На основе работы генераторов базируется работа цифровых устройств: компьютеров, микропроцессоров, кварцевых часов и т.д.
Генераторов существует много: RC, LC, блокинг-генераторы (про это подробнее в категории электронные устройства), но самая главная задача у всех их- это получение стабильной генерации. То есть получение стабильной частоты, которая не зависела-бы от таких параметров, как температура или время работы. И это стало возможным с появлением кварцевых резонаторов.
Принцип работы достаточно простой и основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Иными словами, если на его выход подать переменное напряжение, то это приведет к сдвигу фаз, так как при спаде полуволны устройство начинает отдавать запасенную механическую энергию.
Каждый кристалл, из которого изготовлен кварцевый резонатор, обладает своими механическими свойствами. Они в свою очередь влияют на такой параметр, как частота прибора. Давайте представим, что с помощью несложной схемы мы имитируем условия, при которых будет работать прибор. Начинаем постепенно увеличивать частоту. В определенный момент мы достигнем определенного сдвига фаз между подающим напряжением, и отдаваемым кварцем. С увеличением частоты мы сможем ввести схему в резонанс – собственно, отсюда и происхождение самого названия устройства.
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.
Что такое КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР
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 573°C, 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
Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить
Современная цифровая техника требует высокой точности, поэтому совсем неудивительно, что практически любое цифровое устройство, какое бы не попалось сегодня на глаза обывателю, содержит внутри кварцевый резонатор.
Кварцевые резонаторы на различные частоты необходимы в качестве надежных и стабильных источников гармонических колебаний, чтобы цифровой микроконтроллер мог бы опереться на эталонную частоту, и оперировать с ней в дальнейшем, в процессе работы цифрового устройства. Таким образом, кварцевый резонатор — это надежная замена колебательному LC-контуру.
Если рассмотреть простой колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, то быстро выяснится, что добротность такого контура в схеме не превысит 300, к тому же емкость конденсатора будет плавать в зависимости от температуры окружающей среды, то же самое произойдет и с индуктивностью.
Не даром есть у конденсаторов и катушек такие параметры как ТКЕ — температурный коэффициент емкости и ТКИ — температурный коэффициент индуктивности, показывающие, насколько изменяются главные параметры этих компонентов с изменением их температуры.
В отличие от колебательных контуров, резонаторы на базе кварца обладают недостижимой для колебательных контуров добротностью, которая измеряется значениями от 10000 до 10000000, причем о температурной стабильности кварцевых резонаторов речи не идет, ведь частота остается постоянной при любом значении температуры, как правило из диапазона от -40°C до +70°C.
Так, благодаря высоким показателям температурной стабильности и добротности, кварцевые резонаторы применяются всюду в радиотехнике и цифровой электронике.
Для задания микроконтроллеру или процессору тактовой частоты, ему всегда необходим генератор тактовой частоты, на который он мог бы надежно опереться, и генератор этот всегда нужен высокочастотный и при том высокоточный. Здесь то и приходит на помощь кварцевый резонатор. Конечно, в некоторых применениях можно обойтись пьезокерамическими резонаторами с добротностью 1000, и таких резонаторов достаточно для электронных игрушек и бытовых радиоприемников, но для более точных устройств необходим кварц.
В основе работы кварцевого резонатора — пьезоэлектрический эффект, возникающий на кварцевой пластинке. Кварц представляет собой полиморфную модификацию диоксида кремния SiO2, и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. В свободном виде в земной коре кварца около 12%, кроме того в виде смесей в составе других минералов также содержится кварц, и в общем в земной коре более 60% кварца (массовая доля).
Для создания резонаторов подходит низкотемпературный кварц, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Химически кварц весьма устойчив, и растворить его можно лишь в гидрофторидной кислоте. По твердости кварц превосходит опал, но до алмаза не дотягивает.
При изготовлении кварцевой пластинки, от кристалла кварца под строго заданным углом вырезают кусочек. В зависимости от угла среза полученная кварцевая пластинка будет отличаться по своим электромеханическим свойствам.
От типа среза зависит многое: частота, температурная стабильность, устойчивость резонанса и отсутствие либо наличие паразитных резонансных частот. На пластинку затем наносят с обеих сторон по слою металла, коим может быть никель, платина, серебро или золото, после чего жесткими проволочками крепят пластинку в основание корпуса кварцевого резонатора. Последний шаг — корпус герметично собирают.
Так получается колебательная система, обладающая собственной резонансной частотой, и кварцевый резонатор, полученный таким образом, обладает собственной резонансной частотой, определяемой электромеханическими параметрами.
Теперь если приложить к металлическим электродам пластики переменное напряжение данной резонансной частоты, то проявится явление резонанса, и амплитуда гармонических колебаний пластинки весьма значительно возрастет. При этом сопротивление резонатора сильно понизится, то есть процесс аналогичен происходящему в последовательном колебательном контуре. В силу высокой добротности такого «колебательного контура», энергетические потери при его возбуждении на резонансной частоте пренебрежимо малы.
На эквивалентной схеме: C2 – статическая электроемкость пластинок с держателями, L – индуктивность, С1 — емкость, R – сопротивление, отражающие электромеханические свойства установленной пластинки кварца. Если убрать монтажные элементы, останется последовательный LC-контур.
В процессе монтажа на печатную плату, кварцевый резонатор нельзя перегревать, ведь конструкция его довольно хрупка, и перегрев может привести к деформации электродов и держателя, что непременно отразится на работе резонатора в готовом устройстве. Если же разогреть кварц до 5730°C, он вовсе утратит свои пьезоэлектрические свойства, но, к счастью, нагреть элемент паяльником до такой температуры невозможно.
Обозначение кварцевого резонатора на схеме похоже на обозначение конденсатора с прямоугольником между пластинами (кварцевая пластинка), и с надписью «ZQ» или «Z».
Часто причиной повреждения кварцевого резонатора является падение или сильный удар устройства, в котором он установлен, и тогда необходимо заменить резонатор на новый с той же резонансной частотой. Такие повреждения свойственны малогабаритным приборам, которые легко уронить. Однако, по статистике, подобные повреждения кварцевых резонаторов встречаются крайне редко, и чаще неисправность прибора оказывается вызвана иной причиной.
Чтобы проверить кварцевый резонатор на исправность, можно собрать небольшой пробник, который поможет не только убедиться в работоспособности резонатора, но и увидеть его резонансную частоту. Схема пробника представляет собой типичную схему кварцевого генератора на одном транзисторе.
Включив резонатор между базой и минусом (можно через защитный конденсатор на случай короткого замыкания в резонаторе), остается измерить частотомером резонансную частоту. Эта схема подойдет и для предварительной настройки колебательных контуров.
Когда схема включена, исправный резонатор станет способствовать генерации колебаний, и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение, частота которого будет соответствовать основной резонансной частоте тестируемого кварцевого резонатора.
Подключив к выходу пробника частотомер, пользователь сможет наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна, если небольшой нагрев резонатора поднесенным паяльником не приводит к сильному уплыванию частоты, то резонатор исправен. Если же генерации не будет, или частота будет плавать или окажется совсем другой, чем должна быть для тестируемого компонента, то резонатор неисправен, и его следует заменить.
Данный пробник удобен и для предварительной настройки колебательных контуров, в этом случае конденсатор C1 обязателен, хотя при проверке резонаторов его можно из схемы исключить. Контур просто подключается вместо резонатора, и схема начинает генерировать колебания аналогичным образом.
Пробник собранный по приведенной схеме замечательно работает на частотах от 15 до 20 МГц. Для иных диапазонов вы всегда можете поискать схемы в интернете, благо их там много, как на дискретных компонентах, так и на микросхеме.
Андрей Повный, редактор сайта Электрик Инфо
- Биполярные и полевые транзисторы — в чем различие
- Чем отличаются аналоговые и цифровые датчики
- Как подобрать аналог транзистора
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями:
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.
Q-фактор для кристалла кварца
Q — это краткая форма слова Quality («Качество»). Это важный аспект резонанса кварцевого резонатора. Другое его название — коэффициент добротности, он определяет стабильность частоты кристалла. В большинстве случаев добротность кристалла кварца находится в диапазоне от 20 000 до более 100 000. Иногда встречаются кварцы с добротностью более 200 000.
Добротность кристалла кварца можно рассчитать по следующей формуле:
где XL — реактивное сопротивление кристалла, а R — его активное сопротивление .
Пример расчета характеристик кварцевого резонатора
Исходные данные для расчета:
R1 = 6.8R
C1 = 0.09970pF
L1 = 3mH
C2 = 30pF
Последовательная резонансная частота кристалла будет равна:
Параллельная резонансная частота кристалла fp будет равна:
Итак, теперь мы знаем, что последовательная резонансная частота рассматриваемого нами кристалла кварца составляет 9,20 МГц, а его параллельная резонансная частота — 9,23 МГц.
Добротность нашего кристалла будет равна:
Что такое кварцевый резонатор?
В современной цифровой электронике и микропроцессорной технике достаточно легко можно обнаружить электронный компонент называемый кварцевый резонатор. В принципе в упрощенном виде, он представляет из себя колебательный контур на основе емкости и индуктивности, но кварцевый резонатор превосходит классический LC-контур по очень многим параметрам и свойствам.
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
С0 – 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 С0, 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.
Пьезоэлектрический эффект
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.
Как проверить кварцевый резонатор
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
Характеристики кварцевых резонаторов
Кварцевый резонатор — компонент, применяемый в радиотехническом оборудовании для генерации электромагнитных импульсов. Это элемент с высоким уровнем добротности, позволяющий создавать стабильные частотные колебания, которые могут приниматься за образец микроконтроллером. За счет применения кварцевых резонаторов удается добиться высокой точности работы электроприборов и снизить влияние различных помех.
Устройство и виды
Принцип работы кварцевого резонатора основан на явлении пьезоэффекта. Материалы с пьезоэлектрическими свойствами способны генерировать электрические импульсы при деформации. К пьезоэлектрикам относятся и кристаллы кварца. В современных кварцевых резонаторах для увеличения доступности их стоимости используется синтетически выращенные низкотемпературные кварцы, устойчивые к внешним воздействиям.
Конструкция элемента представляет собой корпус, внутри которого находится кварцевая пластина с двумя подведенными разнополярными выводами. При подаче на пластину переменного тока она деформируется и резонирует, генерируя частотные колебания постоянной величины.
Виды кварцевых резонаторов отличаются по конструкции и принципу работы:
- параллельные и последовательные в зависимости от вида резонанса;
- прямоугольные, круглые, цилиндрические и плоские по форме корпуса;
- по материалу корпуса — он может быть изготовлен из металла, пластика, стекла;
- по виду корпусирования — герметичные и негерметичные.
Назначение кварцевых резонаторов
Кварцевые резонаторы используются в качестве надежных колебательных контуров благодаря своей высокодобротности и доступности. Они обладают высокой температурной стабильностью, имеют огромный срок службы и очень компактные размеры, позволяющие использовать их практически в любых устройствах.
Для чего нужны кварцевые резонаторы? Они позволяют обеспечить точность и стабильность работы электрооборудования без фазовых шумов даже в условиях возникновения помех. Эти элементы применяются:
- в аудио- и радиотехнике;
- измерительных приборах;
- приборах для эхолокации;
- в часовых механизмах.
Какие характеристики кварцевого резонатора учесть при выборе
Чтобы правильно подобрать элемент под оборудование, сверьтесь со следующими характеристиками:
- номинальная частота;
- частотная стабильность;
- электрическая емкость;
- сопротивление коэффициент старения кварца;
- диапазон рабочих температур;
- размеры;
- тип установки.
Все позиции кварцевых резонаторов в каталоге резонаторов и фильтров снабжены подробными техническими описаниями. Для уточнения информации по выбору, ассортименту и стоимости товаров свяжитесь с менеджерами по бесплатному телефону вверху страницы или через форму обратного звонка.
