Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить
Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить
Современные цифровые технологии требуют высокой точности, поэтому неудивительно, что почти каждое цифровое устройство, которое сегодня бросается в глаза среднестатистическому человеку, содержит внутри себя кварцевый резонатор.
Кварцевые резонаторы различных частот необходимы как надежные и стабильные источники гармонических колебаний, чтобы цифровые микроконтроллеры могли опираться на опорную частоту при работе цифровых устройств и использовать ее для дальнейшей работы. Поэтому кварцевые резонаторы являются надежной альтернативой колебательным LC-цепям.
Если мы рассмотрим простую схему генератора, состоящую из конденсатора и дросселя, мы быстро увидим, что добротность такого контура в схеме не превысит 300, а емкость конденсатора будет плавать в зависимости от температуры окружающей среды, а то же самое произойдет и с состоянием индуктора.
Небезосновательно наличие у конденсаторов и катушек таких параметров, как ТКЕ (температурный коэффициент емкости) и ТКИ (температурный коэффициент индуктивности), показывающих, насколько изменяются основные параметры этих компонентов при изменении их температуры.
В отличие от колебательных контуров, кварцевые резонаторы имеют добротность, которой не могут достичь колебательные контуры, с измеренными значениями в диапазоне от 10 000 до 10 000 000, а у кварцевых резонаторов нет проблем с температурной стабильностью, поскольку частота остается постоянной при любом значении температуры, обычно в диапазон от -40°C до +70°C.
Поэтому кварцевые резонаторы широко используются в радиотехнике и цифровой электронике благодаря высокой температурной стабильности и добротности.
Чтобы установить тактовую частоту микроконтроллера или процессора, всегда требуется тактовый генератор, на который можно надежно положиться, и этот генератор всегда требует тактового генератора, который является высокочастотным и в то же время высокоточным. Здесь в игру вступают кварцевые резонаторы. Конечно, в некоторых приложениях можно использовать пьезокерамический резонатор с добротностью 1000, чего достаточно для электронных игрушек и домашних радиоприемников, но для более точных устройств потребуется кварц.
Принцип работы кварцевого резонатора основан на пьезоэлектрическом эффекте, возникающем на кварцевой пластине. Кварц является полиморфной модификацией диоксида кремния (SiO2) и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. В свободном состоянии земная кора содержит около 12% кварца, кроме того, кварц существует и в виде смесей с другими минералами. В целом в земной коре содержится более 60% кварца (массовая доля).
Низкотемпературный кварц обладает значительными пьезоэлектрическими свойствами и пригоден для изготовления резонаторов. Кварц химически очень стабилен и растворяется только в плавиковой кислоте. Кварц тверже опала, но не такой твердый, как алмаз.
Для изготовления кварцевой плиты из кристалла кварца вырезается кусок под строго заданным углом. В зависимости от угла резки электромеханические свойства полученной кварцевой пластины будут различаться.
Многое зависит от типа резки: частота, температурная стабильность, резонансная устойчивость и наличие или отсутствие паразитных резонансных частот. Затем обе стороны пластины покрывают слоем металла, который может быть никелем, платиной, серебром или золотом, а для крепления пластины к основанию корпуса кварцевого резонатора используется жесткая проволока. Последний этап – герметизация собранного корпуса.
Читайте также статью: как войти в gmail без телефона
В результате получается колебательная система со своей резонансной частотой, а полученный таким образом кварцевый резонатор — со своей резонансной частотой, которая определяется электромеханическими параметрами.
Теперь, если к металлическим электродам пластика приложить переменное напряжение заданной резонансной частоты, возникает явление резонанса и амплитуда простого гармонического колебания пластины увеличивается очень существенно. В этом случае сопротивление резонатора значительно уменьшится, т.е процесс аналогичен тому, что происходит в последовательном колебательном контуре. Благодаря высокой добротности этого «генераторного контура» его потери энергии при возбуждении на резонансной частоте незначительны.
На эквивалентной схеме: С2 — статическая емкость пластины с кронштейном, L — индуктивность, С1 — емкость, R — сопротивление, отражающее электромеханические характеристики установленной кварцевой пластины. Если вы удалите монтажные компоненты, у вас останется последовательная LC-цепь.
Кварцевые резонаторы не должны перегреваться при монтаже на печатную плату, поскольку их конструкция достаточно хрупкая, а перегрев может вызвать деформацию электродов и кронштейнов, что обязательно отразится на работе резонатора в готовом устройстве. Если кварц нагреть до 5730°С, он полностью потеряет свои пьезоэлектрические свойства, но, к счастью, нагреть элемент до таких температур паяльником невозможно.
Название кварцевого резонатора на картинке аналогично названию конденсатора, обкладки которого (кварцевые пластины) имеют между собой прямоугольник и буквы «ZQ» или «Z».
Причиной выхода из строя кварцевого резонатора зачастую является то, что оборудование, на котором установлен кварцевый резонатор, упало или сильно ударилось, и тогда его необходимо заменить новым резонатором с той же резонансной частотой. Этот тип повреждений характерен для небольших устройств, которые легко ронять. Но по статистике такого рода поломки кварцевых резонаторов встречаются крайне редко, и чаще всего выход устройства из строя вызван другими причинами.
Видео: Как проверить кварцевый резонатор.
Чтобы проверить исправность кварцевого резонатора, можно собрать небольшой щуп, который не только поможет убедиться в исправности резонатора, но и позволит просмотреть его резонансную частоту. Схема пробника представляет собой типичную схему кварцевого генератора с одним транзистором.
Вскройте резонатор между базовым и отрицательным выводами (можно использовать через защитный конденсатор на случай короткого замыкания резонатора) и останется только измерить частотомером резонансную частоту. Эта схема также подходит для предварительно настроенных генераторных схем.
При включении схемы рабочий резонатор будет способствовать генерации колебаний и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение, частота которого будет соответствовать основной резонансной частоте испытуемого кварцевого резонатора.
Подключив частотомер к выходу зонда, пользователь может наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна и нет сильного дрейфа частоты, если слегка нагреть резонатор паяльником, то это означает, что резонатор работает исправно. Если мощность не генерируется или частота плавает или полностью отличается от частоты проверяемого компонента, резонатор неисправен и его следует заменить.
Этот пробник удобен и для предварительно настроенных генераторных схем; в этом случае необходим конденсатор С1, хотя при осмотре резонатора его можно исключить из схемы. Просто подключите схему вместо резонатора, и схема начнет колебаться таким же образом.
Пробник, собранный по приведенной схеме, очень хорошо работает на частотах от 15 до 20 МГц. Схемы других серий всегда можно поискать в Интернете, благо их предостаточно, как для дискретных компонентов, так и для микросхем.
Андрей Повный, редактор сайта «Информация об Электрике
- Биполярный транзистор и полевой транзистор – в чем разница
- В чем разница между аналоговыми датчиками и цифровыми датчиками
- Как выбрать аналоговый транзистор
Надеюсь, эта статья была вам полезна. См также «Электрическая энергия в повседневной жизни и работе» Другие статьи в категории «Практическая электроника
Подписывайтесь на наш Telegram-канал об электронике для профессионалов и любителей: Полезная электроника для повседневного использования
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Читайте также статью: Что такое сильфонные компенсаторы
