Kvarcni rezonatori: namjena, primjena, princip djelovanja, karakteristike uporabe
Čemu služe kvarcni rezonatori?
Moderna digitalna elektronika, zajedno s mikroprocesorima i mikrokontrolerima, jednostavno je nezamisliva bez oscilacija sata. A gdje se dobiju oscilacije sata, tu je rad generatora i oscilirajućeg sustava, a gdje je oscilirajući sustav, nužno će se pojaviti i fenomen rezonancije i tako važan parametar kao što je faktor kvalitete. Ovdje se upoznajemo s kvarcnim rezonatorima (oscilatorima).
Kvarcni rezonator (kvarc) je generator elektromagnetskih oscilacija s visokim stupnjem konstantnosti frekvencije, koji koristi piezoelektrična i mehanička svojstva kvarcne ploče.
Po principu rada kvarcni rezonator je oscilator s kvarcnom stabilizacijom frekvencije. Takvi se generatori koriste kao vrlo stabilni glavni generatori u mjernoj opremi, etalonima frekvencije i vremena, kvarcnim satovima, kao i u raznim elektroničkim uređajima.
Nedostatak kvarcnih rezonatora je da mogu generirati samo na fiksnim frekvencijama koje određuju rezonantna frekvencija kvarca i praktički ne dopušta podešavanje frekvencije.
Svi krugovi kvarcnog rezonatora podijeljeni su u dvije velike skupine ovisno o tome koja se kvarcna rezonancija (paralelna ili serijska) u njima koristi. Najrašireniji su kvarcni rezonatorski krugovi, u kojima kvarc radi blizu svoje paralelne rezonantne frekvencije.
Dakle, kvarcni rezonator u elektroničkom krugu nepobjediva je alternativa bilo kojem titrajni krugkoji se sastoji od kondenzatora i induktora. Izlaz je najveći Q-faktor kvarcnih rezonatora. Dok dobar LC krug doseže Q-faktor od 300, Q-faktor kvarcnog rezonatora može doseći i do 10 000 000. Kao što vidite, superiornost je desetke tisuća puta. Dakle, nijedan titrajni krug se ne može usporediti s kvarcnim rezonatorom po Q-faktoru.
Suvišno je govoriti o utjecaju temperature na frekvenciju rezonancije. Rezonantna frekvencija istog titrajnog kruga jako ovisi o TKE (temperaturni koeficijent kapacitivnosti) kondenzatora koji u njega ulazi. Kvarc, s druge strane, ima vrlo visoku temperaturnu stabilnost, zbog čega kvarcni rezonatori čvrsto drže svoje pozicije kao izvori oscilacija za generatore taktne frekvencije za različite namjene.
Kako radi kvarcni rezonator
Da biste razumjeli kako kvarcni rezonator radi i radi, dovoljno je zapamtiti što je to piezoelektrični učinak… Zamislite ploču niskotemperaturnog kvarca (silicijev dioksid) izrezanu iz kristala na određeni način.Kut pod kojim je pločica izrezana iz kristala određuje elektromehanička svojstva rezonatora koji se proizvodi. Sada su na ovu ploču s obje strane pričvršćene elektrode nanošenjem slojeva nikla, platine, zlata ili srebra, a na njih su pričvršćene čvrste žice. Cijela je struktura smještena u malo zatvoreno kućište.
Tako je dobiven elektromehanički oscilirajući sustav koji ima (zbog prirodnih svojstava niskotemperaturnog kvarca) piezoelektrični učinak i ima vlastitu rezonantnu frekvenciju.
Ako se sada na elektrode dovede izmjenični napon čija je frekvencija bliska rezonantnoj frekvenciji nastalog titrajnog sustava, tada će se ploča početi mehanički skupljati i širiti s maksimalnom amplitudom, a zbog piezoelektričnog efekta sve bliže ako je frekvencija primijenjenog napona jednaka rezonanciji, to će otpor rezonatora biti manji. Ovo je analogija kvarcnog rezonatora s visokofrekventnim oscilatorskim krugom. Rezultat je u biti analogan serijskom LC krugu.
Karakteristike kvarcnog rezonatora
Kvarcni rezonator može se prikazati u obliku ekvivalentnog kruga, u kojem je C0 montažni električni kapacitet koji čine metalni držači kabela i elektrode. C1, L i R su kapacitet, induktivitet i aktivni otpor ploče izravno s elektrodama, kao analog realnog titrajnog kruga dobivenog zahvaljujući elektromehaničkim svojstvima ploče.
Ako iz kruga isključimo montažni kapacitet C0, tada ćemo eksplicitno dobiti serijski titrajni krug.Što se tiče oznake rezonatora na dijagramu, on izgleda kao kondenzator s pravokutnikom koji simbolizira kvarcni kristal između ploča.
U procesu montaže i demontaže kvarcnih rezonatora na pločama lemljenjem, treba imati na umu da je pregrijavanje kvarca iznad 573 ° C prepuno gubitka piezoelektričnih svojstava kristala.