Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить

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.

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.

• 08.10.2014 Стереофонический регулятор громкости, баланса и тембра на ТСА5550 имеет следующие параметры: Малые нелинейные искажения не более 0,1% Напряжение питания 10-16В (12В номинальное) Ток потребления 15…30мА Входное напряжение 0,5В (коэффициент усиления при напряжении питания 12В единица) Диапазон регулировки тембра -14…+14дБ Диапазон регулировки баланса 3дБ Разница между каналами 45дБ Отношение сигнал шум …

Кварцевый резонатор

Радиоэлектроника для начинающих

В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе ёмкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.

Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью. Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 105 – 107.

Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры.

Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика — ТКИ.

Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.

Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.

Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор.

В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 103.

Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.

Принцип работы кварцевого резонатора

Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца.

Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами.

В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.

Кристалл кварца

Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.

Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой.

У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота.

Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.

При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С0 – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С0, то получиться последовательный колебательный контур.

При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.

Также известно, что если кварц нагреть свыше 5730 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.

На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.

Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах

Как проверить кварцевый резонатор?

Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”

К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен.

Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым.

К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.

• Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.
• Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
• Также Вам будет интересно узнать:

Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить

Резонатором называют систему способную на колебательные движения с максимальной амплитудой при определённых условиях.

Кварцевый резонатор — пластина из кварца, обычно в форме параллелепипеда, действует так при подаче переменного тока (частота для разных пластин различна). Рабочую частоту этой детали определяет её толщина.

Зависимость здесь обратная. Наибольшую частоту (не превышающую при том 50 МГц) имеют самые тонкие пластины.

В редких случаях можно добиться частоты в 200 МГц. Это допустимо только при работе на обертоне (неосновной частоте, превышающей основной показатель). Специальные фильтры способны погасить основную частоту кварцевой пластины и выделить кратную ей обертоновую.

Для работы подходят только нечётные гармоники (другое название обертонов). К тому же, при их использовании показания по частоте увеличиваются на более низких амплитудах. Обычно максимальным становится девятикратное уменьшение высоты волны. Далее засечь изменения становится затруднительно.

Кварц относится к диэлектрикам.

В комбинации с парой металлических электродов он превращается в конденсатор, но его ёмкость мала и нет смысла её замерять. На схеме эта деталь отображается как кристаллический прямоугольник между пластинами конденсатора. Кварцевой пластине, как и иным упругим телам, свойственно наличие собственной резонансной частоты, зависящей от её размера.

Пластины малой толщины имеют более высокую резонансную частоту. Как итог: необходимо лишь выбрать пластину с такими параметрами, при которых частота механических колебаний совпадала бы с приложенной к пластине частотой переменного напряжения.

Кварцевая пластина, пригодна только при использовании переменного тока, поскольку постоянный ток может спровоцировать лишь единичное сжатие или разжатие.

В результате очевидно, что кварц является весьма простой резонансной системой (со всеми свойствами, присущими для колебательных контуров), но это вовсе не снижает качество его работы.

Кварцевый резонатор является даже более действенным. Показатель добротности у него составляет 105 — 107. Резонаторы из кварца увеличивают общий срок службы конденсатора за счёт своей температурной устойчивости, долговечности и технологичности. Удобства в применении добавляют и небольшие размеры деталей. Но самое главное достоинство — способность обеспечивать стабильную частоту.

К числу минусов относят лишь узость диапазона сонастройки имеющейся частоты с частотой внешних элементов.

В любом случае, кварцевые резонаторы весьма популярны, и используются в часах, многочисленной радиоэлектронике и иных приборах. В некоторых странах кварцевые пластины устанавливаются прямо на тротуарах, а люди продуцируют энергию просто ходя туда и обратно.

Принцип работы

Функции кварцевого резонатора обеспечиваются пьезоэлектрическим эффектом. Данное явление провоцирует возникновение электрического заряда в случае, если происходит механическая деформация некоторых типов кристаллов (из природных сюда относят кварц и турмалин).

Сила заряда при этом находится в прямой зависимости от силы деформации. Это называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Суть обратного пьезоэлектрического эффекта заключается в том, что если на кристалл воздействовать электрическим полем, он будет деформироваться.

Проверка работоспособности

Существует несколько несложных методов проверки состояния кварца в механизме. Вот пара из них:

•  Чтобы достаточно точно определить состояние резонатора, потребуется подсоединить к генератору на выход осцилограф или частометр. Требуемые данные можно будет вычислить при помощи фигур Лиссажу. Однако, при подобных обстоятельствах возможно непреднамеренное возбуждение колебательных движений кварца как на обертонических, так и на основных частотах. Это может создавать неточность замеров. Такой метод может быть использован в диапазоне от 1 до 10 МГц.
•  Частота работы генератора зависит от кварцевого резонатора. При подаче энергии генератор продуцирует импульсы, совпадающие с частотой основного резонанса. Череда этих импульсов пропускается через конденсатор, который отсеивает постоянный компонент, оставляя только обертоны, а сами импульсы передаются аналоговому частометру. Его легко можно сконструировать из двух диодов, конденсатора, резистора и микроамперметра. В зависимости от показаний по частоте будет изменяться и напряжение на конденсаторе. Данный метод тоже не отличается точностью и может применятся только в диапазоне от 3 до 10 МГц.

В целом, достоверную проверку кварцевых резонаторов можно осуществлять только при их замене. Да и подозревать поломку резонатора в механизме стоит только в самом крайнем случае. Хотя к портативной электронике, подверженной частым падениям, это не относится.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Кварцевый генератор — Crystal oscillator

Кварцевый генератор представляет собой электронный генератор схема , которая использует механический резонанс вибрирующего кристалла из пьезоэлектрического материала , чтобы создать электрический сигнал с точной частотой .

Эта частота часто используются , чтобы следить за время, как и в кварцевых наручных часах , чтобы обеспечить стабильный сигнал синхронизации для цифровых интегральных схем , а также для стабилизации частоты для радиопередатчиков и приемников .

Наиболее распространенный тип пьезоэлектрического резонатора используется это кварцевого кристалла, так что схемы генератора включения их стали известны как кварцевых генераторов, но и другие пьезоэлектрические материалы , в том числе поликристаллических керамики используются в подобных схемах.

Кварцевый генератор, в частности , один с использованием кристалл кварца , работает, искажая кристалл с электрическим полем , когда напряжение подается на электрод вблизи или на кристалле. Это свойство известно как электрострикция или обратные пьезоэлектрическая.

Когда поле удаляются, кварц — который осциллирует в точной частоте — генерирует электрическое поле , как он возвращается к своей предыдущей форме, и это может генерировать напряжение.

Результатом является то , что кристалл кварца ведет себя как цепь RLC , но с гораздо более высокой Q .

Кварцевые кристаллы изготавливаются для частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц. Более двух миллиардов кристаллов производятся ежегодно.

Большинство из них используется для бытовых устройств , таких как наручные часы , часы , радио , компьютеры и мобильные телефоны .

Кварцевые кристаллы также находится внутри контрольно-измерительное оборудования, такие как счетчики, генераторы сигналов и осциллографы .

терминология

Кварцевый резонатор (слева) и кварцевый генератор (справа)

Кварцевый генератор представляет собой электронный генератор схема , которая использует пьезоэлектрический резонатор, кристалл, так как его частотно-определение элемента. Кристалл является общим термином , используемым в электронике для определения частотно-компонента, пластины из кристалла кварца или керамики с электродами , соединенными с ним. Более точный термин для этого является пьезоэлектрическим резонатором . Кристаллы также используется в других типах электронных схем, такие , как кристаллические фильтры .

Пьезоэлектрические резонаторы продаются в виде отдельных компонентов для использования в цепях генератора кристалла. Пример показан на рисунке. Они также часто включены в одном пакете со схемой кварцевого генератора, показанного на правой стороне.

история

100 кГц кристалл осцилляторы из Национального бюро стандартов, которые служили в качестве стандарта частоты для Соединенных Штатов в 1929 году

Очень ранние кристаллы Bell Labs из Vectron International Collection

Пьезоэлектричество было обнаружено Жак и Пьер Кюри в 1880. Поль Ланжевен впервые исследовались кварцевые резонаторы для использования в гидролокаторе во время Первой мировой войны первого кристалла управляемого генератором , используя кристалл сегнетовой соли , была построена в 1917 году и запатентовано в 1918 годом Александр М. Николсон в Bell Telephone Laboratories , хотя его приоритет оспаривали Вальтер Guyton Кэди . Кэди построил первый кварцевый генератор в 1921. Другие ранние новаторов в кварцевых генераторов включают GW Пирса и Луи Эссен .

Кварцевые кварцевые генераторы были разработаны для эталонов частоты с высокой стабильностью в течение 1920 — х и 1930 — х годов. До кристаллов, радиостанции под контролем их частоты с настроенными схемами , которые могли бы легко дрейфовать частоту 3-4 кГц.

Поскольку вещательные станции были назначены частоты только 10 кГц друг от друга, взаимные помехи между соседними станциями из — за дрейфа частоты является общей проблемой.

В 1925 году Вестингауз установлен кварцевый генератор в своей флагманской станции KDKA, а к 1926 году, кристаллы кварца были использованы для контроля частоты многих вещательных станций и были популярны среди радиолюбителей. В 1928 году Уоррен Маррисон из Bell Telephone Laboratories разработали первый кварц-кристалл часы .

С точностью до 1 секунды в 30 лет (30 мс / у, или 10 -7 ), кварцевые часы заменили точность маятниковых часов , как в мире самых точных хронометристов до атомных часов были разработаны в 1950 — х годах. Используя ранние работы в Bell Labs, AT & T в конце концов установил их частоту управления продуктами деления, а затем отделился и известные сегодня как Vectron International.

Ряд фирм начали производить кристаллы кварца для электронного использования в течение этого времени.

Используя то , что в настоящее время рассматриваются примитивные методы, около 100 тысяч кристаллических единиц были произведены в Соединенных Штатах в 1939 году Through Второй мировой войны кристаллов были сделаны из натурального кварцевого кристалла, практически все из Бразилии . Нехватки кристаллов во время войны , вызванного требованием для точного регулирования частоты военных и военно — морских радиостанций и радаров стимулировали послевоенное исследование в культивировании синтетического кварца, а 1950 гидротермальной был разработан способ выращивания кристаллов кварца в промышленном масштабе в Bell Laboratories . К 1970 практически все кристаллы , используемые в электронике были синтетическими.

В 1968 году Юрген Staudte изобрел фотолитографии процесс изготовления кварцевых кварцевых генераторов, работая в компании North American Aviation (теперь Rockwell ) , что позволило им быть достаточно мал для портативных продуктов , таких как часы.

Несмотря на то, кварцевые генераторы до сих пор наиболее часто используют кристаллы кварца, устройство , использующее другие материалы , становится все более распространенным, например, керамическими резонаторами .

операция

Кристалл представляет собой твердое вещество , в котором составляющие атомы , молекулы или ионы упакованы в регулярно упорядоченным, повторяющийся узор , простирающейся во всех трех пространственных измерений.

Практически любой объект , выполненный из упругого материала может быть использован как кристалл, с помощью соответствующих датчиков , так как все объекты имеют естественные резонансные частоты вибрации . Так , например, стали очень эластичен и имеет высокую скорость звука. Он часто используется в механических фильтрах , прежде чем кварц.

Резонансная частота зависит от размера, формы, эластичности , и скорости звука в материале. Кристаллы Высокочастотные , как правило , вырезать в виде простого прямоугольника или кругового диска. Кристаллы Низкочастотные, такие как те , которые используются в цифровых часах, как правило , вырезались в виде камертона .

Для применений , не требующих очень точного времени, недорогой керамический резонатор часто используется вместо кристалла кварца.

Когда кристалл кварца правильно вырезать и установлен, это может быть сделано , чтобы исказить в электрическом поле путем подачи напряжения на электрод вблизи или на кристалле. Это свойство известно как электрострикция или обратные пьезоэлектрическая.

Когда поле удаляются, кварц генерирует электрическое поле , как он возвращается к своей предыдущей форме, и это может генерировать напряжение.

Результат является то , что кристалл кварца ведет себя как цепь RLC , состоящую из катушки индуктивности , конденсатора и резистора , с точной резонансной частотой.

Кварц имеет дополнительное преимущество , что его упругие константы и ее изменение размера таким образом , что зависимость частоты от температуры могут быть очень низкими. Конкретные характеристики зависят от режима вибрации и угла , под которым кварц разрежет ( по отношению к его кристаллографическим осям).

Таким образом, резонансная частота пластины, которая зависит от его размера, не меняется. Это означает , что кварцевые часы, фильтр или генератор остается точным.

Для критических применений кварцевый генератор установлен в контейнере с контролируемой температурой, называют кристаллическую печь , а также могут быть установлены на амортизаторах , чтобы предотвратить возмущение от внешних механических колебаний.

моделирование

электрическая модель

Кристалл кварца может быть смоделирован как электрическая сеть с низким сопротивлением (серия) и высокий импедансом (параллельно) резонансные точками , расположенных близко друг к другу. Математически ( с использованием преобразования Лапласа ), импеданс этой сети может быть записан в виде:

Схематический символ и эквивалентная схема для кристалла кварца в генераторе

Z ( s ) знак равно ( 1 s ⋅ С 1 + s ⋅ L 1 + р 1 ) | | ( 1 s ⋅ С 0 ) , { Displaystyle Z (S) = влево ({{ гидроразрыва {1} {s CDOT C_ {1}}} + з CDOT L_ {1} + R_ {1}} справа) влево | левый ({ гидроразрыва {1} {s CDOT C_ {0}}} справа) вправо.,}

или же

Z ( s ) знак равно s 2 + s р 1 L 1 + ω s 2 ( s ⋅ С 0 ) [ s 2 + s р 1 L 1 + ω п 2 ] { Displaystyle Z (S) = { гидроразрыва {s ^ {2} + S { гидроразрыва {R_ {1}} {L_ {1}}} + { Omega _ { mathrm {s}}} ^ { 2}} {(s CDOT C_ {0}) [s ^ {2} + s { гидроразрыва {R_ {1}} {L_ {1}}} + { Omega _ { mathrm {р}}} ^ {2}]}}}

⇒ ω s знак равно 1 L 1 ⋅ С 1 , ω п знак равно С 1 + С 0 L 1 ⋅ С 1 ⋅ С 0 знак равно ω s 1 + С 1 С 0 ≈ ω s ( 1 + С 1 2 С 0 ) ( С 0 » С 1 ) { Displaystyle Rightarrow омега _ { mathrm {s}} = { гидроразрыва {1} { SQRT {L_ {1} CDOT C_ {1}}}}, четырехъядерных омега _ { mathrm {р }} = { SQRT { гидроразрыва {C_ {1} + C_ {0}} {L_ {1} CDOT C_ {1} CDOT C_ {0}}}} = омега _ {s} { SQRT {1 + { гидроразрыва {C_ {1}} {C_ {0}}}}} ок омега _ {s} влево (1 + { гидроразрыва {C_ {1}} {2C_ {0}}} справа) Quad (C_ {0} GG C_ {1})}

где комплексная частота ( ), является серия резонансной угловой частоты , и является параллельной резонансной угловой частотой.
s { Displaystyle s}
s знак равно J ω { Displaystyle з = J Omega}
ω s { Displaystyle омега _ { mathrm {s}}}
ω п { Displaystyle омега _ { mathrm {р}}}

Добавление емкости через кристалл вызывает (параллельно) резонансная частота уменьшается. Добавление индуктивности поперек кристалла приводит к тому , (параллельно) резонансную частоту , чтобы увеличить. Эти эффекты могут быть использованы для регулировки частоты , при которой кристалл колеблется.

Производители кристаллов обычно вырезать и обрезать свои кристаллы , чтобы иметь определенную резонансную частоту с известной «нагрузкой» емкостью добавленной к кристаллу. Например, кристалл , предназначенный для нагрузки 6 пФ имеет свой параллельный указанный резонансную частоту , когда 6,0 пФ конденсатор помещают поперек нее.

Без емкости нагрузки, резонансная частота выше.

режимы Резонансные

Кристалл кварца обеспечивает как последовательный и параллельный резонанс. Серия резонанс несколько килогерц ниже параллельный.

Кристаллы ниже 30 МГц , как правило , работает в диапазоне последовательного и параллельного резонанса, а это означает , что кристалл выступает как индуктивное сопротивление в работе, эта индуктивность , образующего параллельный резонансный контур с внешнего подключенного параллельно емкости. Любые небольшие дополнительные емкости параллельно с кристаллом тянет частоту ниже.

Кроме того, эффективное индуктивное сопротивление кристалла может быть снижено добавлением конденсатора последовательно с кристаллом. Этот последний метод может обеспечить полезный метод обрезки колебательной частоты в пределах узкого диапазона; в этом случае вставки конденсатора в серии с кристаллом поднимает частоту колебаний.

Для кристалла работать на своей заданной частоте, электронная схема должна быть точно , что определено изготовителем кристалла. Обратите внимание , что эти точки подразумевают тонкость относительно кварцевых генераторов в этом частотном диапазоне: кристалл обычно не колебаться в точности либо из его резонансных частот.

Кристаллы выше 30 МГц (до> 200 МГц) , как правило , работают при последовательном резонансе , где появляется полное сопротивление на своем минимум и равно сопротивление серии. Для этих кристаллов указано последовательное сопротивление (

Кварцевые резонаторы. Виды и применение. Устройство и работа

Современная цифровая аппаратура нуждается в высокой точности, поэтому часто в цифровых устройствах содержится кварцевый резонатор, который является стабильным и надежным генератором гармонических колебаний.

Цифровые микроконтроллеры работают на основе этой постоянной частоты, и используют ее для работы цифрового прибора.

Кварцевые резонаторы являются надежной заменой контура колебаний, собранного на конденсаторе и катушке индуктивности.

Добротность контура колебаний на основе катушки и конденсатора не превышает 300. Она является характеристикой контура колебаний, определяющей величину полосы резонанса. Добротность показывает, во сколько раз энергия колебательной системы превышает потери энергии в течение одного периода колебаний.

Чем больше добротность, тем меньше теряется энергии за один период, и медленнее затухают колебания. Емкость конденсатора в обычном контуре колеблется в зависимости от температуры среды. Величина индуктивности катушки также зависит от многих факторов.

Существуют даже соответствующие коэффициенты, определяющие зависимость параметров этих элементов от температуры.

Кварцевые резонаторы, в отличие от вышеописанных контуров колебаний, обладают очень большой добротностью, достигающей значения в несколько миллионов. При этом температура в пределах -40 +70 градусов никак не влияет на этот параметр. Высокая стабильность работы кварцевых резонаторов при любой температуре послужила их широкому применению в цифровой электронике и радиотехнике.

Разновидности

По типу корпуса:

• Для объемной установки (цилиндрические и стандартные).
• Для поверхностного монтажа.

По материалу корпуса:

• Металлические.
• Стеклянные.
• Пластиковые.

По форме корпуса:

• Круглые.
• Прямоугольные.
• Цилиндрические.
• Плоские.

По количеству резонансных систем:

По защите корпуса:

• Герметичные.
• Негерметизированные.
• Вакуумные.

По назначению:

Важным свойством кварцевых резонаторов для успешной работы является их активность. Но она не определяется только собственными свойствами. Вся электрическая схема влияет на его активность.

В резонаторах, используемых в фильтрах, применяются такие же виды колебаний, как и в генераторных резонаторах. В фильтрах используются 2-х и 4-х электродные вакуумные резонаторы. Для многозвенных фильтров чаще всего применяются 4-х электродные, так как они более экономичные.

Принцип действия и устройство

Кварцевые резонаторы работают на основе пьезоэлектрического эффекта, образующегося на кварцевой пластинке. Кварц – это природный кристалл. Он представляет собой модификацию соединения кремния с кислородом, и имеет химическую формулу Si O2. Массовая доля кварца в земной коре составляет около 60%, в свободном виде 12%. В других минералах также может содержаться кварц.

Для производства кварцевых резонаторов используют низкотемпературный кварц. Он обладает выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Химическая устойчивость кварца очень высока, растворить кварц способна только гидрофторидная кислота.

По твердости кварц стоит на втором месте после алмаза. Кварцевую пластинку для резонатора изготавливают путем вырезания из кварца кусочка под заданным определенным углом.

В зависимости от этого угла среза кварцевая пластинка отличается разными электромеханическими параметрами.

От вида среза зависит наличие или отсутствие паразитных частот, стабильность работы при любых температурах, частота колебаний. На обе стороны кварцевой пластинки наносят слой одного из дорогостоящих металлов: серебра, платины, никеля или даже золота. После этого пластинку фиксируют прочными проволочками в корпусе резонатора. Затем производят герметичную сборку корпуса.

В результате образуется колебательный контур, обладающий собственной частотой резонанса, определяющей работу всего резонатора. Если к электродам пластинки приложить переменное напряжение с частотой резонанса, то возникнет резонансный эффект, а амплитуда колебаний пластинки значительно повысится.

При этом резонатор уменьшит свое сопротивление на значительную величину. Этот процесс подобен тому процессу, который происходит в контуре колебаний последовательного вида (на основе катушки и конденсатора).

Потери энергии при возбуждении кварцевого резонатора на частоте резонанса очень малы, так как добротность кварцевого контура колебаний очень высока.

Эта эквивалентная схема состоит из:

• R – Сопротивление.
• С1 – Емкость.
• L – Индуктивность.
• С2 – Статическая электрическая емкость пластинок вместе с держателями.

Эти элементы определяют электромеханические параметры кварцевой пластинки. Если удалить монтажные элементы, получается последовательный контур LС.

При установке на монтажную плату, кварцевый резонатор не переносит чрезмерного нагрева, так как его конструкция очень хрупкая. Сильное нагревание может деформировать держатель и электроды, что отражается на функционировании готового кварцевого резонатора.

Кварц полностью теряет свои свойства пьезоэлектрика при нагревании до температуры 5370 градусов. Однако паяльник не способен так сильно разогреваться.

На электрических схемах кварцевый резонатор обозначается по аналогии с конденсатором, но между пластин изображен прямоугольник, символизирующий кварцевую пластинку. На схеме резонатор обозначен «QX».

Обычно причиной неисправностью кварцевого резонатора становится сильный удар или падение устройства, в котором он находится. В этом случае резонатор подлежит замене на новый, с такими же параметрами.

Такие неисправности возникают в маленьких приборах, которые проще уронить, или повредить. Но такие повреждения резонаторов встречаются не часто, и обычно неисправность устройства кроется совсем в другом.

Как проверить кварцевые резонаторы

Для проверки резонатора на его работоспособность, собирают специальный простой тестер, помогающий проверить кроме работы резонатора, еще и его частоту резонанса. Схема такого устройства похожа на кварцевый генератор, собранный на транзисторе.

Подключив резонатор между отрицательным полюсом и базой транзистора через защитный конденсатор, с помощью частотомера измеряют частоту резонанса. Такая схема подходит для настройки контуров колебаний. При включенной схеме исправный резонатор создает колебания. В результате на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение с частотой резонанса тестируемого резонатора.

Если к выходу тестера подключить частотомер, то можно измерить частоту резонанса. При стабильной частоте и небольшом нагревании корпуса резонатора паяльником частота не должна значительно изменяться. Если частотомер не обнаруживает возникновение частоты, либо она сильно изменяется или имеет большие отличия от номинала, то резонатор негоден и требует замены.

При использовании такого тестера для настройки контуров, емкость С1 обязательна. Но при проверке исправности резонаторов ее присутствие в схеме не требуется. При этом колебательный контур просто подсоединяют на место кварцевого резонатора и тестер начинает создавать колебания таким же образом.

Тестер, выполненный по рассмотренной схеме, хорошо зарекомендовал себя на частоте 15-20 мегагерц. Для других интервалов можно найти другие схемы, собранные на микросхемах и других компонентах.

Сфера применения

Благодаря стабильности параметров кварцевых резонаторов, они нашли широкое использование в различных областях:

• Многие измерительные устройства работают на основе таких резонаторов, при этом точность измерений очень высока.
• Пьезокварцевая пластина применяется в качестве резонатора в морском эхолоте для выявления объектов, расположенных в воде, исследования дна моря, определения нахождения отмелей и рифов. Это дает возможность изучения жизни в океане в глубоководных районах, а также создания точных карт морского дна.
• Кварцевые резонаторы нашли широкую популярность в кварцевых часах, так как частота колебаний кварцевой пластины практически не зависит от температуры, и имеет малое относительное изменение частоты.

Кварцевые резонаторы расширяют свою сферу использования, потребность в них постоянно увеличивается, так как они обладают повышенными метрологическими параметрами, эффективностью работы.

Похожие темы: