Ressonador de quartzo - estrutura, princípio de operação, como verificar

A tecnologia digital moderna requer alta precisão, portanto, não é de surpreender que quase todos os dispositivos digitais, que não chamariam a atenção do homem comum hoje em dia, contenham um ressonador de quartzo dentro.

Os ressonadores de quartzo para várias frequências são necessários como fontes confiáveis ​​e estáveis ​​de oscilações harmônicas, para que o microcontrolador digital possa confiar na frequência de referência e operar com ela no futuro, durante a operação do dispositivo digital. Assim, um ressonador de quartzo é um substituto confiável para um circuito LC oscilatório.

Se considerarmos um circuito oscilatório simples, consistindo em capacitor e indutor, fica rapidamente claro que o fator de qualidade de um circuito desse tipo no circuito não excederá 300, além disso, a capacitância do capacitor flutuará dependendo da temperatura ambiente, o mesmo ocorrerá com a indutância.

Não é à toa que capacitores e bobinas possuem parâmetros como TKE - coeficiente de temperatura de capacitância e TKI - coeficiente de temperatura de indutância, mostrando como os principais parâmetros desses componentes mudam com a temperatura.

Diferentemente dos circuitos oscilatórios, os ressonadores baseados em quartzo têm um fator de qualidade inatingível para circuitos oscilatórios, que podem ser medidos com valores de 10.000 a 10.000.000, e a estabilidade da temperatura dos ressonadores de quartzo está fora de questão, porque a frequência permanece constante a qualquer temperatura, geralmente na faixa de - 40 ° C a + 70 ° C.

Portanto, devido à alta estabilidade da temperatura e ao fator de qualidade, os ressonadores de quartzo são usados ​​em toda parte na engenharia de rádio e na eletrônica digital.

Para atribuição microcontrolador ou processador freqüência do relógio, ele sempre precisa de um gerador de relógio, no qual possa confiar com confiança, e esse gerador sempre precisa de alta frequência e, ao mesmo tempo, alta precisão. Aqui o ressonador de quartzo vem em socorro. Obviamente, em algumas aplicações, os ressonadores piezoelétricos com um fator de qualidade de 1000 podem ser dispensados, e esses ressonadores são suficientes para brinquedos eletrônicos e rádios domésticas, mas o quartzo é necessário para dispositivos mais precisos.

A base do ressonador de quartzo é efeito piezoelétricosurgindo em uma placa de quartzo. O quartzo é uma modificação polimórfica do dióxido de silício SiO2 e é encontrado na natureza na forma de cristais e seixos. A forma livre na crosta terrestre de quartzo é de cerca de 12%; além disso, na forma de misturas, outros minerais também contêm quartzo e, em geral, mais de 60% de quartzo na crosta terrestre (fração de massa).

Para criar ressonadores, o quartzo de baixa temperatura com propriedades piezoelétricas pronunciadas é adequado. Quimicamente, o quartzo é muito estável e só pode ser dissolvido em ácido fluorídrico. O quartzo é superior em dureza à opala, mas não atinge o diamante.

Na fabricação de uma placa de quartzo, uma peça é cortada de um cristal de quartzo em um ângulo estritamente especificado. Dependendo do ângulo de corte, a placa de quartzo resultante diferirá em suas propriedades eletromecânicas.

Muito depende do tipo de corte: frequência, estabilidade da temperatura, estabilidade da ressonância e ausência ou presença de frequências ressonantes espúrias. Em seguida, uma camada de metal é aplicada à placa em ambos os lados, que pode ser níquel, platina, prata ou ouro, após o que a placa é fixada com fios rígidos na base da caixa do ressonador de quartzo. O último passo é montar o alojamento hermeticamente.

Assim, é obtido um sistema oscilante com sua própria frequência ressonante e o ressonador de quartzo obtido dessa maneira tem sua própria frequência ressonante determinada por parâmetros eletromecânicos.

Agora, se uma tensão alternada de uma dada frequência ressonante for aplicada aos eletrodos metálicos do plástico, um fenômeno de ressonância aparecerá, e a amplitude das oscilações harmônicas da placa aumentará significativamente. Nesse caso, a resistência do ressonador diminui significativamente, ou seja, o processo é semelhante ao que está acontecendo em um circuito oscilatório seqüencial. Devido ao fator de alta qualidade de um "circuito oscilatório", a perda de energia durante sua excitação na frequência ressonante é insignificante.

Em um circuito equivalente: C2 é a capacidade elétrica estática das placas com suportes, L é a indutância, C1 é a capacitância, R é a resistência, refletindo as propriedades eletromecânicas da placa de quartzo instalada. Se você remover os elementos de montagem, um circuito LC consistente permanecerá.

Durante a instalação em uma placa de circuito impresso, um ressonador de quartzo não pode ser superaquecido, porque seu design é bastante frágil e o superaquecimento pode levar à deformação dos eletrodos e do suporte, o que certamente afetará a operação do ressonador no dispositivo acabado. Se o quartzo é aquecido a 5730 ° C, ele perde completamente suas propriedades piezelétricas, mas, felizmente, é impossível aquecer um elemento com um ferro de solda a essa temperatura.

A designação do ressonador de quartzo no diagrama é semelhante à designação de um capacitor com um retângulo entre as placas (placa de quartzo) e com a inscrição "ZQ" ou "Z".

Freqüentemente, a causa do dano ao ressonador de quartzo é uma queda ou um forte impacto do dispositivo em que está instalado e, em seguida, é necessário substituir o ressonador por um novo com a mesma frequência ressonante. Esse dano é inerente a dispositivos de tamanho pequeno que são fáceis de remover. No entanto, de acordo com as estatísticas, esses danos aos ressonadores de quartzo são extremamente raros e, com mais freqüência, o mau funcionamento do dispositivo é causado por um motivo diferente.

Para verificar a capacidade de manutenção do ressonador de quartzo, você pode montar uma pequena sonda que ajudará não apenas a verificar a operacionalidade do ressonador, mas também a ver sua frequência ressonante. O circuito da sonda é um circuito oscilador de cristal típico usando um único transistor.

Ao ligar o ressonador entre a base e o sinal de menos (é possível através de um capacitor de proteção no caso de um curto-circuito no ressonador), resta medir a frequência de ressonância com um medidor de frequência. Este circuito também é adequado para pré-configurar os circuitos oscilatórios.

Quando o circuito é ligado, um ressonador saudável contribuirá para a geração de oscilações, e uma tensão alternada pode ser observada no emissor do transistor, cuja frequência corresponderá à frequência ressonante fundamental do ressonador de quartzo testado.

Ao conectar um medidor de frequência à saída da sonda, o usuário poderá observar essa frequência ressonante. Se a frequência for estável, se um leve aquecimento do ressonador com um ferro de solda elevado não levar a um desvio forte da frequência, o ressonador estará em boas condições. Se não houver geração, ou a frequência flutuar ou se tornar completamente diferente do que deveria ser para o componente testado, o ressonador está com defeito e deve ser substituído.

Essa sonda também é conveniente para pré-configurar os circuitos oscilatórios; nesse caso, o capacitor C1 é necessário, embora possa ser excluído do circuito ao verificar os ressonadores. O circuito é simplesmente conectado ao invés do ressonador, e o circuito começa a gerar oscilações de maneira semelhante.

O amostrador montado de acordo com o circuito fornecido funciona maravilhosamente em frequências de 15 a 20 MHz. Para outras faixas, você sempre pode procurar por circuitos na Internet, pois existem muitos deles, tanto em componentes discretos quanto em um microcircuito.