Что такое кварцевый резонатор

Принцип работы и свойства кварцевого резонатора

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 10 5 – 10 7 .

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 10 3 . 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 .

Читайте также:  Какие есть папоротники названия

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.


Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С – 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 С, 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 573 0 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.

Обозначение кварцевого резонатора.

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.

Как мы уже должны знать из курса электротехники, главный параметр любого колебательного контура добротность. Кварцевые резонаторы обладают на порядок улучшенной добротностью. Кроме того резонаторы обладают отличной температурной стабильностью. Именно благодаря этим двум параметрам кварцевые резонаторы нашли в электронике такое широкое применение.

Устройство и принцип работы резонатора

Принцип работы резонатора базируется на пьезоэлектрическом эффекте. В устройстве любого кварцевого резонатора лежит кварцевая пластина. Она изготавливается из разновидностей кремнезема SiO2. Для изготовления резонаторов подходит только низкотемпературный кварц, который обладает отличными пьезоэлектрическими свойствами. В природе он бывает в виде кристаллов и бесформенной гальки.

Химически кварц очень устойчив во внешней среде и не растворяется ни в какой кислоте, за исключением лишь плавиковой. Кварц на шкале твердости занимает седьмое место из десяти. Для изготовления кварцевой пластины из из кристалл кварца под определенным углом вырезается пластинка. Углом среза, задаются электромеханические свойства кварцевой пластины, температурная стабильность, количество паразитных резонансов, резонансная частоту.

Затем на обе стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой из серебра, никеля или платины и с помощью проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Далее всю эту составную конструкцию размещают в герметичный корпус.


Кварцевый резонатор и его параметры

Кварцевые резонаторы считаются пассивными электронными двухполюсниками, имеющими ярко выраженные резонансные свойства. Основной частью резонатора является пьезоэлемент, — кристаллическая пластина из пьезоэлектрика, на поверхность которой нанесены электроды. В пьезорезонаторах применяются два эффекта: резонансные свойства упругих колебаний в кристалле и пьезоэлектричество.

Кварцевый резонатор это электромеханическая колебательная система, обладающая своей резонансной частотой. Если к резонатору приложить переменное напряжение, совпадающее, то случиться резонанс частот и амплитуда колебаний резко увеличиться.

В момент резонанса электрическое сопротивление кварца резко снижается. В результате имеем полнофункциональный эквивалент последовательной колебательной системы. Так как потери энергии в кварце очень малы, то по сути он представляет собой стандартный колебательный контур с огромной добротностью. Механически вибрирующий кристалл кварцевого резонатора может быть представлен эквивалентной электрической схемой, состоящей из низкого сопротивления R , большой индуктивности L и малой емкости C. Рассмотрим эквивалентную электрическую схему типового кварцевого резонатора

Читайте также:  Установка металлического поддона для душа своими руками

С – это статическая емкость возникающая между металлическими пластинами и держателем. Последовательно соединенные индуктивность и конденсатор С1, а также активное сопротивление Rакт. описывают основные электромеханические свойства пластинки. То-есть если не учитывать емкость монтажа и С, то увидим самый обычный последовательный колебательный контур.

При помещении кварцевого резонатора в реальную электронную схему кристалл действует как настроенная схема. Однако он обладает достаточно высокой добротностью. Используются в основном в роли резонансного компонента в частотных фильтрах, и в генераторах. В обоих случаях очень высокая добротность кварца позволяет получить неплохую производительность.

При монтаже резонатора на печатную необходимо следить затем, чтоб не перегреть его. Так как конструкция резонатора обычно довольно тонкая и температурный перегрев может быть причиной механической деформацией кварцедержателей и пластинок-электродов, что скажется на качестве работы схемы.

На принципиальных схемах обозначение кварцевого резонатора похоже на конденсатора, только между пластинами имеется прямоугольник, который обозначает пластину кварца. Рядом с графическим изображением ставиться латинская буква Z или ZQ.

Несмотря на свою высокую производительность, кварцевые резонаторы дешевы в производстве, и нашли широкое применение в микропроцессорной и традиционной радиочастотной технике. Как следует из их названия, эти радиокомпоненты изготовлены из кварца — естественной формы кремния, хотя большинство из них сделаны искусственно. Сегодня эти радио элементы доступны во многих форм факторах, от небольших устройств с поверхностным креплением для монтажа до более крупных с отверстиями для гнез.

Это явление открыл Жак и Пьер Кюри в 1880 г. Внешние механические силы, воздействуя в некоторых направлениях на кварц, вызывают в нем не только деформации и механические напряжения(как в любом твердом теле), но и электрическую поляризацию и, поэтому, генерацию на поверхностях кристалла связанных электрических зарядов противоположных знаков. При смене направления механических сил на противоположное изменяется и направление поляризации и знаки. Это явление в курсе электротехники называют прямым пьезоэффектом.

Чтобы проверить работоспособность кварцевого резонатора, нужно собрать одну из предложенных схем для проверки. Самый простой пробник для проверки состоит из головки микроамперметра и транзистор VT1 используется в роли генератора и нескольких других радиокомпонентов

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 заготовить стручковый перец на зиму

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.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *