Kremenné rezonátory: účel, použitie, princíp činnosti, vlastnosti použitia

Na čo sú kremenné rezonátory?

Moderná digitálna elektronika s mikroprocesormi a mikrokontrolérmi je jednoducho nemysliteľná bez hodinových oscilácií. A tam, kde sa získavajú kmity hodín, tam je činnosť generátora a oscilačného systému a tam, kde je oscilačný systém, sa nevyhnutne objaví aj jav rezonancie, aj taký dôležitý parameter, akým je faktor kvality. Tu sa zoznámime s kremennými rezonátormi (oscilátory).

Kremenný rezonátor (quartz) je generátor elektromagnetických kmitov s vysokým stupňom frekvenčnej stálosti, ktorý využíva piezoelektrické a mechanické vlastnosti kremennej platne.

Podľa princípu činnosti je kremenný rezonátor oscilátor s kremennou frekvenčnou stabilizáciou. Takéto generátory sa používajú ako vysoko stabilný hlavný generátor v meracích zariadeniach, frekvenčných a časových štandardoch, kremenných hodinách, ako aj v rôznych elektronických zariadeniach.

Nevýhodou kremenných rezonátorov je, že dokážu generovať len na pevných frekvenciách určených rezonančnou frekvenciou kremeňa a prakticky neumožňuje ladenie frekvencie.

Všetky obvody kremenného rezonátora sú rozdelené do dvoch veľkých skupín v závislosti od toho, aká kremenná rezonancia (paralelná alebo sériová) sa v nich používa. Najrozšírenejšie sú obvody kremenného rezonátora, v ktorom kremeň pracuje blízko svojej paralelnej rezonančnej frekvencie.

Takže kremenný rezonátor v elektronickom obvode je neprekonateľnou alternatívou k akémukoľvek oscilačný obvodpozostávajúce z kondenzátora a induktora. Výstupom je najvyšší Q-faktor kremenných rezonátorov. Zatiaľ čo dobrý LC obvod dosahuje Q-faktor 300, Q-faktor kremenného rezonátora môže dosiahnuť až 10 000 000. Ako vidíte, prevaha je desaťtisíckrát. Žiadny oscilačný obvod sa teda nemôže porovnávať s kremenným rezonátorom z hľadiska Q-faktora.

O vplyve teploty na rezonančnú frekvenciu netreba hovoriť. Rezonančná frekvencia toho istého oscilačného obvodu silne závisí od TKE (teplotný koeficient kapacity) kondenzátora, ktorý do neho vstupuje. Kremeň má na druhej strane veľmi vysokú teplotnú stabilitu, preto kremenné rezonátory pevne držia svoje pozície ako zdroje oscilácií pre generátory taktovacej frekvencie na rôzne účely.

Ako funguje kremenný rezonátor

Aby sme pochopili, ako kremenný rezonátor funguje a funguje, stačí si spomenúť, čo to je piezoelektrický efekt… Predstavte si dosku z nízkoteplotného kremeňa (oxid kremičitý) vyrezaný z kryštálu určitým spôsobom.Uhol, pod ktorým je doštička vyrezaná z kryštálu, určuje elektromechanické vlastnosti vyrábaného rezonátora. K tejto platni sú teraz elektródy pripevnené na oboch stranách nanesením vrstiev niklu, platiny, zlata alebo striebra a na ne sú pripevnené pevné drôty. Celá konštrukcia je umiestnená v malom uzavretom kryte.

Tak sa získal elektromechanický oscilačný systém, ktorý má (vzhľadom na prirodzené vlastnosti nízkoteplotného kremeňa) piezoelektrický efekt a má vlastnú rezonančnú frekvenciu.

Ak sa teraz na elektródy privedie striedavé napätie, ktorého frekvencia je blízka rezonančnej frekvencii výsledného oscilačného systému, potom sa doska začne mechanicky sťahovať a rozťahovať s maximálnou amplitúdou a v dôsledku piezoelektrického efektu sa približuje k frekvencia aplikovaného napätia je rezonancia, tým nižší bude odpor rezonátora. Toto je analógia kremenného rezonátora s obvodom vysokofrekvenčného oscilátora. Výsledok je v podstate analogický so sériovým LC obvodom.

Charakteristika kremenného rezonátora

Kremenný rezonátor môže byť reprezentovaný vo forme ekvivalentného obvodu, v ktorom C0 je montážna elektrická kapacita tvorená kovovými držiakmi káblov a elektródami. C1, L a R sú kapacita, indukčnosť a aktívny odpor dosky priamo s elektródami, ako analóg skutočného oscilačného obvodu získaného vďaka elektromechanickým vlastnostiam dosky.

Ak z obvodu vylúčime montážnu kapacitu C0, dostaneme vyslovene sériový oscilačný obvod.Pokiaľ ide o označenie rezonátora v schéme, vyzerá to ako kondenzátor s obdĺžnikom symbolizujúcim kremenný kryštál medzi doskami.

V procese montáže a demontáže kremenných rezonátorov na doskách spájkovaním je potrebné pamätať na to, že prehriatie kremeňa nad 573 ° C je spojené so stratou piezoelektrických vlastností kryštálu.