Křemenný rezonátor - struktura, princip činnosti, jak zkontrolovat

Moderní digitální technologie vyžaduje vysokou přesnost, takže není divu, že téměř každé digitální zařízení, které by laika dnes nepřitahovalo, obsahuje uvnitř křemíkový rezonátor.

Jako spolehlivé a stabilní zdroje harmonických kmitů jsou nezbytné křemíkové rezonátory pro různé kmitočty, aby se digitální mikrokontrolér mohl spolehnout na referenční kmitočet a pracovat s ním v budoucnu během provozu digitálního zařízení. Proto je křemenný rezonátor spolehlivou náhradou za oscilační LC obvod.

Pokud vezmeme v úvahu jednoduchý oscilační obvod, sestávající z kondenzátor a induktor, pak je rychle zřejmé, že jakostní faktor takového obvodu v obvodu nepřesáhne 300, navíc kondenzátor kondenzátoru vznáší v závislosti na okolní teplotě, totéž se stane s indukčností.

Není to nic za to, že kondenzátory a cívky mají takové parametry jako TKE - teplotní koeficient kapacity a TKI - teplotní koeficient indukčnosti, což ukazuje, jak se hlavní parametry těchto složek mění s jejich teplotou.

Na rozdíl od oscilačních obvodů mají rezonátory na bázi křemene Q faktor nedosažitelný pro oscilační obvody, které lze měřit hodnotami 10 000 až 10 000 000, a teplotní stabilita křemenných rezonátorů není vyloučena, protože frekvence zůstává konstantní při jakékoli teplotě, obvykle v rozmezí od - 40 ° C až + 70 ° C

Kvůli vysoké teplotní stabilitě a kvalitativním faktorům se tedy křemenné rezonátory používají všude v radiotechnice a digitální elektronice.

Pro zadání mikrokontrolér nebo procesor frekvence hodin, vždy potřebuje hodinový generátor, na který by se mohl spolehlivě spolehnout, a tento generátor vždy potřebuje vysokofrekvenční a zároveň vysokou přesnost. Zde přichází na záchranu křemenný rezonátor. V některých aplikacích je samozřejmě možné upustit od piezoelektrických rezonátorů s faktorem kvality 1000 a takové rezonátory jsou dostatečné pro elektronické hračky a domácí rádia, ale pro přesnější zařízení je třeba křemen.

Základem křemenného rezonátoru je piezoelektrický efektvznikající na křemenné desce. Křemen je polymorfní modifikace oxidu křemičitého Si02 a nachází se v přírodě ve formě krystalů a oblázků. Volná forma v křemenné kůře na Zemi je asi 12%, navíc je křemen také obsažen ve směsích jiných minerálů a obecně více než 60% křemene v zemské kůře (hmotnostní zlomek).

Pro vytvoření rezonátorů je vhodný nízkoteplotní křemen s výraznými piezoelektrickými vlastnostmi. Chemicky je křemen velmi stabilní a lze jej rozpustit pouze v kyselině fluorovodíkové. Křemen má vyšší tvrdost než opál, ale nedosahuje diamantu.

Při výrobě křemenné desky je kus vyříznut z křemenného krystalu pod přesně stanoveným úhlem. V závislosti na úhlu řezu se výsledná křemenná deska bude lišit svými elektromechanickými vlastnostmi.

Hodně záleží na typu řezu: frekvence, teplotní stabilita, rezonanční stabilita a nepřítomnost nebo přítomnost rušivých rezonančních frekvencí. Poté je na desku nanesena vrstva kovu na obou stranách, což může být nikl, platina, stříbro nebo zlato, a poté je deska připevněna tvrdými dráty k základně pouzdra křemenného rezonátoru. Poslední krok - případ je hermeticky smontován.

Takto se získá oscilační systém s vlastní rezonanční frekvencí a takto získaný rezonátor křemene má svou vlastní rezonanční frekvenci určenou elektromechanickými parametry.

Nyní, když je na kovové elektrody plastu přivedeno střídavé napětí dané rezonanční frekvence, objeví se rezonanční jev a amplituda harmonických kmitů desky se výrazně zvýší. V tomto případě rezonátorový odpor výrazně klesá, to znamená, že proces je podobný tomu, co se děje v sekvenčním oscilačním obvodu. Vzhledem k vysokému faktoru kvality takového „oscilačního obvodu“ je ztráta energie během jeho buzení na rezonanční frekvenci zanedbatelná.

Na ekvivalentním obvodu: C2 je statická elektrická kapacita desek s držáky, L je indukčnost, C1 je kapacita, R je odpor, což odráží elektromechanické vlastnosti instalované křemenné desky. Pokud odstraníte montážní prvky, zůstane konzistentní obvod LC.

Během instalace na desku s plošnými spoji nelze křemenný rezonátor přehřát, protože jeho konstrukce je velmi křehká, a přehřátí může vést k deformaci elektrod a držáku, což jistě ovlivní činnost rezonátoru v hotovém zařízení. Pokud se křemen zahřeje na 5730 ° C, zcela ztratí své piezoelektrické vlastnosti, ale naštěstí je nemožné zahřát prvek s páječkou na takovou teplotu.

Označení křemenného rezonátoru v diagramu je podobné označení kondenzátoru s obdélníkem mezi deskami (křemenná deska) a nápisem „ZQ“ nebo „Z“.

Příčinou poškození křemenného rezonátoru je často pád nebo silný náraz zařízení, ve kterém je nainstalován, a pak je nutné nahradit rezonátor novým za stejný se stejnou rezonanční frekvencí. Takové poškození je spojeno s malými zařízeními, která lze snadno upustit. Podle statistik je však takové poškození křemenných rezonátorů mimořádně vzácné a častěji je porucha zařízení způsobena jiným důvodem.

Pro kontrolu použitelnosti křemíkového rezonátoru můžete sestavit malou sondu, která pomůže nejen ověřit funkčnost rezonátoru, ale také zjistit jeho rezonanční frekvenci. Sondový obvod je typický krystalový oscilátorový obvod používající jediný tranzistor.

Zapnutím rezonátoru mezi základnou a mínusem (v případě zkratu v rezonátoru je možné ochranným kondenzátorem) zbývá změřit rezonanční frekvenci pomocí měřiče frekvence. Tento obvod je také vhodný pro přednastavení oscilačních obvodů.

Když je obvod zapnutý, zdravý rezonátor přispěje ke generování kmitů a na emitoru tranzistoru lze pozorovat střídavé napětí, jehož frekvence bude odpovídat základní rezonanční frekvenci testovaného křemenného rezonátoru.

Připojením měřiče frekvence k výstupu sondy bude uživatel schopen sledovat tuto rezonanční frekvenci. Pokud je frekvence stabilní, pokud mírné zahřívání rezonátoru se zvýšenou páječkou nevede k výraznému posunu frekvence, je rezonátor v dobrém stavu. Pokud nedochází k žádné generaci, nebo bude kmitočet plavat, nebo se ukáže, že je úplně jiná, než by měla být pro testovanou součást, rezonátor je vadný a měl by být vyměněn.

Tato sonda je také vhodná pro přednastavení oscilačních obvodů, v tomto případě je vyžadován kondenzátor C1, i když může být vyloučen z obvodu při kontrole rezonátorů. Okruh je jednoduše připojen místo rezonátoru a obvod začíná generovat oscilace podobným způsobem.

Vzorkovač sestavený podle daného obvodu pracuje skvěle na frekvencích od 15 do 20 MHz. Pro jiné rozsahy můžete vždy hledat obvody na internetu, protože je jich mnoho, a to jak na diskrétních součástkách, tak na mikroobvodech.