Rezonatory kwarcowe: przeznaczenie, zastosowanie, zasada działania, charakterystyka użytkowania

Do czego służą rezonatory kwarcowe?

Nowoczesna elektronika cyfrowa, wraz z mikroprocesorami i mikrokontrolerami, jest po prostu nie do pomyślenia bez oscylacji zegara. A tam, gdzie uzyskuje się oscylacje zegara, tam jest działanie generatora i układu oscylacyjnego, a tam, gdzie jest układ oscylacyjny, koniecznie pojawi się zarówno zjawisko rezonansu, jak i tak ważny parametr, jak współczynnik jakości. Tutaj zapoznaliśmy się z rezonatorami kwarcowymi (oscylatorami).

Rezonator kwarcowy (kwarc) jest generatorem oscylacji elektromagnetycznych o wysokim stopniu stałości częstotliwości, który wykorzystuje właściwości piezoelektryczne i mechaniczne płytki kwarcowej.

Zgodnie z zasadą działania rezonator kwarcowy jest oscylatorem z kwarcową stabilizacją częstotliwości. Takie generatory są stosowane jako wysoce stabilny generator główny w urządzeniach pomiarowych, wzorcach częstotliwości i czasu, zegarach kwarcowych, a także w różnych urządzeniach elektronicznych.

Wadą rezonatorów kwarcowych jest to, że mogą one generować tylko przy stałych częstotliwościach określonych przez częstotliwość rezonansową kwarcu i praktycznie nie pozwalają na strojenie częstotliwości.

Wszystkie obwody rezonatora kwarcowego są podzielone na dwie duże grupy w zależności od zastosowanego w nich rezonansu kwarcowego (równoległego lub szeregowego). Najbardziej rozpowszechnione są obwody rezonatora kwarcowego, w których kwarc działa blisko swojej równoległej częstotliwości rezonansowej.

Tak więc rezonator kwarcowy w obwodzie elektronicznym jest bezkonkurencyjną alternatywą dla każdego obwód oscylacyjnyskładający się z kondensatora i cewki indukcyjnej. Wyjście jest najwyższym współczynnikiem Q rezonatorów kwarcowych. Podczas gdy dobry obwód LC osiąga współczynnik Q równy 300, współczynnik Q rezonatora kwarcowego może osiągnąć nawet 10 000 000. Jak widać, przewaga jest dziesiątki tysięcy razy. Zatem żadnego obwodu oscylacyjnego nie można porównać z rezonatorem kwarcowym pod względem współczynnika Q.

Nie trzeba mówić o wpływie temperatury na częstotliwość rezonansową. Częstotliwość rezonansowa tego samego obwodu oscylacyjnego silnie zależy od TKE (współczynnika temperaturowego pojemności) wchodzącego do niego kondensatora. Z drugiej strony kwarc ma bardzo wysoką stabilność temperaturową, z tego powodu rezonatory kwarcowe mocno utrzymują swoją pozycję jako źródła oscylacji dla generatorów częstotliwości zegara do różnych celów.

Jak działa rezonator kwarcowy

Aby zrozumieć, jak działa i działa rezonator kwarcowy, wystarczy pamiętać, co to jest efekt piezoelektryczny… Wyobraź sobie płytkę niskotemperaturowego kwarcu (dwutlenku krzemu) wyciętą z kryształu w określony sposób.Kąt, pod jakim płytka jest wycinana z kryształu, określa właściwości elektromechaniczne wytwarzanego rezonatora. Elektrody są teraz przymocowane do tej płytki po obu stronach przez osadzanie warstw niklu, platyny, złota lub srebra, a do nich przymocowane są solidne druty. Całość konstrukcji umieszczono w niewielkiej szczelnej obudowie.

W ten sposób otrzymano elektromechaniczny układ oscylacyjny, który ma (ze względu na naturalne właściwości kwarcu niskotemperaturowego) efekt piezoelektryczny i ma własną częstotliwość rezonansową.

Jeśli teraz do elektrod zostanie przyłożone napięcie przemienne, którego częstotliwość jest zbliżona do częstotliwości rezonansowej powstałego układu oscylacyjnego, wówczas płyta zacznie się mechanicznie kurczyć i rozszerzać z maksymalną amplitudą, a ze względu na efekt piezoelektryczny im bliżej częstotliwość przyłożonego napięcia ma rezonans, tym mniejsza będzie rezystancja rezonatora. Jest to analogia rezonatora kwarcowego z obwodem oscylatora wysokiej częstotliwości. Wynik jest zasadniczo analogiczny do obwodu szeregowego LC.

Charakterystyka rezonatora kwarcowego

Rezonator kwarcowy można przedstawić w postaci równoważnego obwodu, w którym C0 jest mocującą pojemnością elektryczną utworzoną przez metalowe uchwyty kabli i elektrody. C1, L i R to pojemność, indukcyjność i rezystancja czynna płytki bezpośrednio z elektrodami, jako analog rzeczywistego obwodu oscylacyjnego uzyskanego dzięki właściwościom elektromechanicznym płytki.

Jeśli wykluczymy z obwodu pojemność montażową C0, to wyraźnie otrzymamy szeregowy obwód oscylacyjny.Jeśli chodzi o oznaczenie rezonatora na schemacie, wygląda to jak kondensator z prostokątem symbolizującym kryształ kwarcu między płytkami.

W procesie montażu i demontażu rezonatorów kwarcowych na płytkach metodą lutowania należy pamiętać, że przegrzanie kwarcu powyżej 573°C jest obarczone utratą właściwości piezoelektrycznych kryształu.