Resonador de cuarzo: estructura, principio de funcionamiento, cómo verificar

La tecnología digital moderna requiere una alta precisión, por lo que no es sorprendente que casi cualquier dispositivo digital, que hoy no llamaría la atención del hombre promedio, contenga un resonador de cuarzo en su interior.

Los resonadores de cuarzo para varias frecuencias son necesarios como fuentes confiables y estables de oscilaciones armónicas, para que el microcontrolador digital pueda confiar en la frecuencia de referencia y operar con ella en el futuro, durante la operación del dispositivo digital. Por lo tanto, un resonador de cuarzo es un reemplazo confiable para un circuito LC oscilatorio.

Si consideramos un circuito oscilatorio simple, que consiste en condensador y inductor, rápidamente queda claro que el factor de calidad de dicho circuito en el circuito no excederá de 300, además, la capacitancia del condensador flotará dependiendo de la temperatura ambiente, lo mismo ocurrirá con la inductancia.

No es por nada que los condensadores y las bobinas tienen parámetros tales como TKE - coeficiente de capacitancia de temperatura y TKI - coeficiente de inductancia de temperatura, que muestra cuánto cambian los parámetros principales de estos componentes con su temperatura.

A diferencia de los circuitos oscilatorios, los resonadores basados ​​en cuarzo tienen un factor Q inalcanzable para los circuitos oscilatorios, que se puede medir con valores de 10,000 a 10,000,000, y la estabilidad de temperatura de los resonadores de cuarzo está fuera de discusión, porque la frecuencia permanece constante a cualquier temperatura, generalmente desde el rango de - 40 ° C a + 70 ° C.

Por lo tanto, debido a la estabilidad a altas temperaturas y al factor de calidad, los resonadores de cuarzo se usan en todas partes en ingeniería de radio y electrónica digital.

Para la asignación microcontrolador o procesador frecuencia de reloj, siempre necesita un generador de reloj, en el que pueda confiar de manera confiable, y este generador siempre necesita uno de alta frecuencia y alta precisión. Aquí el resonador de cuarzo viene al rescate. Por supuesto, en algunas aplicaciones, se puede prescindir de los resonadores piezoeléctricos con un factor de calidad de 1000, y tales resonadores son suficientes para juguetes electrónicos y radios domésticos, pero se necesita cuarzo para dispositivos más precisos.

La base del resonador de cuarzo es efecto piezoeléctricosurgiendo en una placa de cuarzo. El cuarzo es una modificación polimórfica del dióxido de silicio SiO2, y se encuentra en la naturaleza en forma de cristales y guijarros. La forma libre en la corteza terrestre de cuarzo es de aproximadamente el 12%, además, en forma de mezclas, otros minerales también contienen cuarzo, y en general más del 60% de cuarzo en la corteza terrestre (fracción de masa).

Para crear resonadores, es adecuado el cuarzo a baja temperatura, que tiene propiedades piezoeléctricas pronunciadas. Químicamente, el cuarzo es muy estable y solo se puede disolver en ácido fluorhídrico. El cuarzo es superior en dureza al ópalo, pero no alcanza el diamante.

En la fabricación de una placa de cuarzo, se corta una pieza de un cristal de cuarzo en un ángulo estrictamente especificado. Dependiendo del ángulo de corte, la placa de cuarzo resultante diferirá en sus propiedades electromecánicas.

Mucho depende del tipo de corte: frecuencia, estabilidad de temperatura, estabilidad de resonancia y la ausencia o presencia de frecuencias resonantes espurias. Luego, se aplica una capa de metal a la placa en ambos lados, que puede ser níquel, platino, plata u oro, después de lo cual la placa se fija con cables duros a la base de la caja del resonador de cuarzo. El último paso: el caso está montado herméticamente.

Por lo tanto, se obtiene un sistema oscilatorio con su propia frecuencia de resonancia, y el resonador de cuarzo obtenido de esta manera tiene su propia frecuencia de resonancia determinada por parámetros electromecánicos.

Ahora, si se aplica un voltaje alterno de una frecuencia resonante dada a los electrodos metálicos del plástico, aparecerá un fenómeno de resonancia, y la amplitud de las oscilaciones armónicas de la placa aumentará de manera muy significativa. En este caso, la resistencia del resonador disminuye significativamente, es decir, el proceso es similar a lo que sucede en un circuito oscilatorio secuencial. Debido al factor de alta calidad de tal "circuito oscilatorio", la pérdida de energía durante su excitación a la frecuencia de resonancia es insignificante.

En un circuito equivalente: C2 es la capacidad eléctrica estática de las placas con soportes, L es la inductancia, C1 es la capacitancia, R es la resistencia, lo que refleja las propiedades electromecánicas de la placa de cuarzo instalada. Si retira los elementos de montaje, queda un circuito LC constante.

Durante la instalación en una placa de circuito impreso, un resonador de cuarzo no se puede sobrecalentar, porque su diseño es bastante frágil, y el sobrecalentamiento puede provocar la deformación de los electrodos y el soporte, lo que sin duda afectará el funcionamiento del resonador en el dispositivo terminado. Si el cuarzo se calienta a 5730 ° C, perderá por completo sus propiedades piezoeléctricas, pero, afortunadamente, es imposible calentar un elemento con un soldador a tal temperatura.

La designación del resonador de cuarzo en el diagrama es similar a la designación de un condensador con un rectángulo entre las placas (placa de cuarzo) y con la inscripción "ZQ" o "Z".

A menudo, la causa del daño al resonador de cuarzo es una caída o un fuerte impacto del dispositivo en el que está instalado, y luego es necesario reemplazar el resonador por uno nuevo con la misma frecuencia de resonancia. Tal daño es inherente a los dispositivos de pequeño tamaño que son fáciles de colocar. Sin embargo, según las estadísticas, dicho daño a los resonadores de cuarzo es extremadamente raro, y con mayor frecuencia el mal funcionamiento del dispositivo es causado por una razón diferente.

Para verificar la capacidad de servicio del resonador de cuarzo, puede ensamblar una pequeña sonda que ayudará no solo a verificar la operabilidad del resonador, sino también a ver su frecuencia de resonancia. El circuito de la sonda es un circuito oscilador de cristal típico que utiliza un solo transistor.

Al encender el resonador entre la base y el signo negativo (es posible a través de un condensador protector en caso de cortocircuito en el resonador), queda por medir la frecuencia de resonancia con un medidor de frecuencia. Este circuito también es adecuado para preestablecer los circuitos oscilatorios.

Cuando se enciende el circuito, un resonador sano contribuirá a la generación de oscilaciones, y se puede observar un voltaje alterno en el emisor del transistor, cuya frecuencia corresponderá a la frecuencia resonante fundamental del resonador de cuarzo probado.

Al conectar un medidor de frecuencia a la salida de la sonda, el usuario podrá observar esta frecuencia resonante. Si la frecuencia es estable, si un ligero calentamiento del resonador con un soldador elevado no conduce a una fuerte deriva de la frecuencia, entonces el resonador está en buenas condiciones. Si no hay generación, o la frecuencia flotará, o resultará ser completamente diferente de lo que debería ser para el componente probado, entonces el resonador está defectuoso y debe reemplazarse.

Esta sonda también es conveniente para preajustar los circuitos oscilatorios, en este caso se requiere el condensador C1, aunque puede excluirse del circuito al verificar los resonadores. El circuito simplemente está conectado en lugar del resonador, y el circuito comienza a generar oscilaciones de manera similar.

El muestreador ensamblado de acuerdo con el circuito dado funciona maravillosamente a frecuencias de 15 a 20 MHz. Para otros rangos, siempre puede buscar circuitos en Internet, ya que hay muchos de ellos, tanto en componentes discretos como en un microcircuito.