Kwartsresonator - structuur, werkingsprincipe, hoe te controleren

Moderne digitale technologie vereist een hoge nauwkeurigheid, dus het is niet verwonderlijk dat bijna elk digitaal apparaat, dat niet de aandacht van de gemiddelde man zou trekken, binnen een kwartsresonator bevat.

Kwartsresonatoren voor verschillende frequenties zijn nodig als betrouwbare en stabiele bronnen van harmonische oscillaties, zodat de digitale microcontroller op de referentiefrequentie kan vertrouwen en hiermee in de toekomst kan werken tijdens de werking van het digitale apparaat. Aldus is een kwartsresonator een betrouwbare vervanging voor een oscillerend LC-circuit.

Als we een eenvoudig oscillerend circuit beschouwen, bestaande uit condensator en inductor, wordt al snel duidelijk dat de kwaliteitsfactor van een dergelijk circuit in het circuit niet hoger zal zijn dan 300, bovendien zal de condensatorcapaciteit zweven afhankelijk van de omgevingstemperatuur, hetzelfde gebeurt met inductie.

Het is niet voor niets dat condensatoren en spoelen parameters hebben als TKE - temperatuurcoëfficiënt van capaciteit en TKI - temperatuurcoëfficiënt van inductie, waaruit blijkt hoeveel de belangrijkste parameters van deze componenten veranderen met hun temperatuur.

In tegenstelling tot oscillerende circuits hebben op kwarts gebaseerde resonatoren een Q-factor die onbereikbaar is voor oscillerende circuits, die kunnen worden gemeten met waarden van 10.000 tot 10.000.000, en de temperatuurstabiliteit van kwartsresonatoren is uitgesloten, omdat de frequentie constant blijft bij elke temperatuur, meestal in het bereik van - 40 ° C tot + 70 ° C

Vanwege de stabiliteit bij hoge temperaturen en de kwaliteitsfactor worden kwartsresonatoren overal in radiotechniek en digitale elektronica gebruikt.

Voor opdracht microcontroller of processor klokfrequentie, hij heeft altijd een klokgenerator nodig, waarop hij betrouwbaar kon vertrouwen, en deze generator heeft altijd een hoogfrequente en hoge precisie nodig. Hier komt de kwartsresonator te hulp. Natuurlijk kan in sommige toepassingen worden afgezien van piëzo-elektrische resonatoren met een kwaliteitsfactor van 1000, en dergelijke resonatoren zijn voldoende voor elektronisch speelgoed en huishoudelijke radio's, maar kwarts is nodig voor nauwkeurigere apparaten.

De basis van de kwartsresonator is piëzo-elektrisch effectontstaan ​​op een kwartsplaat. Kwarts is een polymorfe modificatie van siliciumdioxide SiO2 en wordt in de natuur gevonden in de vorm van kristallen en kiezelstenen. De vrije vorm in de kwartskorst van de aarde is ongeveer 12%, in de vorm van mengsels bevatten andere mineralen ook kwarts en in het algemeen meer dan 60% kwarts in de aardkorst (massafractie).

Om resonatoren te creëren, is kwarts bij lage temperatuur, dat uitgesproken piëzo-elektrische eigenschappen heeft, geschikt. Chemisch gezien is kwarts zeer stabiel en kan het alleen worden opgelost in hydrofluoridezuur. Kwarts is superieur in hardheid tot opaal, maar bereikt geen diamant.

Bij de vervaardiging van een kwartsplaat wordt een stuk uit een kwartskristal gesneden onder een strikt gespecificeerde hoek. Afhankelijk van de snijhoek zal de resulterende kwartsplaat verschillen in zijn elektromechanische eigenschappen.

Veel hangt af van het type snede: frequentie, temperatuurstabiliteit, resonantiestabiliteit en de afwezigheid of aanwezigheid van valse resonantiefrequenties. Vervolgens wordt aan beide zijden een laag metaal op de plaat aangebracht, die nikkel, platina, zilver of goud kan zijn, waarna de plaat met harde draden aan de basis van de behuizing van de kwartsresonator wordt bevestigd. De laatste stap is het hermetisch monteren van de behuizing.

Aldus wordt een oscillerend systeem met zijn eigen resonantiefrequentie verkregen, en de op deze manier verkregen kwartsresonator heeft zijn eigen resonantiefrequentie bepaald door elektromechanische parameters.

Als nu een wisselspanning van een gegeven resonantiefrequentie op de metalen elektroden van de kunststof wordt aangelegd, zal een resonantiefenomeen optreden en de amplitude van harmonische oscillaties van de plaat zal aanzienlijk toenemen. In dit geval neemt de resonatorweerstand aanzienlijk af, d.w.z. het proces is vergelijkbaar met wat er gebeurt in een sequentieel oscillerend circuit. Vanwege de hoge kwaliteitsfactor van een dergelijk "oscillerend circuit" is het energieverlies tijdens zijn excitatie bij de resonantiefrequentie te verwaarlozen.

Op het equivalente circuit: C2 is de statische elektrische capaciteit van de platen met houders, L is de inductie, C1 is de capaciteit, R is de weerstand en weerspiegelt de elektromechanische eigenschappen van de geïnstalleerde kwartsplaat. Als u de montage-elementen verwijdert, blijft er een consistent LC-circuit over.

Tijdens installatie op een printplaat kan een kwartsresonator niet oververhit raken, omdat het ontwerp vrij breekbaar is en oververhitting kan leiden tot vervorming van de elektroden en houder, wat zeker de werking van de resonator in het voltooide apparaat zal beïnvloeden. Als kwarts wordt verwarmd tot 5730 ° C, verliest het zijn piëzo-elektrische eigenschappen volledig, maar gelukkig is het onmogelijk om een ​​element met een soldeerbout tot een dergelijke temperatuur te verwarmen.

De aanduiding van de kwartsresonator in het diagram is vergelijkbaar met de aanduiding van een condensator met een rechthoek tussen de platen (kwartsplaat) en met het opschrift "ZQ" of "Z".

Vaak is de oorzaak van schade aan de kwartsresonator een val of een sterke impact van het apparaat waarin deze is geïnstalleerd, en dan is het noodzakelijk om de resonator te vervangen door een nieuwe met dezelfde resonantiefrequentie. Dergelijke schade is inherent aan kleine apparaten die gemakkelijk kunnen worden neergezet. Volgens statistieken is dergelijke schade aan kwartsresonatoren echter uiterst zeldzaam en vaker wordt de storing van het apparaat veroorzaakt door een andere reden.

Om de kwartsresonator te controleren op bruikbaarheid, kunt u een kleine sonde samenstellen die niet alleen zal helpen om de werking van de resonator te verifiëren, maar ook om de resonantiefrequentie te zien. Het sondecircuit is een typisch kristaloscillatorcircuit dat een enkele transistor gebruikt.

Door het inschakelen van de resonator tussen de basis en de min (het is mogelijk door een beschermende condensator in het geval van een kortsluiting in de resonator), blijft het de resonantiefrequentie meten met een frequentiemeter. Dit circuit is ook geschikt voor het vooraf instellen van de oscillerende circuits.

Wanneer het circuit wordt ingeschakeld, zal een gezonde resonator bijdragen aan het genereren van oscillaties en kan een wisselspanning worden waargenomen op de emitter van de transistor, waarvan de frequentie overeenkomt met de fundamentele resonantiefrequentie van de geteste kwartsresonator.

Door een frequentiemeter op de sonde-uitgang aan te sluiten, kan de gebruiker deze resonantiefrequentie waarnemen. Als de frequentie stabiel is, als een lichte verwarming van de resonator met een verhoogde soldeerbout niet leidt tot een sterke drift van de frequentie, dan is de resonator in goede staat. Als er geen generatie is, of de frequentie zweeft, of het zal compleet anders blijken te zijn dan het zou moeten zijn voor de geteste component, dan is de resonator defect en moet deze worden vervangen.

Deze sonde is ook handig voor het vooraf instellen van de oscillerende circuits, in dit geval is de condensator C1 vereist, hoewel deze kan worden uitgesloten van het circuit bij het controleren van de resonatoren. Het circuit is eenvoudig verbonden in plaats van de resonator en het circuit begint op een vergelijkbare manier oscillaties te genereren.

De sampler samengesteld volgens het gegeven circuit werkt wonderwel bij frequenties van 15 tot 20 MHz. Voor andere bereiken kunt u altijd zoeken naar circuits op internet, omdat er veel zijn, zowel op afzonderlijke componenten als op een microschakeling.