Kvarca rezonatori: mērķis, pielietojums, darbības princips, lietošanas īpašības
Kam paredzēti kvarca rezonatori?
Mūsdienu digitālā elektronika ar mikroprocesoriem un mikrokontrolleriem ir vienkārši neiedomājama bez pulksteņa svārstībām. Un kur tiek iegūtas pulksteņa svārstības, tur ir ģeneratora un svārstību sistēmas darbība, un tur, kur ir svārstību sistēma, noteikti parādīsies gan rezonanses parādība, gan tik svarīgs parametrs kā kvalitātes faktors. Šeit mēs tiekam iepazīstināti ar kvarca rezonatoriem (oscilatoriem).
Kvarca rezonators (kvarcs) ir elektromagnētisko svārstību ģenerators ar augstu frekvences noturības pakāpi, kas izmanto kvarca plāksnes pjezoelektriskās un mehāniskās īpašības.
Saskaņā ar darbības principu kvarca rezonators ir oscilators ar kvarca frekvences stabilizāciju. Šādi ģeneratori tiek izmantoti kā ļoti stabils galvenais ģenerators mērīšanas iekārtās, frekvences un laika etalonos, kvarca pulksteņos, kā arī dažādās elektroniskajās iekārtās.
Kvarca rezonatoru trūkums ir tāds, ka tie var ģenerēt tikai fiksētās frekvencēs, ko nosaka kvarca rezonanses frekvence, un praktiski neļauj noregulēt frekvenci.
Visas kvarca rezonatoru ķēdes ir sadalītas divās lielās grupās atkarībā no tā, kāda kvarca rezonanse (paralēlā vai virknē) tajās tiek izmantota. Visizplatītākās ir kvarca rezonatoru shēmas, kurās kvarcs darbojas tuvu tā paralēlajai rezonanses frekvencei.
Tātad kvarca rezonators elektroniskajā shēmā ir nepārspējama alternatīva jebkuram oscilējošā ķēdekas sastāv no kondensatora un induktora. Izeja ir augstākais kvarca rezonatoru Q koeficients. Kamēr laba LC ķēde sasniedz Q koeficientu 300, kvarca rezonatora Q koeficients var sasniegt pat 10 000 000. Kā redzat, pārākums ir desmitiem tūkstošu reižu. Tādējādi nevienu oscilējošu ķēdi nevar salīdzināt ar kvarca rezonatoru Q koeficienta ziņā.
Lieki piebilst par temperatūras ietekmi uz rezonanses frekvenci. Tās pašas oscilējošās ķēdes rezonanses frekvence ir ļoti atkarīga no tajā ienākošā kondensatora TKE (temperatūras kapacitātes koeficienta). Savukārt kvarcam ir ļoti augsta temperatūras stabilitāte, tāpēc kvarca rezonatori stingri notur savas pozīcijas kā svārstību avoti dažādiem mērķiem paredzētiem pulksteņa frekvences ģeneratoriem.
Kā darbojas kvarca rezonators
Lai saprastu, kā darbojas un darbojas kvarca rezonators, pietiek atcerēties, kas tas ir pjezoelektriskais efekts… Iedomājieties zemas temperatūras kvarca (silīcija dioksīda) plāksni, kas noteiktā veidā izgriezta no kristāla.Leņķis, kādā no kristāla tiek izgriezta plāksne, nosaka ražotā rezonatora elektromehāniskās īpašības. Tagad šai plāksnei no abām pusēm ir piestiprināti elektrodi, uzklājot niķeļa, platīna, zelta vai sudraba slāņus, un tiem ir piestiprinātas cietas stieples. Visa konstrukcija ir ievietota nelielā noslēgtā korpusā.
Tādējādi tika iegūta elektromehāniskā svārstību sistēma, kurai (pateicoties zemas temperatūras kvarca dabiskajām īpašībām) ir pjezoelektrisks efekts un tai ir sava rezonanses frekvence.
Ja tagad elektrodiem tiek pielikts maiņspriegums, kura frekvence ir tuvu radušās svārstību sistēmas rezonanses frekvencei, tad plāksne sāks mehāniski sarukt un paplašināties ar maksimālo amplitūdu, un pjezoelektriskā efekta dēļ, jo tuvāk pieliktā sprieguma frekvence ir līdz rezonansei, jo mazāka būs rezonatora pretestība. Šī ir līdzība kvarca rezonatoram ar augstfrekvences oscilatora ķēdi. Rezultāts būtībā ir analogs sērijveida LC ķēdei.
Kvarca rezonatora raksturojums
Kvarca rezonatoru var attēlot līdzvērtīgas ķēdes veidā, kurā C0 ir montāžas elektriskā kapacitāte, ko veido metāla kabeļu turētāji un elektrodi. C1, L un R ir plāksnes kapacitāte, induktivitāte un aktīvā pretestība tieši ar elektrodiem, kā reālas oscilācijas ķēdes analogs, kas iegūts plāksnes elektromehānisko īpašību dēļ.
Ja no ķēdes izslēdzam montāžas kapacitāti C0, tad mēs skaidri iegūsim virknes svārstību ķēdi.Kas attiecas uz rezonatora apzīmējumu diagrammā, tas izskatās kā kondensators ar taisnstūri, kas simbolizē kvarca kristālu starp plāksnēm.
Kvarca rezonatoru montāžas un demontāžas procesā uz plāksnēm ar lodēšanu jāatceras, ka kvarca pārkaršana virs 573 ° C ir saistīta ar kristāla pjezoelektrisko īpašību zudumu.