych, w tym przypadku wymagany jest kondensator C1, chociaż można go wyłączyć z obwodu podczas sprawdzania rezonatorów. Obwód jest po prostu połączony zamiast rezonatora, a obwód zaczyna generować oscylacje w podobny sposób.

Próbnik zmontowany zgodnie z danym obwodem działa wspaniale na częstotliwościach od 15 do 20 MHz. W przypadku innych zakresów zawsze możesz wyszukiwać obwody w Internecie, ponieważ jest ich wiele, zarówno na dyskretnych elementach, jak i na mikroukładzie.