Křemenné rezonátory: účel, použití, princip činnosti, vlastnosti použití

K čemu jsou křemenné rezonátory?

Moderní digitální elektronika doplněná mikroprocesory a mikrokontroléry je prostě nemyslitelná bez hodinových oscilací. A tam, kde se získávají kmity hodin, tam je provoz generátoru a oscilačního systému a tam, kde je oscilační systém, se nutně objeví jak jev rezonance, tak i tak důležitý parametr, jako je činitel jakosti. Zde se seznámíme s křemennými rezonátory (oscilátory).

Křemenný rezonátor (quartz) je generátor elektromagnetických kmitů s vysokým stupněm frekvenční stálosti, který využívá piezoelektrických a mechanických vlastností křemenné desky.

Křemenný rezonátor je podle principu činnosti oscilátor s křemennou frekvenční stabilizací. Takové generátory se používají jako vysoce stabilní hlavní generátor v měřicích zařízeních, frekvenčních a časových etalonech, quartzových hodinách a také v různých elektronických zařízeních.

Nevýhodou křemenných rezonátorů je, že mohou generovat pouze na pevných frekvencích určených rezonanční frekvencí křemene a prakticky neumožňuje frekvenční ladění.

Všechny obvody křemenných rezonátorů jsou rozděleny do dvou velkých skupin podle toho, jaká křemenná rezonance (paralelní nebo sériová) je v nich použita. Nejrozšířenější jsou obvody quartzových rezonátorů, ve kterých křemen pracuje blízko své paralelní rezonanční frekvence.

Takže křemenný rezonátor v elektronickém obvodu je nepřekonatelnou alternativou k jakémukoli jinému oscilační obvodskládající se z kondenzátoru a induktoru. Výstupem je nejvyšší Q-faktor křemenných rezonátorů. Zatímco dobrý LC obvod dosahuje Q-faktoru 300, Q-faktor quartzového rezonátoru může dosáhnout až 10 000 000. Jak vidíte, převaha je desetitisíckrát. Žádný oscilační obvod se tedy nemůže z hlediska Q-faktoru srovnávat s křemenným rezonátorem.

O vlivu teploty na rezonanční frekvenci netřeba říkat. Rezonanční frekvence stejného oscilačního obvodu silně závisí na TKE (teplotní koeficient kapacity) kondenzátoru, který do něj vstupuje. Křemen má naproti tomu velmi vysokou teplotní stabilitu, proto křemenné rezonátory pevně drží své pozice jako zdroje kmitání pro generátory hodinové frekvence pro různé účely.

Jak funguje křemenný rezonátor

Abychom pochopili, jak křemenný rezonátor funguje a funguje, stačí si zapamatovat, co to je piezoelektrický efekt… Představte si desku nízkoteplotního křemene (oxidu křemičitého) vyřezaného z krystalu určitým způsobem.Úhel, pod kterým je plátek vyříznut z krystalu, určuje elektromechanické vlastnosti vyráběného rezonátoru. K této desce jsou nyní elektrody připevněny z obou stran nanesením vrstev niklu, platiny, zlata nebo stříbra a k nim jsou připevněny pevné dráty. Celá konstrukce je umístěna v malém uzavřeném pouzdře.

Tak byl získán elektromechanický oscilační systém, který má (vzhledem k přirozeným vlastnostem nízkoteplotního křemene) piezoelektrický efekt a má vlastní rezonanční frekvenci.

Pokud se nyní na elektrody přivede střídavé napětí, jehož frekvence je blízká rezonanční frekvenci výsledné oscilační soustavy, pak se deska začne mechanicky smršťovat a roztahovat s maximální amplitudou a díky piezoelektrickému jevu se tím více přibližuje. frekvence přiváděného napětí je rezonance, tím nižší bude odpor rezonátoru. Toto je analogie křemenného rezonátoru s obvodem vysokofrekvenčního oscilátoru. Výsledek je v podstatě analogický sériovému LC obvodu.

Charakteristika křemenného rezonátoru

Křemenný rezonátor může být reprezentován ve formě ekvivalentního obvodu, ve kterém C0 je montážní elektrická kapacita tvořená kovovými držáky kabelů a elektrodami. C1, L a R jsou kapacita, indukčnost a činný odpor desky přímo s elektrodami, jako analoga skutečného oscilačního obvodu získaného díky elektromechanickým vlastnostem desky.

Pokud z obvodu vyloučíme montážní kapacitu C0, dostaneme výslovně sériový oscilační obvod.Pokud jde o označení rezonátoru ve schématu, vypadá jako kondenzátor s obdélníkem symbolizujícím krystal křemene mezi deskami.

V procesu montáže a demontáže křemenných rezonátorů na deskách pájením je třeba mít na paměti, že přehřátí křemene nad 573 ° C je spojeno se ztrátou piezoelektrických vlastností krystalu.