Rezonator kwarcowy to urządzenie elektroniczne wykorzystujące efekt piezoelektryczny oraz rezonans mechaniczny. Jest on stosowany w stacjach radiowych, gdzie ustala częstotliwość nośną, w zegarach i timerach, rejestrując odstępy 1 sekundy.
Spis treści
Co to jest i dlaczego jest potrzebne
Urządzenie jest źródłem wysoce precyzyjnych oscylacji harmonicznych. W porównaniu ze swoimi odpowiednikami charakteryzuje się wysoką wydajnością i stabilnymi parametrami.
Pierwsze przykłady nowoczesnych urządzeń pojawiły się w stacjach radiowych w latach 20. i 30. ubiegłego wieku jako elementy o stabilnym działaniu, zdolne do ustawiania częstotliwości nośnej. Oni:
- Zastąpiły rezonatory krystaliczne oparte na soli segnaetu, wynalezione przez Alexandra M. Nicholsona w 1917 r. i charakteryzujące się niestabilnością;
- Zastąpił on stosowany wcześniej układ cewka-kondensator, który jednak nie był zbyt dobry przy temperaturach do 300 i ulegał zmianom pod wpływem zmian temperatury.
Nieco później rezonatory kwarcowe stały się integralną częścią czasomierzy, zegarów i zegarków. Elementy elektroniczne o wewnętrznej częstotliwości rezonansowej 32768 Hz, która w binarnym liczniku 15-cyfrowym ustawia przedział czasowy na 1 sekundę.
Urządzenia te są obecnie stosowane w:
- zegarów kwarcowych, zapewniając im precyzję niezależnie od temperatury otoczenia;
- Przyrządy pomiarowe, które gwarantują im wysoką dokładność;
- echosondy morskie stosowane w badaniach oraz do mapowania dna morskiego, ustalania położenia raf, ławic i lokalizowania obiektów w wodzie
- obwody odpowiadające oscylatorom referencyjnym syntetyzującym częstotliwość
- obwody stosowane w falowych wskazaniach sygnałów SSB lub telegraficznych;
- radiotelefony z sygnałem DSB na częstotliwości pośredniej
- filtry pasmowe Odbiorniki superheterodynoweSą one bardziej stabilne i wytrzymałe niż filtry LC.
Urządzenia są dostępne w różnych obudowach. Dzielą się na przelotowe, stosowane w montażu objętościowym, i SMD, stosowane w montażu powierzchniowym.
Ich działanie zależy od niezawodności obwodu przełączającego, która ma wpływ na:
- odchylenie częstotliwości od wartości wymaganej, stabilność parametrów
- szybkość starzenia się urządzenia;
- pojemność obciążenia.
Właściwości rezonatora kwarcowego
Przewyższa poprzednie analogi, co sprawia, że jest niezastąpiony w wielu układach elektronicznych, i wyjaśnia zakres zastosowania urządzenia. Świadczy o tym fakt, że w ciągu pierwszej dekady od wynalezienia tego urządzenia w USA wyprodukowano ponad 100 000 egzemplarzy (nie licząc innych krajów).
Wśród pozytywnych właściwości rezonatorów kwarcowych, które tłumaczą ich popularność, wymienia się popyt na te urządzenia:
- dobry współczynnik jakości, którego wartości - 104-106 - przewyższają parametry poprzednio stosowanych analogów (o współczynniku jakości 300);
- małe wymiary, które można mierzyć w ułamkach milimetra;
- odporne na wahania temperatury;
- długi okres eksploatacji;
- łatwość wykonania;
- możliwość budowania wysokiej jakości filtrów kaskadowych bez konieczności ręcznego dostrajania.
Rezonatory kwarcowe mają również wady:
- elementy zewnętrzne umożliwiają regulację częstotliwości w wąskim zakresie;
- mają delikatną konstrukcję;
- nie tolerują nadmiernego ciepła.
Zasada działania rezonatora kwarcowego
Urządzenie działa w oparciu o efekt piezoelektryczny, który występuje na płytce kwarcowej, oraz niską temperaturę. Element jest wycinany z jednego kawałka kryształu kwarcu pod określonym kątem. Ta ostatnia określa parametry elektrochemiczne rezonatora.
Płyty są pokrywane z obu stron warstwą srebra (można stosować platynę, nikiel, złoto). Następnie są one trwale mocowane w obudowie, która jest szczelnie zamykana. Urządzenie jest systemem oscylującym, który ma własną częstotliwość rezonansową.
Gdy elektrody są poddawane działaniu zmiennego napięcia, płytka kwarcowa, która ma właściwości piezoelektryczne, wygina się, ściska, przesuwa (w zależności od rodzaju obróbki kryształu). Jednocześnie pojawia się w nim przeciwne EMF, tak jak w cewce indukcyjnej w obwodzie drgającym.
Gdy napięcie jest przykładane z częstotliwością, która pokrywa się z naturalnymi drganiami płytki, w urządzeniu pojawia się rezonans. W tym samym czasie:
- element kwarcowy ma zwiększoną amplitudę oscylacji;
- rezystancja rezonatora jest znacznie mniejsza.
Energia potrzebna do podtrzymania oscylacji jest niewielka, gdy częstotliwości są równe.
Oznaczenie rezonatora kwarcowego na schemacie elektrycznym
Urządzenie to jest oznaczane w taki sam sposób jak kondensator. Różnica: Pomiędzy pionowymi odcinkami znajduje się prostokąt - symbol płytki wykonanej z kryształu kwarcu. Boki prostokąta i okładki kondensatora są oddzielone szczeliną. Obok niego na schemacie może pojawić się symbol QX.
Jak sprawdzić rezonator kwarcowy
Problemy z małymi urządzeniami pojawiają się, gdy otrzymują one silne uderzenie. Dzieje się tak, gdy urządzenia zawierające rezonatory są upuszczane. Te ostatnie ulegają awarii i wymagają wymiany na tych samych zasadach.
Sprawdzenie poprawności działania rezonatora wymaga użycia testera. Jest on zmontowany na bazie tranzystora KT3102, 5 kondensatorów i 2 rezystorów (urządzenie jest podobne do oscylatora kwarcowego zmontowanego na tranzystorze).
Urządzenie należy podłączyć do bazy tranzystora i bieguna ujemnego w połączeniach przewodów, zabezpieczając je kondensatorem ochronnym. Zasilanie obwodu przełączającego jest stałe i wynosi 9 V. Do wejścia tranzystora podłączony jest plus, do jego wyjścia poprzez kondensator - częstościomierz, który rejestruje parametry częstotliwościowe rezonatora.
Układ jest wykorzystywany do regulacji obwodu oscylacyjnego. Gdy rezonator jest w dobrym stanie, po podłączeniu emituje oscylacje, które powodują pojawienie się napięcia zmiennego na emiterze tranzystora. Częstotliwość napięcia jest zbieżna z częstotliwością rezonatora.
Urządzenie jest uszkodzone, jeżeli miernik częstotliwości nie rejestruje występowania częstotliwości lub wykrywa obecność częstotliwości, ale znacznie różni się ona od nominalnej, albo po podgrzaniu obudowy lutownicą ulega znacznej zmianie.
Powiązane artykuły:
