Кварцевый резонатор для чего нужен

Для чего нужны кварцевые резонаторы

Современная цифровая электроника, изобилующая микропроцессорами и микроконтроллерами, просто немыслима без тактовых колебаний. А где получение тактовых колебаний — там функционирование генератора и колебательной системы, и где колебательная система — там обязательно проявляют себя и явление резонанса и такой важный параметр как добротность. Здесь то и знакомимся мы с кварцевыми резонаторами.

Кварцевый резонатор в электронной схеме выступает непревзойденной альтернативой любому колебательному контуру, состоящему из конденсатора и катушки индуктивности. Суть в высочайшей добротности кварцевых резонаторов. Тогда как хороший LC-контур достигает добротности 300, добротность кварцевого резонатора может доходить до 10000000. Как видим, превосходство составляет десятки тысяч раз. Таким образом, ни один колебательный контур не сравнится с кварцевым резонатором по добротности.

Что и говорить о влиянии температуры на резонансную частоту. Резонансная частота того же колебательного контура сильно зависит от ТКЕ (температурного коэффициента емкости) входящего в него конденсатора. Кварц же обладает очень высокой температурной стабильностью, именно по этой причине кварцевые резонаторы прочно удерживают свои позиции в роли источников колебаний для генераторов тактовой частоты различного назначения.

Как работает кварцевый резонатор

Чтобы понять как устроен и работает кварцевый резонатор, достаточно вспомнить о том, что такое пьезоэлектрический эффект. Представьте себе пластинку низкотемпературного кварца (диоксид кремния), вырезанную из кристалла определенным образом. То, под каким углом данная пластинка вырезана из кристалла, определяет электромеханические свойства изготавливаемого резонатора. Теперь на эту пластинку с двух сторон прикрепляют электроды, путем нанесения слоев никеля, платины, золота или серебра, а к ним присоединяют жесткие проволочные выводы. Всю конструкцию помещают в небольшой герметичный корпус.

Итак, получилась электромеханическая колебательная система, обладающая (благодаря природным особенностям низкотемпературного кварца) пьезоэлектрическим эффектом, и имеющая собственную резонансную частоту.

Если теперь на электроды подать переменное напряжение, частота которого близка к резонансной частоте полученной колебательной системы, то пластинка начнет механически сжиматься-расширяться с максимальной амплитудой, причем благодаря пьезоэлектрическому эффекту, чем ближе частота прикладываемого напряжения к резонансу — тем меньше будет сопротивление резонатора. В этом и заключается сходство кварцевого резонатора с высокодобротным колебательным контуром. Получился по сути аналог последовательного LC-контура.

Особенности кварцевого резонатора

Кварцевый резонатор можно представить в виде эквивалентной схемы, в которой C0-это монтажная электроемкость, образуемая металлическими выводами-держателями и электродами. C1, L и R – это емкость, индуктивность и активное сопротивление непосредственно пластинки с электродами, как аналога реального колебательного контура, получаемого за счет электромеханических свойств пластинки.

Если исключить из схемы монтажную емкость C0, то получится в явном виде последовательный колебательный контур. Что же касается обозначения резонатора на схеме, то он похож на конденсатор с прямоугольником, символизирующим кристалл кварца, между обкладками.

В процессе монтажа и демонтажа кварцевых резонаторов на платы путем пайки, следует помнить, что перегрев кварца выше 573°C чреват утратой кристаллом пьезоэлектрических свойств.

Что такое кварц

На самом деле, кварц – это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц также состоит из кремния но в связке с кислородом. Его формула SiO2.

Выглядит он примерно вот так:

Ну прямо сокровище какое-то!

Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике…

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы.

Читайте также:  Как растет манго в природе фото

Существует также и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем деформировать эти кристаллы. Невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.

ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, прижать такой кристалл и всю жизнь получать из него энергию? Побрейтесь). Кстати, пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам и из него можно получить ЭДС. Ниже на видео светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю. Когда мы давим на пьезоизлучатель, вырабатывается ЭДС, которая и зажигает маленький светодиод:

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия))).

Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

Кварцевый резонатор

Резонатор – (от лат. resono – звучу в ответ, откликаюсь) – это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто “кварц”, – это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:

Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе:

Итак, что мы тут видим? Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы самого кварца.

В маленьких кварцах типа этих

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 Мегагерц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 Мегагерц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Что такое обертоны

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F. Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее.

Обозначение кварца на схеме

Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора:

Читайте также:  Как удалить фото из избранных

Принцип работы кварца

Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет “частоты, указанной на нем”, я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения – увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ) Ага).

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

С – это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.

С1 – это динамическая емкость самого кристалла. Динамическая – это значит проявляется при работе кварца. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто – это 10 -15 !

L1 – это динамическая индуктивность кристалла. Она может достигать несколько тысяч Генри!

R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КилоОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

Принцип работы кварцевого резонатора такой: если к обкладкам кварцевого резонатора подвести переменное напряжение, то его пластинка начнет колебаться с частотой подведенного напряжения. Если подведенная частота будет совпадать с собственной резонансной частотой колебания кварца, то наступит резонанс. Напряжение на обкладка кварца резко возрастает. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью.

Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 Мегагерц. В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.

И запомните раз и навсегда:

Также рекомендую к прочтению продолжение статьи, которая называется кварцевый генератор.

Кварцевый резонатор является электронным прибором, построенным на пьезоэффекте, а также механическом резонансе. Применяется радиостанциями, где задает несущую частоту, в часах и таймерах, фиксируя в них интервал в 1 секунду.

Что это такое, и зачем он нужен

Прибор является источником, обеспечивающим гармонические колебания высокой точности. Имеет, при сравнении с аналогами, большую эффективность работы, стабильные параметры.

Первые образцы современных устройств появились на радиостанциях в 1920-1930 гг. как элементы, имеющие стабильную работу, способные задавать несущую частоту. Они:

  • пришли на смену кристальным резонаторам, работавшим на сегнетовой соли, появившимся в 1917 в результате изобретения Александра М. Николсона и отличавшимся нестабильностью;
  • заменили использовавшуюся ранее схему с катушкой и конденсатором, которая не отличалась большой добротностью (до 300) и зависела от температурных изменений.

Чуть позже кварцевые резонаторы стали составной частью таймеров, часов. Электронные компоненты с собственной резонансной частотой 32768 Гц, которая в двоичном 15-разрядном счетчике задает временной промежуток равный 1 секунде.

Приборы используются сегодня в:

  • кварцевых часах, обеспечивая им точность работы независимо от температуры окружающей среды;
  • измерительных приборах, гарантируя им высокую точность показателей;
  • морских эхолотах, которые применяются при исследованиях и создании карт дна, фиксации рифов, отмелей, поиска объектов, находящихся в воде;
  • схемах, соответствующих опорным генераторам, синтезирующим частоты;
  • схемах, применяемых при волновом указании SSB или сигнала телеграфа;
  • радиостанциях с DSB-сигналом с промежуточной частотой;
  • полосовых фильтрах приемников супергетеродинного типа, которые более стабильны и добротны, чем LC-фильтры.
Читайте также:  Как сделать дробилку для резины

Устройства изготавливаются с разными корпусами. Делятся на выводные, применяемые в объемном монтаже, и SMD, используемые в поверхностном монтаже.

Их работа зависит от надежности схемы включения, влияющей на:

  • отклонение частоты от необходимого значения, стабильность параметра;
  • темп старения прибора;
  • нагрузочную емкость.

Свойства кварцевого резонатора

Превосходит ранее существовавшие аналоги, что делает прибор незаменимым во многих электронных схемах и объясняет сферу использования устройства. Это подтверждается тем, что за первое десятилетие с момента изобретения в США (не считая другие страны) выпущено больше 100 тыс. штук приборов.

Среди положительных свойств кварцевых резонаторов, объясняющих популярность, востребованность устройств:

  • хорошая добротность, значения которой – 104-106 – превышают параметры ранее использовавшихся аналогов (имеют добротность 300);
  • небольшие габариты, которые могут измеряться долями миллиметра;
  • устойчивость к температуре, ее колебаниям;
  • долгий срок службы;
  • простота изготовления;
  • возможность построения каскадных фильтров высокого качества без использования ручной настройки.

Кварцевые резонаторы имеют и недостатки:

  • внешние элементы позволяют подстраивать частоту в узком диапазоне;
  • обладают хрупкой конструкцией;
  • не переносят чрезмерного нагрева.

Принцип работы кварцевого резонатора

Работает прибор на основе пьезоэффекта, проявляющегося на пластинке из кварца, причем низкотемпературного. Элемент вырезают из цельного кристалла кварца, соблюдая задаваемый угол. Последний определяет электрохимические параметры резонатора.

Пластинки с обеих сторон покрывают слоем серебра (подходит платина, никель, золото). Затем их прочно фиксируют в корпусе, который герметизируется. Устройство представляет колебательную систему, которая обладает собственной резонансной частотой.

Когда электроды подвергаются переменному напряжению, пластинка из кварца, обладающая пьезоэлектрическим свойством, изгибается, сжимается, сдвигается (зависит от типа обработки кристалла). Одновременно в ней появляется противо-ЭДС, как это происходит в катушке индуктивности, находящейся в колебательном контуре.

Когда подается напряжение с частотой, совпадающей с собственными колебаниями пластинки, то в устройстве наблюдается резонанс. Одновременно:

  • у элемента из кварца увеличивается амплитуда колебаний;
  • сильно уменьшается сопротивления резонатора.

Энергия, которая необходима для поддержания колебаний, в случае равенства частот низкая.

Обозначение кварцевого резонатора на электрической схеме

Прибор обозначается аналогично конденсатору. Отличие: между вертикальными отрезками помещен прямоугольник – символ пластинки, изготовленной из кварцевого кристалла. Боковые стороны прямоугольника и обкладки конденсатора разделяет зазор. Рядом на схеме может присутствовать буквенное обозначение прибора – QX.

Как проверить кварцевый резонатор

Проблемы с небольшими приборами возникают, если они получают сильный удар. Такое происходит при падении устройств, содержащих в конструкции резонаторы. Последние выходят со строя и требуют замены по тем же параметрам.

Проверка резонатора на работоспособность требует наличия тестера. Его собирают по схеме на основе транзистора КТ3102, 5 конденсаторов и 2 резисторов (устройство подобно кварцевому генератору, собранному на транзисторе).

Прибор необходимо в подключаемых соединениях, подключениях подключить к базе транзистора и отрицательному полюсу, защищая установкой защитного конденсатора. Питание схемы включения постоянное – 9В. Плюс подключают на вход транзистора, к его выходу – через конденсатор – частотомер, который фиксирует частотные параметры резонатора.

Схемой пользуются при настройке контура колебаний. Когда резонатор исправный, он при подключении выдает колебания, которые приводят к появлению переменного напряжения на эмиттере транзистора. Причем частота напряжения совпадает с аналогичной характеристикой резонатора.

Прибор неисправен, если частотомер не фиксирует возникновение частоты или определяет наличие частоты, но она – либо намного отличается от номинала, либо при нагреве корпуса паяльником сильно изменяется.

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock detector