Кварцевый резонатор

Таким образом, получается колебательная система, имеющая собственную резонансную частоту, а полученный таким образом кварцевый резонатор имеет собственную резонансную частоту, определяемую электромеханическими параметрами.

Содержание

Кварцевый резонатор – конструкция, принцип действия, методика проверки

Современные цифровые технологии требуют высокой точности, поэтому неудивительно, что почти каждое цифровое устройство, с которым сегодня сталкиваются потребители, содержит внутри кварцевый резонатор.

Кварцевые резонаторы различных частот необходимы в качестве надежного и стабильного источника гармоник, чтобы цифровой микроконтроллер мог полагаться на опорную частоту и работать на этой частоте во время работы цифрового устройства. Поэтому кварцевый резонатор является надежной заменой колебательного LC-контура.

Если мы рассмотрим простой колебательный контур, состоящий из конденсатора и индуктора, то быстро станет ясно, что коэффициент качества такого контура не превысит 300, кроме того, емкость конденсатора будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, то же самое произойдет и с индуктивностью.

Не зря конденсаторы и индукторы имеют такие параметры, как TKE (температурный коэффициент емкости) и TKI (температурный коэффициент индуктивности), которые показывают, насколько сильно изменяются основные параметры этих компонентов при изменении температуры.

В отличие от колебательных контуров, кварцевые резонаторы имеют недостижимый для колебательных контуров коэффициент добротности, измеряемый в диапазоне от 10000 до 10000000, а температурная стабильность кварцевых резонаторов не вызывает сомнений, поскольку частота остается постоянной при любом значении температуры, обычно от -40°C до +70°C.

Благодаря высокой температурной стабильности и коэффициенту качества кристаллические генераторы повсеместно используются в радиотехнике и цифровой электронике.

Для установки тактовой частоты микроконтроллера или процессора ему всегда нужен задающий генератор, которым можно надежно управлять, и этот задающий генератор должен иметь высокую частоту и высокую точность. Именно здесь в игру вступает кварцевый резонатор. Конечно, в некоторых приложениях можно обойтись пьезокерамическими резонаторами с коэффициентом добротности 1000, и таких резонаторов достаточно для электронных игрушек и домашних радиоприемников, но для более точных устройств нужен кварц.

В основе кварцевого резонатора лежит пьезоэлектрический эффект, возникающий на кварцевой пластине. Кварц является полиморфной модификацией диоксида кремния SiO2 и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. Свободного кварца в земной коре около 12%, но он также встречается в смеси с другими минералами, и в целом более 60% (массовая доля) земной коры содержит кварц.

Низкотемпературный кварц, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами, подходит для создания резонаторов. Химически кварц очень устойчив и может быть растворен только в плавиковой кислоте. Твердость кварца выше, чем у опала, но не соответствует твердости алмаза.

При производстве кварцевой плитки кусок кварцевого кристалла вырезается из кристалла под точным углом. В зависимости от угла резки получаемая кварцевая плитка будет отличаться по своим электромеханическим свойствам.

Тип среза зависит от ряда факторов: частоты, температурной стабильности, резонансной стабильности и отсутствия или наличия паразитных резонансных частот. Затем металл, который может быть никелем, платиной, серебром или золотом, наносится на обе стороны пластины, после чего пластина крепится к основанию корпуса кварцевого резонатора с помощью жестких проводов. Завершающим этапом является герметичная сборка корпуса.

Это создает колебательную систему, имеющую собственную резонансную частоту, а полученный кварцевый резонатор имеет собственную резонансную частоту, определяемую электромеханическими параметрами.

Теперь, если к металлическим электродам пластины приложить переменное напряжение заданной резонансной частоты, произойдет явление резонанса и амплитуда гармонических колебаний пластины довольно значительно возрастет. В этом случае сопротивление резонатора значительно уменьшится, то есть процесс аналогичен тому, который происходит в последовательном колебательном контуре. Благодаря высокому коэффициенту добротности такого “колебательного контура”, потери энергии при его возбуждении на резонансной частоте пренебрежимо малы.

В эквивалентной схеме: C2 – статическая емкость пластин держателя, L – индуктивность, C1 – емкость, R – сопротивление, отражающее электромеханические свойства установленной кварцевой пластины. Если светильники удалить, останется последовательная LC-схема.

Кварцевый резонатор нельзя перегревать во время сборки на печатной плате, так как его конструкция довольно хрупкая и перегрев может привести к деформации электродов и держателя, что непременно скажется на работе резонатора в готовом устройстве. Если кварц нагреть до 5730°C, он полностью потеряет свои пьезоэлектрические свойства, но, к счастью, нагреть элемент до такой температуры с помощью паяльника невозможно.

Маркировка кварцевого резонатора на схеме похожа на маркировку конденсатора с прямоугольником между пластинами (кварцевая пластина) и словом “ZQ” или “Z”.

Часто причиной повреждения кварцевого резонатора является падение или сильный удар по устройству, в котором он установлен, в этом случае резонатор необходимо заменить на новый с той же резонансной частотой. Такие повреждения характерны для небольших устройств, которые можно легко уронить. Однако, по статистике, такое повреждение кварцевых резонаторов встречается крайне редко, и чаще всего отказ устройства происходит по другой причине.

Для проверки неисправности кварцевого резонатора можно изготовить небольшой зонд, чтобы не только убедиться, что резонатор работает, но и увидеть резонансную частоту резонатора. Схема представляет собой типичную схему однотранзисторного кварцевого генератора.

Включив резонатор между землей и минусом (возможно, с защитным конденсатором на случай короткого замыкания в резонаторе), измерьте резонансную частоту с помощью частотомера. Эта схема также подходит для предварительной настройки колебательных контуров.

При включении схемы неисправный резонатор будет вносить свой вклад в колебания, и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение, частота которого будет соответствовать основной резонансной частоте тестируемого кварцевого резонатора.

Подключив частотомер к выходу датчика, пользователь может наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна, если небольшой нагрев резонатора паяльником не вызывает большого дрейфа частоты, значит резонатор исправен. Если генерации нет, частота плавает или полностью отличается от той, которая должна быть для тестируемого компонента, значит резонатор неисправен и его следует заменить.

Пробник также полезен для предварительной настройки колебательных контуров, в этом случае конденсатор C1 является обязательным, хотя его можно исключить из схемы при тестировании резонаторов. Схема просто подключается вместо резонатора, и он начинает генерировать колебания таким же образом.

Усилитель, основанный на схеме, показанной выше, очень хорошо работает на частотах от 15 до 20 МГц. Для других групп вы всегда можете поискать схемы в интернете, к счастью, их много, как на дискретные элементы, так и на микропроцессоры.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом по Интернету вещей и создайте сеть умных гаджетов!

Запишитесь в онлайн-университет с GeekBrains:

Изучите язык C, механизмы отладки и программирование микроконтроллеров;

Получите опыт работы в реальных проектах, в команде и самостоятельно;

Получите сертификат и свидетельство, подтверждающее приобретенные знания.

Стартовая коробка для ваших первых экспериментов в подарок!

По окончании курса в вашем портфолио будут представлены: игровые часы, распределенная сеть устройств, устройства контроля температуры (PID), устройство контроля влажности, интеллектуальная система полива растений, устройство контроля утечки воды.

Вы получите диплом о переподготовке и электронный сертификат, который вы сможете добавить в свое портфолио и показать работодателю.

Таким образом, кварцевый резонатор в электронной схеме выступает в качестве непревзойденной альтернативы любому колебательному контуру, состоящему из конденсатора и индуктора. Дело в том, что кварцевые резонаторы имеют самый высокий коэффициент добротности. В то время как хороший LC-контур достигает коэффициента качества 300, FQ кварцевого резонатора может достигать 10000000. Как видите, преимущество в десятки тысяч раз. Поэтому ни один колебательный контур не может сравниться с кварцевым резонатором по коэффициенту качества.

Кварцевые резонаторы: назначение, применение, принцип работы, характеристики

Современная цифровая электроника, насыщенная микропроцессорами и микроконтроллерами, немыслима без тактовой обратной связи. А где есть часовые колебания, там есть осциллятор и колебательная система, а где есть колебательная система, там обязательно проявится явление резонанса и такой важный параметр, как коэффициент качества. Здесь мы познакомимся с кварцевыми резонаторами (осцилляторами).

Кварцевый резонатор (кварц) – это электромагнитный генератор с высокой степенью постоянства частоты, использующий пьезоэлектрические и механические свойства кварцевой пластины.

В принципе, кварцевый резонатор – это автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты. Такие генераторы используются в качестве высокостабильных опорных генераторов в измерительных приборах, стандартах частоты и времени, кварцевых часах, а также в различных электронных устройствах.

Недостатком кварцевых резонаторов является то, что они могут генерировать только на фиксированных частотах, определяемых резонансной частотой кварца, и практически не допускают перестройки частоты.

Все схемы кварцевых резонаторов делятся на две большие группы в зависимости от того, какой тип кварцевого резонанса (параллельный или последовательный) в них используется. Наиболее распространены схемы кварцевых резонаторов, в которых кварц работает вблизи частоты параллельного резонанса.

Что можно сказать о влиянии температуры на резонансную частоту. Резонансная частота одного и того же колебательного контура сильно зависит от TKE (температурного коэффициента емкости) конденсатора, входящего в его состав. С другой стороны, кварц обладает очень высокой температурной стабильностью, поэтому кварцевые резонаторы хорошо зарекомендовали себя в качестве источника колебаний для различных часовых приложений.

Как работает кварцевый генератор

Чтобы понять, как работает кварцевый резонатор, легко вспомнить пьезоэлектрический эффект. Представьте себе пластину низкотемпературного кварца (диоксида кремния), вырезанную из кристалла определенным образом. Угол, под которым эта пластина вырезается из кристалла, определяет электромеханические свойства изготавливаемого резонатора. Теперь к этой пластине с обеих сторон прикрепляются электроды, используя слои никеля, платины, золота или серебра, и к ним присоединяются жесткие проволочные выводы. Вся конструкция помещается в небольшой герметичный корпус.

Это создает электромеханическую колебательную систему, которая обладает (благодаря естественным характеристикам низкотемпературного кварца) пьезоэлектрическим эффектом и имеет собственную резонансную частоту.

Если теперь подать переменное напряжение, частота которого близка к резонансной частоте получившегося колебательного контура, пластина начнет механически сжиматься-разжиматься с максимальной амплитудой, причем из-за пьезоэлектрического эффекта, чем ближе частота приложенного напряжения к резонансу – тем меньше будет сопротивление резонатора. Именно это делает кварцевый резонатор похожим на высококачественный колебательный контур. То, что вы получите, по сути, является эквивалентом последовательной LC цепи.

Свойства кварцевого генератора

Кварцевые резонаторы можно рассматривать как эквивалентные схемы, где C0 – емкость, образованная металлическими штырями и электродами. C1, L и R – это емкость, индуктивность и активное сопротивление самой электродной пластины, как аналог реального колебательного контура, полученного благодаря электромеханическим свойствам пластины.

Если мы исключим из схемы монтажную емкость C0, то получим явный последовательный колебательный контур. Что касается обозначения резонатора в схеме, то он выглядит как конденсатор с прямоугольником, символизирующим кристалл кварца, между обкладками.

При сборке и разборке кварцевых резонаторов на платах методом пайки важно помнить, что перегрев кварца выше 573 °C приводит к потере кристаллом пьезоэлектрических свойств.

Как правило, кварцевый резонатор, представляющий собой пьезоэлектрический кристалл, установленный в держателе, является частью некоторой внешней электрической цепи, выполняющей определенные функции в радиоустройстве, предназначенном для решения конкретной технической задачи. Очевидно, что только второй способ рассмотрения кварцевого резонатора может удовлетворить практическим требованиям, поэтому знание эквивалентной схемы, заменяющей элемент и кристаллодержатель, его формы и параметров является очень важной задачей для практики. Если замещающий контур по своей форме, параметрам и границам применения определен таким образом, что он достаточно близко (с указанными выше ограничениями) отражает явления, происходящие в колеблющемся пьезокварцевом резонаторе, то это позволяет рассматривать теоретические вопросы кварцевого резонатора как элемента внешней электрической цепи, изолированной от самого кристалла, и решать технические задачи, в которых пьезокварц используется обычными методами, применяемыми для линейных электрических цепей.

Параметры кварцевых резонаторов

Номинальная частота – частота F_нНоминальная частота – это частота Fn, указанная на маркировке кварцевого резонатора или в документации к нему (измеряется в МГц или кГц). Основной частотой является фактическая частота резонатора F_оизмеренные в заданных условиях эксплуатации. Как правило, указываются только климатические условия, а именно эталонная температура окружающей среды T_о(равно 25±2°C для резонаторов с отсечкой типа AT). Рабочая частота – это фактическая частота резонатора F, измеренная в реальных условиях эксплуатации (климатических, механических и электрических). Обычно определяется только допустимый диапазон изменения рабочей температуры.

Точность перестройки частоты – это максимально допустимое относительное отклонение основной частоты резонатора от номинальной частоты. Он измеряется в частях на миллион (ppm) или 1-10-6 . В некоторых редких случаях значение указывается в процентах. Как правило, точность настройки частоты кварцевого генератора выбирается из стандартного диапазона.

Нестабильность частоты под воздействием температуры

Относительное отклонение рабочей частоты резонатора от опорной частоты. Она может быть представлена как функция рабочей температуры T, в соответствии с формулой для кварцевых пластин типа AT cut-off и формулой (4) для других типов кварцевых пластин. Долгосрочная нестабильность частоты (старение) – это систематическое изменение основной частоты с течением времени из-за внутренних изменений в кварцевом резонаторе. Параметр старения задается как относительное изменение основной частоты за определенный период времени. Это значение выражается в частях на миллион в год (например, 3 ppm / год ). Потеря частоты из-за старения наиболее велика в течение первых 30-60 дней эксплуатации, после чего влияние этого фактора уменьшается. Стандартный диапазон относительных отклонений частоты для резонаторов общего назначения включает следующие классы точности: ±5, ±10, ±15, ±20, ±30, ±50, ±75 и ±100 ppm.

Режим резонатора (подсчет гармоник)

Режим работы резонатора – это инвариантный параметр, определяющий частоту колебаний. Для кварцевых кристаллов можно использовать не только основную частоту, но и ее нечетные гармоники – обертоны. Например, кристалл может работать на основной частоте 10 МГц или на нечетных гармониках около 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон) и 70 МГц (седьмой обертон).

Кварцевые резонаторы выглядят примерно так:

Принцип работы кварцевого резонатора

Кварц – один из самых распространенных минералов в земной коре.

В то время как полупроводниковые радиоэлементы в основном состоят из кремния, кварц также сделан из кремния, но в сочетании с кислородом.

Его формула – SiO2.

Это выглядит примерно так:

Резонатор (от лат.. resono – звук в ответ) – это система, способная вибрировать с максимальной амплитудой, т.е. резонироватьпри воздействии внешней силы определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят примерно так:

Что такое обертоны

Овертоны, или, как их еще называют, обертоны, режимы или гармоники – Это кратные частоты выше основной частоты кварца.

Фильтры используются для ослабления основной частоты кварца и получения обертонов.

Кварцевый резонатор использует нечетные обертоны в режиме обертонов.

Если основная частота кварца F является первым обертоном, то его рабочие обертоны будут 3F, 5F, 7F, 9F. Также стоит отметить, что амплитуда обертона уменьшается с увеличением его частоты, поэтому кроме обертона 9 нет смысла брать больше, так как очень сложно выделить амплитуду маленького сигнала.

Маркировка кварца на схеме

Кварц является диэлектриком. А что происходит, когда тонкий диэлектрик помещают между двумя металлическими пластинами? Вы получаете конденсатор! Емкость конденсатора очень мала, поэтому вряд ли емкость можно измерить. Однако они не потрудились обозначить схему кварца, и на схемах он показан как прямоугольный кусок кристалла, зажатый между двумя пластинами конденсатора:

Принцип работы кварца

Чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, необходимо рассмотреть его эквивалентную схему:

С – фактическая емкость между клеммами конденсатора. То есть, если мы удалим кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно у них есть потенциал.

С1 – динамическая емкость самого кристалла. Динамический означает, что он появляется, когда кварц работает. Его значение составляет несколько фемтофарад. Фемто – это 10-15!

L1 – динамическая индуктивность кристалла. Она может достигать нескольких тысяч хенри!

R1 – динамический импеданс, в кварцевом режиме работы он может быть от нескольких Ом до нескольких килоОм

Вы видите, что C1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который имеет собственную резонансную частоту.

Принцип работы кварцевого резонатора заключается в том, что если к клеммам кварцевого резонатора приложить переменное напряжение, то его пластина начнет колебаться на частоте приложенного напряжения.

Если приложенная частота совпадает с собственной резонансной частотой кварца, возникает резонанс.

Напряжение на кварцевой катушке быстро увеличивается. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя как колебательный контур, настроенный на определенную частоту с очень высоким коэффициентом добротности.

Каждый кварц имеет свою частоту в серии и параллельно резонанс.

Если мы увидим такую надпись на кварце.

это говорит нам, что на частоте серия мы можем возбуждать этот кварц на частоте 8 мегагерц.

В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса.

Здесь есть еще одно эмпирическое правило: если частота указана целыми числами в килогерцах, то она работает на основной гармонике, а если в мегаграммах, разделенных запятой, то это гармоника обертона.

Например: WG-05-18000kHz – резонатор для работы на основной частоте, а WG-05-27.465MHz – резонатор для работы на 3-м обертоне.

Что касается типа корпуса, кварцевые резонаторы могут быть установлены в корпусах для монтажа на выводы (стандартные и цилиндрические) и поверхностного монтажа (SMD).

См. также

Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевых резонаторов. – М.: Энергия, 1970. – 488 с. – 6000 экземпляров.

Альтшуллер Г.Б. Частотная стабилизация кварца. – M .: “Связь”, 1974 г. – 272 с. – 5600 экземпляров.

Андросова, В.Г., Банков, В.Н., Дикий, А.Н., и др. Справочник по кварцевым резонаторам / под редакцией П.Г. Позднякова. – Связь, 1978 г. – 288 с. – 15 000 экземпляров.

Глюксман Л. Я. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. – 3-е изд. переработанное и дополненное. – М.: Радио и связь, 1981 г. – 232 с. – 10 000 экземпляров.

Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы для объемных и поверхностных акустических волн: Материалы, технология, проектирование, применение: Перевод с чешского: Москва: Мир, 1990. – 584 с. – 4050 экземпляров. – ISBN 5-03-001086-6

А.И. Ладик, А.И. Сташкевич. Продукция электронного машиностроения. Пьезоэлектрические и электромеханические устройства: Учебное пособие. – М.: Радио и связь, 1993. – 104 с. – 3000 экземпляров. – ISBN 5-256-01145-6, ISBN 5-256-00588-X.

Пассивная твердая	Резистор – Переменный резистор – Заземляющий резистор – Варистор – Конденсатор – Переменный конденсатор – Заземляющий конденсатор – Индукционная катушка Кварцевый резонатор – Самовосстанавливающийся предохранитель – Трансформатор
Постоянное активное состояние	Диод – Светодиод – Фотодиод – Полупроводниковый лазер – Диод Шоттки – Стабилитрон – Стабилизатор – Варактор – Варактор – Диодный мост – Лавинный диод – Туннельный диод – Диод Ганна Транзистор – Биполярный транзистор – Полевой транзистор – КМОП-транзистор – Одноэмиттерный транзистор – Фототранзистор – Составной транзистор – Баллистический транзистор Интегральная схема – Цифровая интегральная схема – Аналоговая интегральная схема Тиристор – Симистор – Диод – Мемристор
Пассивный вакуум	Бареттер
Активная вакуумная и газовая эвакуация	Электронная вакуумная трубка – Вакуумный галоген – Триод – Тетрод – Пентод – Гексод – Гептод – Пентагрид – Октод – Нонод – Механотрон – Клистрон – Магнетрон – Амплитрон – Платинотрон – Избирательная трубка – Стартерная трубка
Дисплейное оборудование	Катодно-лучевая трубка – ЖК-дисплей – Светодиодный дисплей – Газоразрядный индикатор – Вакуумный люминесцентный дисплей – Флажковый дисплей – Семисегментный дисплей
Акустические устройства и преобразователи	Микрофон – Громкоговоритель – Тензометрический датчик
Термоэлектрическое оборудование	Термистор – Термопара – Элемент Пельтье

Электронные компоненты
Пьезоэлектроника

Фонд Викимедиа . 2010 .

Полезная страница

Смотреть что такое “Кварцевый резонатор” в других словарях

Кварцевый резонатор – Пьезоэлектрический резонатор, основным элементом которого является кристалл кварца. [ГОСТ 18669 73] Тематика пьезоэлектрических резонаторов EN кварцевый кристалл в сборе DE кварц Швингварца FR кварцевый резонатор … Руководство технического переводчика

кварцевый резонатор – 2.2.7 кристаллический блок: Пьезоэлектрический кристаллический блок, встроенный в корпус с кварцевым элементом в качестве основного блока. Источник: ГОСТ Р МЭК 60122 1 2009: Кварцевые резонаторы … Глоссарий терминов для стандартов и технической документации

кварцевый резонатор – kvarcinis rezonatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. quartz resonator vok. Кварцевый резонатор, f rus. кварцевый резонатор, m pranc. кварцевый резонатор, m … Fizikos terminų žodynas

КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР – Электромеханическая колебательная система, содержащая кварцевую пластину с заданной ориентацией плоскости сдвига. FQD характеризуется высоким электрическим качеством (низкие потери мощности) и высокой стабильностью. Кварцевые резонаторы в основном используются в… … Политехнический словарь.

Гармонически возбуждаемый кварцевый резонатор – 2.2.11 Овертональный кристаллический блок: кварцевый резонатор, предназначенный для колебаний выше меньшего из двух порядков. Источник: ГОСТ Р МЭК 60122 1 2009: …….. Глоссарий терминов для стандартов и технической документации

кварцевый генератор, возбуждаемый на основной частоте – 2.2.10 кварцевый прибор, возбуждаемый на основной частоте: кварцевый резонатор, предназначенный для работы на самом низком порядке колебаний для данного типа вибрации. Источник: ГОСТ Р МЭК 60122 1 2009:… … Глоссарий терминов для стандартов и технической документации

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР – Автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, содержащей кварцевый резонатор. Он предназначен для получения колебаний с высокой стабильностью частоты. Принцип работы схемы и ее функции такие же, как и в … … Энциклопедия физики

Кварцевый генератор, управляемый напряжением – Кварцевый ГУХ Высокостабильный перестраиваемый осциллятор, в котором в качестве элемента поддержания частоты используется кварцевый резонатор. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо-русский толковый словарь. Под редакцией Ю.М. … Справочник технического переводчика

кристаллический осциллятор – Генератор переменного напряжения с кварцевым резонатором или пьезоэлектрическим элементом в качестве элемента стабилизации частоты. [ГОСТ 22866 77] Темы кварцевые генераторы EN кристаллический генератор … Руководство технического переводчика

Кварцевый осциллятор – В этой статье или отрывке есть список источников или внешних ссылок, но источники отдельных утверждений остаются неясными из-за отсутствия сносок … Википедия

Химически кварц очень стабилен и нерастворим в любой кислоте, кроме плавиковой. Кварц также очень твердый. Он занимает седьмое место из десяти по шкале твердости.

Кварцевый резонатор

Кварцевые резонаторы

В современной электронике, особенно цифровой, трудно не встретить электронный компонент, называемый кварцевым резонатором. По своей сути кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура, основанного на емкости и индуктивности. Однако кварцевый резонатор лучше LC-цепи в одном очень важном аспекте.

Известно, что колебательный контур характеризуется коэффициентом качества . Резонаторы на основе кварца имеют очень высокий коэффициент качества, недостижимый для обычных вибрационных LC-контуров. В то время как Q-фактор обычных схем колеблется от 100 до 300, Q-фактор кварцевых резонаторов варьируется от 10 5 до 10 7.

Емкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, называемый TKE (температурный коэффициент емкости). Это показывает, насколько емкость конденсатора изменяется в зависимости от температуры.

Очевидно, что когда конденсатор используется как часть LC-контура, частота его колебаний будет сильно зависеть от температуры окружающей среды. То же самое относится и к индуктивности, которая также имеет свою температурную характеристику, TKI.

Очевидно, что для цифровых приложений (включая коммуникационные технологии) требуется более стабильный и надежный источник гармонических колебаний.

Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокому коэффициенту качества и температурной стабильности кварцевые резонаторы широко используются в радиоприборах.

Каждый микропроцессор или микроконтроллер работает на определенной тактовой частоте. Очевидно, что для установки тактовой частоты необходим генератор. В таком генераторе, как источнике высокоточных гармонических колебаний, обычно используется кварцевый резонатор. В схемах, где не требуется высокий коэффициент добротности, можно использовать резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Коэффициент качества пьезокерамических резонаторов составляет не более 10 3 . Их можно найти в пультах дистанционного управления, электронных игрушках и домашних радиоприемниках.

Принцип работы кварцевого резонатора.

Работа кварцевого резонатора полностью основана на пьезоэлектрическом эффекте. Основой каждого кварцевого резонатора является кварцевая пластина. Кварц – это разновидность кремнезема под названием SiO₂ . Для производства резонаторов подходит только низкотемпературный кварц, обладающий пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенных камешков.

Кристаллический кварц

Химически кварц очень стабилен и не растворяется ни в каких кислотах, кроме плавиковой. Кварц также очень твердый. Он занимает седьмое место из десяти по шкале твердости.

Для изготовления кварцевой пластины берут кристалл кварца и вырезают из него пластину под определенным углом. Угол, под которым происходит сдвиг, определяет электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип сдвига существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов и резонансную частоту.

Затем металлизированный слой (серебро, никель, золото или платина) наносится на две стороны кварцевой пластины и закрепляется в кварцевом держателе с помощью жестких проволочных контактов. Вся конструкция помещена в герметичный корпус.

Кварцевый резонатор – это электромеханическая колебательная система. Как известно, каждая колебательная система имеет свою резонансную частоту. Кварцевый резонатор также имеет свою номинальную резонансную частоту. Если к кварцевой пластине приложить переменное напряжение, совпадающее с резонансной частотой самой кварцевой пластины, возникает резонанс и амплитуда колебаний резко возрастает.

Когда наступает резонанс, электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательного колебательного контура. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень высоким коэффициентом добротности.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рисунке.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь C₀ – постоянная (статическая) емкость, обусловленная металлическими электродными пластинами и носителем. Индуктивность L1, конденсатор C1 и активное сопротивление R_{действовать.} отражают электромеханические свойства кварцевой пластины. Как видно, если емкость кварцевого крепления и держателя C₀то получается последовательный колебательный контур.

При установке кварцевого резонатора на печатную плату необходимо следить за тем, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация, вероятно, связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Перегрев может привести к деформации кварцевого держателя и электродных пластин. Конечно, все это может повлиять на качество резонатора в схеме.

Известно также, что если кварц нагреть выше 573°C, он становится высокотемпературным кварцем и теряет свои пьезоэлектрические свойства. Поднять кварц до такой температуры с помощью паяльного оборудования, очевидно, нереально.

Назначение кварцевого резонатора.

В схемах и технической документации кварцевый резонатор обозначается так же, как и конденсатор, только между пластинами добавляется прямоугольник, символизирующий кварцевую пластину. Рядом с графическим изображением появляется буква Z или ZQ.

Символ для кварцевого резонатора в схемах

Как проверить кварцевый резонатор?

Многие начинающие радиолюбители задают вопрос: “Как проверить кварцевый резонатор?”.

К сожалению, единственный способ надежно проверить кварцевый резонатор – это заменить его. Повреждение кварцевого резонатора может быть вызвано сильным ударом или падением электронного устройства, в котором он установлен. Поэтому, если вы подозреваете неисправность кварцевого резонатора, хорошо бы заменить его на новый. К счастью, отказы кварцевых резонаторов в практике ремонта редки, есть, конечно, исключения, но они связаны с портативной электроникой, которую часто роняют.

Более подробную информацию о кварцевых резонаторах можно найти в книге, которую можно найти здесь.

Читайте далее: