Кварцевый резонатор — это радиодеталь, сочетающая в себе два эффекта: механический резонанс и пьезоэлектричество. Этот элемент является основным элементом в резонансных цепях, т е схемах, которые необходимо точно настроить на строго определенную частоту. Это опорный (основной) генератор и фильтр.
Точность и стабильность генерации важны для правильной работы приемопередатчика и часов. Но иногда даже кварцевые компоненты оказываются недостаточно точными. Поэтому для работы систем GPS и ГЛОНАСС необходима синхронизация времени с точностью 10-12, чего можно добиться только с помощью атомных часов.
Принцип действия
Кварцевые резонаторы, как следует из названия, представляют собой пластины из монокристаллического кварца, обладающие пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрики обладают поляризационными свойствами при механическом воздействии. Когда пьезоэлектрическая пластина сжимается, на ней возникает разность потенциалов.
Самый распространенный пример — пьезоэлектрическая зажигалка. Это прямой пьезоэлектрический эффект. Все пьезоэлектрические элементы обладают также обратным пьезоэлектрическим эффектом: в пьезоэлектрическом элементе при воздействии электрического потенциала возникает механическое напряжение. Пьезоэлектрическим эффектом обладают следующие вещества:
- кварц;
- Сульфат лития;
- Рошель Соль;
- Цирконат-титанат свинца;
- Титанат бария.
Кварц получил наибольшее распространение благодаря своей высокой прочности и химической инертности. В отличие от некоторых пьезоэлектриков, он вообще не взаимодействует с водой.
Каждый эластомер имеет свою собственную механическую резонансную частоту. Кварцевые плиты не являются исключением. Воздействуя напряжением на частоту механического резонанса, можно получить колебательную систему с незначительными затратами энергии.
Устройство резонатора
В качестве резонатора используются кварцевые пластины, вырезанные в строго определенных направлениях из монокристалла. От выбора направления зависят характер пьезоэлектрической деформации элемента и параметры колебательной системы. Покрытие – металлические электроды – размещаются на плоской поверхности пластины. Крышки могут крепиться механически или наноситься с помощью металлизации. Выводы подключаются к плате и конструкция помещается в герметичный корпус.
Габаритный размер резонатора сильно зависит от резонансной частоты, поскольку чем ниже резонансная частота, тем больше размер пьезоэлектрического элемента. Тщательно выбирая направление резки монокристалла, мы теперь научились производить кварцевые резонаторы, пригодные для поверхностного монтажа.
Кварц – один из самых распространенных минералов, встречающихся в природе. Обычно он существует в виде кристаллов, пригодных для изготовления резонаторов, но в подавляющем большинстве случаев для этих целей требуются сверхчистые материалы без признаков скрытых дефектов. Именно поэтому в промышленности используются искусственно выращенные кристаллы определенных геометрических размеров, характеризующиеся высокой чистотой.
Читайте также статью: как запомнить кодовое слово альфа банк
Достоинства и недостатки
Кварцевые резонаторы обладают высокими добротностями. Проще говоря, это количество энергии, необходимое для поддержания колебаний. Они маленькие. Точность и стабильность поддержания частоты могут достигать 10-6 Гц. Это максимально возможное значение среди подобных устройств. Более высокой точности можно достичь, используя термостабильность задающего генератора. К преимуществам также можно отнести высокую механическую прочность, долговечность и надежность.
Главный недостаток – невозможность реорганизации. Кварцевые резонаторы могут работать только на частотах механического резонанса и, в крайнем случае, на гармониках, то есть на кратных частотах, в два и более раз превышающих основную частоту. Гармонический режим используется для генерации в диапазоне выше 50 МГц, что вызывает серьезные трудности при его изготовлении и эксплуатации из-за очень малой толщины кварцевой пластины в этом случае. Использование гармоник усложняет схему, поэтому чаще используют генерацию основной частоты и последующее умножение.
Использование кварцевых фильтров вместо традиционных LC-цепей позволяет отказаться от использования больших индукторов и упрощает настройку сложных многокаскадных фильтров, поскольку частота резонатора регулируется и поддерживается в жестких пределах.
Типовые схемы
Кварц — это диэлектрик, конструкция которого очень похожа на конденсатор, которым, по сути, и являются конденсаторы. В некоторой радиоаппаратуре, если она спроектирована неправильно, может наблюдаться микрофонный эффект, когда при постукивании происходит случайная генерация. Это связано с пьезоэлектрическим эффектом в некоторых керамических конденсаторах.
Разработано множество стандартных схем сопряжения кварцевых резонаторов в качестве элементов задания частоты генераторов и фильтров. Все приложения основаны на эквивалентных схемах, то есть параллельных генераторных схемах.
В зависимости от типа используемой схемы сигнал генератора может быть синусоидальным или прямоугольным. Аналоговые устройства используют только синусоидальные сигналы для основного генератора, гетеродина и генератора несущей частоты. Для работы цифровой техники необходим генератор прямоугольных импульсов.
Видео: Как проверить кварцевый резонатор
Для обеспечения высокой точности установки частоты основного генератора в некоторых устройствах предусмотрена схема термостабилизации. Для этого часть схемы вместе с кварцевым генератором помещается в герметичный теплоизолированный корпус с нагревательным элементом. Зачем нужен обогреватель? Он предназначен для поддержания стабильной температуры, значительно превышающей температуру окружающей среды.
Поскольку кварцевые резонаторы имеют много общего с конденсаторами, их названия также имеют некоторое сходство. На схеме он представлен двумя параллельными линиями (пластинками) с прямоугольным элементом между ними.
Разновидности
В простейшем варианте резонатор представляет собой кварцевую пластину, расположенную между металлическими электродами и помещенную в герметичный корпус. Раньше корпус был съемным, и многие радиолюбители из-за нехватки радиодеталей самостоятельно настраивали резонанс путем полировки кварцевых пластин.
В настоящее время подавляющее большинство компонентов имеют неразборный корпус, содержащий кварцевый компонент с металлизированной пластиной. Корпус герметичен и имеет выводы для пайки. На корпусе имеется цифровое и буквенное значение, обозначающее резонансную частоту.
Уведомление! Частота в килогерцах — это частота механического резонанса. Если указано в мегагерцах, резонатор предназначен для работы на гармониках основного резонанса.
Наличие проверенных стандартных схем генераторов позволяет разместить в корпусе дополнительные компоненты, образуя таким образом готовый модуль кварцевого генератора. Внешне генератор отличается от резонатора наличием большего количества выводов.
Для построения схемы фильтра используется кварцевый резонатор с несколькими пластинами. Фильтры высокого порядка содержат несколько генераторных схем в одном корпусе. Такая конструкция позволяет создавать схемы с высокими параметрами и повторяемостью при минимальном размере устройства.
Даже фильтры высших порядков на основе кварцевых резонаторов имеют более высокие добротности и меньшие искажения фазовых характеристик.
Читайте также статью: Выпаиваем радиодетали из старых плат
Комментарии
Отправить комментарий