Kvarcni rezonator - struktura, princip rada, kako provjeriti

Suvremena digitalna tehnologija zahtijeva visoku točnost, pa ne čudi što gotovo svaki digitalni uređaj, koji danas ne bi privukao pažnju prosječnog čovjeka, sadrži kvarcni rezonator unutra.

Kvarcni rezonatori za različite frekvencije potrebni su kao pouzdani i stabilni izvori harmoničnih oscilacija kako bi se digitalni mikrokontroler mogao oslanjati na referentnu frekvenciju i raditi s njom u budućnosti tijekom rada digitalnog uređaja. Stoga je kvarčni rezonator pouzdana zamjena za oscilacijski LC krug.

Ako razmotrimo jednostavan oscilatorni krug, koji se sastoji od kondenzator i induktor, brzo postaje jasno da faktor kvalitete takvog kruga u krugu neće prelaziti 300, osim toga, kapacitet kondenzatora će plutati ovisno o temperaturi okoline, isto će se dogoditi i s induktivnošću.

Nije uzalud da kondenzatori i zavojnice imaju takve parametre kao TKE - temperaturni koeficijent kapacitivnosti i TKI - temperaturni koeficijent induktivnosti, što pokazuje koliko se glavni parametri ovih komponenti mijenjaju s njihovom temperaturom.

Za razliku od oscilatornih krugova, rezonatori na bazi kvarca imaju Q faktor nedostižan za oscilatorne krugove, koji se mogu mjeriti vrijednostima od 10 000 do 10 000 000, a temperaturna stabilnost kvarcnih rezonatora ne dolazi u obzir, jer frekvencija ostaje konstantna na bilo kojoj temperaturi, obično iz raspona od - 40 ° C do + 70 ° C.

Zbog visoke stabilnosti temperature i faktora kvalitete, kvarčni rezonatori se svugdje koriste u radiotehnici i digitalnoj elektronici.

Za zadatak mikrokontrolera ili procesora taktna frekvencija, uvijek mu treba satni generator, na koji bi se pouzdano mogao osloniti, a ovom generatoru uvijek je potreban visokofrekventni i visoko precizni. Ovdje dolazi do pomoći kvarcni rezonator. Naravno, u nekim se primjenama ne mogu izostaviti piezoelektrični rezonatori s faktorom kvalitete 1000, a takvi su rezonatori dovoljni za elektroničke igračke i kućne radiopostaje, ali za preciznije uređaje potreban je kvarc.

Osnova kvarcnog rezonatora je piezoelektrični učinaknastaju na kvarcnoj ploči. Kvarc je polimorfna modifikacija silicijevog dioksida SiO2, a nalazi se u prirodi u obliku kristala i šljunka. Slobodni oblik u zemljinoj kremenovoj kori je oko 12%, osim toga, u obliku smjesa, drugi minerali sadrže i kvarc, a općenito više od 60% kvarca u zemljinoj kori (masni udio).

Za stvaranje rezonatora prikladan je kvarc niske temperature s izraženim piezoelektričnim svojstvima. Kemijski je kvarc vrlo stabilan i može se otopiti samo u hidrofluoridnoj kiselini. Kvarc je superiorniji po tvrdoći za opaliranje, ali ne doseže dijamant.

U proizvodnji kvarčne ploče komad se izrezuje iz kvarcnog kristala pod strogo određenim kutom. Ovisno o kutu rezanja, rezultirajuća kvarčna ploča razlikovat će se u svojim elektromehaničkim svojstvima.

Mnogo ovisi o vrsti reza: učestalosti, temperaturnoj stabilnosti, stabilnosti rezonancije i odsutnosti ili prisutnosti lažnih rezonantnih frekvencija. Zatim se na ploču s obje strane nanosi sloj metala, koji može biti nikl, platina, srebro ili zlato, nakon čega se ploča učvršćuje tvrdim žicama na bazu kvarcnog rezonatora. Posljednji korak - kućište je hermetički sastavljeno.

Dakle, dobiva se oscilirajući sustav s vlastitom rezonantnom frekvencijom, a kvarcni rezonator dobiven na ovaj način ima svoju rezonantnu frekvenciju određenu elektromehaničkim parametrima.

Sada, ako se na metalne elektrode plastike primijeni izmjenični napon određene rezonantne frekvencije, pojavit će se rezonantan fenomen, a amplituda harmoničnih oscilacija ploče vrlo će se povećati. U ovom se slučaju otpor rezonatora značajno smanjuje, to jest, postupak je sličan onome što se događa u sekvencijalnom oscilacijskom krugu. Zbog visokog faktora kvalitete takvog "oscilacijskog kruga", gubitak energije tijekom njegovog pobuđivanja na rezonantnoj frekvenciji je zanemariv.

Na ekvivalentnom krugu: C2 je statički električni kapacitet ploča s držačima, L je induktivnost, C1 je kapacitet, R je otpor, koji odražava elektromehanička svojstva ugrađene kvarcne ploče. Ako uklonite montažne elemente, ostat će konzistentni LC krug.

Tijekom ugradnje na tiskanu ploču, kvarčni rezonator se ne može pregrijati, jer je njegov dizajn prilično krhak, a pregrijavanje može dovesti do deformacije elektroda i držača, što će sigurno utjecati na rad rezonatora u gotovom uređaju. Ako se kvarc zagrijava na 5730 ° C, potpuno će izgubiti svoja piezoelektrična svojstva, ali, srećom, nemoguće je grijati element lemilicom na takvu temperaturu.

Oznaka kvarcnog rezonatora u dijagramu slična je oznaci kondenzatora s pravokutnikom između ploča (kvarcna ploča) i s natpisom "ZQ" ili "Z".

Često je uzrok oštećenja kvarcnog rezonatora pad ili jak udar uređaja u koji je ugrađen, a zatim je potrebno zamijeniti rezonator novim s istom rezonantnom frekvencijom. Takva su oštećenja svojstvena uređajima male veličine koji se lako ispuštaju. Međutim, prema statističkim podacima, takva oštećenja kvarcnih rezonatora iznimno su rijetka, a češće neispravnost uređaja nastaje iz drugog razloga.

Da biste provjerili kvarcni rezonator radi ispravnosti, možete sastaviti malu sondu koja će vam pomoći ne samo u provjeri operativnosti rezonatora, već i u pogledu njegove rezonantne frekvencije. Krug sonde je tipični kristalni oscilatorni krug koji koristi jedan tranzistor.

Uključivanjem rezonatora između baze i minus (moguće je preko zaštitnog kondenzatora u slučaju kratkog spoja u rezonatoru) ostaje mjeriti rezonantnu frekvenciju pomoću mjerača frekvencije. Ovaj je krug prikladan i za prethodno podešavanje oscilacijskih krugova.

Kad se strujni krug uključi, radni rezonator će pridonijeti stvaranju oscilacija, a na emiteru tranzistora može se primijeniti naizmjenični napon, čija će frekvencija odgovarati osnovnoj rezonantnoj frekvenciji ispitivanog kvarcnog rezonatora.

Spajanjem mjerača frekvencije na izlaz sonde, korisnik će moći promatrati ovu rezonantnu frekvenciju. Ako je frekvencija stabilna, ako lagano zagrijavanje rezonatora s povišenim lemilicom ne dovodi do snažnog odljeva frekvencije, tada je rezonator u dobrom stanju. Ako nema generacije ili će frekvencija lebdjeti ili će se pokazati da je potpuno drugačija nego što bi trebala biti za testiranu komponentu, tada je rezonator neispravan i treba ga zamijeniti.

Ova je sonda također prikladna za podešavanje oscilacijskih krugova, u ovom slučaju je potreban kondenzator C1, iako se može provjeriti iz kruga prilikom provjere rezonatora. Krug je jednostavno povezan umjesto rezonatora, a krug počinje stvarati oscilacije na sličan način.

Uzornik sastavljen prema zadanom krugu izvrsno djeluje na frekvencijama od 15 do 20 MHz. Za ostale domete, krugove uvijek možete potražiti na Internetu, jer ih ima mnogo, i na diskretnim komponentama i na mikro krugu.