Kvarc rezonátor - felépítés, működési elv, ellenőrzés módja

A modern digitális technológia nagy pontosságot igényel, tehát nem meglepő, hogy szinte minden olyan digitális eszköz, amely ma nem vonzza a laikus ember figyelmét, kvarc rezonátort tartalmaz.

Kvarc rezonátorok különféle frekvenciákra szükségesek, mint megbízható és stabil harmonikus rezgések forrásai, hogy a digitális mikrovezérlő támaszkodhasson a referenciafrekvenciára, és a digitális eszköz működése közben a jövőben vele működhessen. Így a kvarc rezonátor megbízható helyettesíti az oszcilláló LC áramkört.

Ha egy egyszerű oszcillációs áramkört tekintünk, amely: kondenzátor és induktor, akkor gyorsan világossá válik, hogy egy ilyen áramkör minőségi tényezője az áramkörben nem haladja meg a 300-at, emellett a kondenzátor kapacitása a környezeti hőmérséklettől függően lebeg, ugyanez történik az induktivitással.

Nem hiába, hogy a kondenzátorok és tekercsek olyan paraméterekkel rendelkeznek, mint a TKE - a kapacitási hőmérsékleti együttható és a TKI - az induktivitás hőmérsékleti együtthatója, amely megmutatja, hogy ezen komponensek fő paraméterei mennyiben változnak hőmérsékletükkel.

Az oszcillációs áramköröktől eltérően, a kvarc alapú rezonátoroknak az oszcillációs áramköröknél elérhetetlen minőségi tényezője van, amely 10 000 és 10 000 000 közötti értékkel mérhető, és a kvarc rezonátorok hőmérsékleti stabilitása nem kérdéses, mert a frekvencia bármilyen hőmérsékleten állandó, általában - 40 ° C és + 70 ° C között.

Tehát a magas hőmérsékleti stabilitás és a minőségi tényező miatt a kvarc rezonátorokat mindenütt használják a rádiótechnikában és a digitális elektronikában.

Feladathoz mikrovezérlő vagy processzor órafrekvencia, mindig szüksége van egy óragenerátorra, amelyre megbízhatóan támaszkodhatott, és ennek a generátornak mindig magas frekvenciára és ugyanakkor nagy pontosságra van szüksége. Itt a kvarc rezonátor ment meg. Természetesen egyes alkalmazásokban el lehet hagyni az 1000-es minõségi tényezõjû piezoelektromos rezonátorokat, amelyek elegendõek az elektronikus játékokhoz és a háztartási rádiókhoz, de a kvarcra van szükség a pontosabb eszközökhöz.

A kvarc rezonátor alapja piezoelektromos hatásamely kvarclapon keletkezik. A kvarc a szilícium-dioxid SiO2 polimorf módosítása, és a természetben kristályok és kavicsok formájában található meg. A szabad forma a föld kvarckéregében körülbelül 12%, emellett keverékek formájában más ásványi anyagok is tartalmaz kvarcot, és általában több mint 60% kvarcot a földkéregben (tömegfrakció).

Rezonátorok létrehozásához megfelelő, kifejezetten piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező alacsony hőmérsékletű kvarc. Kémiai szempontból a kvarc nagyon stabil, és csak hidrofluorid-savban oldható fel. A kvarc keményebb, mint az opál, de nem éri el a gyémántot.

Kvarclemez gyártásakor egy darabot kvarckristályból vágnak szigorúan meghatározott szögben. A vágási szögtől függően a kapott kvarclap elektromechanikai tulajdonságai között különbözik.

Nagyon függ a vágás típusától: frekvencia, hőmérsékleti stabilitás, rezonanciastabilitás és a hamis rezonanciafrekvenciák hiánya vagy jelenléte. Ezután a lemezre mindkét oldalán fémréteget hordoznak, amely lehet nikkel, platina, ezüst vagy arany, ezután a lemezt kemény huzalokkal rögzítik a kvarc rezonátor házának aljához. Az utolsó lépés - a tok hermetikusan van összeszerelve.

Ily módon egy rezgő frekvenciájú oszcillációs rendszert kapunk, és az így kapott kvarc rezonátor rendelkezik saját rezonancia frekvenciájával, amelyet az elektromechanikai paraméterek határoznak meg.

Ha egy adott rezonanciafrekvencia váltakozó feszültséget alkalmaznak a műanyag fém elektródjaira, akkor rezonancia jelenség lép fel, és a lemez harmonikus rezgéseinek amplitúdója jelentősen növekszik. Ebben az esetben a rezonátor ellenállása jelentősen csökken, vagyis a folyamat hasonló ahhoz, ami egy soros oszcillációs áramkörben zajlik. Az ilyen "oszcilláló áramkör" magas minőségi tényezője miatt az energiaveszteség rezonancia frekvenciájú gerjesztése során elhanyagolható.

Az egyenértékű áramkörön: C2 a tartókkal ellátott lemezek statikus elektromos kapacitása, L az induktivitás, C1 a kapacitás, R az ellenállás, tükrözve a beépített kvarclemez elektromechanikai tulajdonságait. Ha eltávolítja a szerelőelemeket, akkor állandó LC áramkör marad fenn.

A nyomtatott áramköri lapra történő telepítés során a kvarc-rezonátor nem melegszik túl, mivel a szerkezete meglehetősen törékeny, és a túlmelegedés az elektródák és a tartó deformációjához vezethet, ami minden bizonnyal befolyásolja a kész eszköz rezonátorának működését. Ha a kvarcot 5730 ° C-ra hevítik, akkor teljesen elveszíti piezoelektromos tulajdonságait, de szerencsére lehetetlen egy forrasztópáka segítségével ilyen hőmérsékletet melegíteni.

A kvarc rezonátor jelölése az ábrán hasonló egy olyan kondenzátor jelöléséhez, amelynek téglalapja van a lemezek között (kvarclap), és a "ZQ" vagy "Z" felirattal rendelkezik.

A kvarc-rezonátor károsodásának oka gyakran annak a készüléknek a zuhanása vagy erőteljes ütése, amelybe be van építve, majd a rezonátort egy újra kell cserélni, azonos rezonancia-frekvenciával. Az ilyen károsodás a kis méretű eszközökön rejlik, amelyek könnyen leeshetők. A statisztikák szerint azonban a kvarc rezonátorok ilyen károsodása rendkívül ritka, és a készülék hibás működését gyakran egy másik ok okozza.

A kvarc rezonátor működőképességének ellenőrzéséhez összeállíthat egy kis szondát, amely nemcsak a rezonátor működőképességének ellenőrzésére, hanem a rezonancia frekvenciájának ellenőrzésére is szolgál. A szondaáramkör egy tipikus kristályoszcillátoráramkör egyetlen tranzisztorral.

A rezonátor bekapcsolásával az alap és a mínusz között (védőkondenzátoron keresztül lehetséges a rezonátor rövidzárlata esetén) meg kell mérni a rezonancia frekvenciáját egy frekvenciamérővel. Ez az áramkör az oszcillációs áramkörök előzetes beállítására is alkalmas.

Az áramkör bekapcsolásakor az egészséges rezonátor hozzájárul az oszcillációk generálásához, és a tranzisztor emitterén váltakozó feszültség figyelhető meg, amelynek frekvenciája megfelel a vizsgált kvarc rezonátor alapvető rezonancia frekvenciájának.

Ha egy frekvenciamérőt csatlakoztat a szonda kimenetéhez, akkor a felhasználó megfigyelheti ezt a rezonancia frekvenciát. Ha a frekvencia stabil, ha a rezonátor enyhe melegítése emelt forrasztópáccal nem eredményezi a frekvencia erőteljes eltolódását, akkor a rezonátor jó állapotban van. Ha nincs generáció, vagy a frekvencia lebeg, vagy teljesen eltérőnek bizonyul, mint amilyennek lennie kellene a tesztelt alkatrésznél, akkor a rezonátor hibás, és ki kell cserélni.

Ez a szonda az oszcillációs áramkörök előzetes beállítására is alkalmas, ebben az esetben a C1 kondenzátorra van szükség, bár a rezonátorok ellenőrzésekor ki lehet zárni az áramkörből. Az áramkört egyszerűen csak a rezonátor helyett csatlakoztatják, és az áramkör hasonló módon kezdi generálni az oszcillációkat.

Az adott áramkör szerint összeállított mintavevő csodálatosan működik 15-20 MHz frekvencián. Más tartományoknál mindig meg lehet keresni az áramköreket az interneten, mivel sok ilyen van, mind diszkrét komponenseken, mind pedig egy mikroáramkörön.