Co je křemenný rezonátor a jak funguje?

Křemenný rezonátor je elektronické zařízení založené na piezoefektu a mechanické rezonanci. Používá se v rozhlasových stanicích, kde nastavuje nosnou frekvenci, v hodinách a časovačích, kde zaznamenává interval 1 sekundy.

Co to je a proč ji potřebujete

Zařízení je zdrojem vysoce přesných harmonických oscilací. Ve srovnání s konkurencí má vysokou účinnost a stabilní parametry.

První příklady moderních zařízení se objevily na rozhlasových stanicích ve 20. a 30. letech 20. století jako prvky stabilního provozu schopné nastavit nosnou frekvenci. Jsou to:

• Nahradil krystalové rezonátory na bázi segnaetiové soli, které vynalezl Alexander M. Nicholson v roce 1917 a které se vyznačovaly nestabilitou;
• nahradit předchozí obvod cívka-kondenzátor, který nebyl příliš dobrý do 300 a byl ovlivněn změnami teploty.

O něco později se křemenné rezonátory staly nedílnou součástí časovačů, hodin a hodinek. Elektronické součástky s vlastní rezonanční frekvencí 32768 Hz, která v binárním 15místném čítači nastavuje časový interval na 1 sekundu.

Zařízení se dnes používají v:

• křemenné hodiny, které jsou přesné bez ohledu na okolní teplotu;
• Měřicí přístroje, které jim zaručují vysokou přesnost;
• mořské echoloty používané při průzkumu a mapování mořského dna, určování útesů, mělčin a lokalizace objektů ve vodě.
• obvody odpovídající referenčním oscilátorům pro frekvenční syntézu
• obvody používané při indikaci vln SSB nebo telegrafních signálů;
• rádia se signálem DSB na mezifrekvenci.
• pásmové filtry Přijímače typu superheterodynTy jsou stabilnější a robustnější než LC filtry.

Zařízení jsou k dispozici v různých pouzdrech. Dělí se na průchozí, používané při objemové montáži, a SMD, používané při povrchové montáži.

Jejich provoz závisí na spolehlivosti spínacího obvodu, která ovlivňuje:

• odchylka frekvence od požadované hodnoty, stabilita parametrů
• rychlost stárnutí zařízení;
• kapacita zátěže.

Vlastnosti křemenného rezonátoru

Překonává předchozí analogy, což z něj činí nepostradatelné zařízení v mnoha elektronických obvodech, a vysvětluje rozsah zařízení. O tom svědčí i skutečnost, že za první desetiletí od vynálezu bylo v USA vyrobeno více než 100 000 kusů (nepočítaje v to ostatní země).

Mezi pozitivní vlastnosti křemenných rezonátorů, které vysvětlují popularitu, patří poptávka po těchto zařízeních:

• dobrý faktor kvality, jehož hodnoty - 104-106 - převyšují parametry dříve používaných analogů (mají faktor kvality 300);
• malé rozměry, které lze měřit na zlomky milimetru;
• odolné vůči teplotním výkyvům;
• dlouhá životnost;
• snadnost výroby;
• možnost sestavit vysoce kvalitní kaskádové filtry bez nutnosti ručního ladění.

Křemenné rezonátory mají také nevýhody:

• vnější prvky umožňují nastavení frekvence v úzkém rozsahu;
• mají křehkou konstrukci;
• nesnášejí nadměrné teplo.

Princip činnosti křemenného rezonátoru

Zařízení funguje na základě piezoefektu, který se projevuje na křemenné destičce, a nízké teploty. Prvek je vybroušen z jednoho kusu křemenného krystalu, přičemž je dodržen předem stanovený úhel. Ten určuje elektrochemické parametry rezonátoru.

Desky jsou z obou stran potaženy vrstvou stříbra (vhodné jsou platina, nikl, zlato). Poté jsou pevně upevněny v uzavřeném pouzdře. Zařízení je oscilační systém, který má vlastní rezonanční frekvenci.

Když jsou elektrody vystaveny střídavému napětí, křemenná deska, která má piezoelektrické vlastnosti, se ohýbá, stlačuje, posouvá (v závislosti na typu zpracování krystalu). Současně se v něm vytváří protisměrné EMP, jako v cívce induktoru v oscilačním obvodu.

Když se přiloží napětí o frekvenci, která se shoduje s vlastním kmitáním desky, nastane v zařízení rezonance. Současně:

• křemenný prvek má zvýšenou amplitudu kmitání;
• odpor rezonátoru se výrazně sníží.

Energie potřebná k udržení kmitání je při stejných frekvencích nízká.

Označení křemenného rezonátoru ve schématu zapojení

Zařízení se označuje stejně jako kondenzátor. Rozdíl: Mezi svislými úsečkami je obdélník - symbol desky z křišťálu. Strany obdélníku a kryty kondenzátoru odděluje mezera. Ve schématu se vedle něj může objevit symbol QX.

Jak testovat křemenný rezonátor

Problémy s malými zařízeními nastávají při silném nárazu. K tomu dochází při pádu zařízení obsahujícího rezonátory. Ty druhé selhávají a je třeba je vyměnit podle stejného vzoru.

Kontrola správné funkce rezonátoru vyžaduje tester. Je sestaven na základě tranzistoru KT3102, 5 kondenzátorů a 2 rezistorů (zařízení je podobné křemennému oscilátoru sestavenému na tranzistoru).

Zařízení musí být připojeno k bázi tranzistoru a k zápornému pólu v zapojení, přičemž je zařízení chráněno ochranným kondenzátorem. Napájení spínacího obvodu je konstantní 9 V. Plusová strana je připojena na vstup tranzistoru, na jeho výstup přes kondenzátor - měřič frekvence, který zaznamenává frekvenční parametry rezonátoru.

Obvod se používá při nastavování oscilačního obvodu. Pokud je rezonátor v dobrém stavu, vydává po připojení oscilace, které způsobují střídavé napětí na emitoru tranzistoru. Frekvence napětí se shoduje s frekvencí rezonátoru.

Zařízení je vadné, pokud měřič frekvence nezaznamená výskyt frekvence nebo zaznamená přítomnost frekvence, ale ta se buď výrazně liší od jmenovité, nebo se při zahřátí pouzdra pájkou výrazně změní.

Související články: