Кварцові резонатори: призначення, застосування, принцип роботи, особливості використання

Сучасна цифрова електроніка, рясна мікропроцесорами і мікроконтролерами, просто немислима без тактових коливань. А де одержання тактових коливань — там функціонування генератора та коливальної системи, і де коливальна система — там обов'язково виявляють себе і явище резонансу та такий важливий параметр, як добротність. Тут і знайомимося ми з кварцовими резонаторами (генераторами).

Кварцовий резонатор (кварц) - генератор електромагнітних коливань з високим ступенем сталості частоти, в якому використовуються п'єзоелектричні та механічні властивості кварцової пластинки.

За принципом роботи кварцовий резонатор є автогенератором із кварцовою стабілізацією частоти. Такі генератори застосовується як високостабільний генератор, що задає у вимірювальній апаратурі, еталонах частоти і часу, кварцових годинниках, а також у різній електронній апаратурі.

Недолік кварцових резонаторів полягає в тому, що він може генерувати тільки на фіксованих частотах, які визначаються резонансною частотою кварцу, і практично не допускає перебудови частот.

Усі схеми кварцові резонатори поділяються на великі групи залежно від цього, який вид резонансу кварцу (паралельний чи послідовний) у яких застосований. Найбільшого поширення набули схеми кварцові резонатори, у яких кварц працює поблизу своєї частоти паралельного резонансу.

Отже, кварцовий резонатор в електронній схемі виступає неперевершеною альтернативою будь-якого коливального контуру, що складається з конденсатора та котушки індуктивності. Суть у високій добротності кварцових резонаторів.Тоді як хороший LC-контур досягає добротності 300, добротність кварцового резонатора може сягати 10000000. Як бачимо, перевага становить десятки тисяч разів. Таким чином, жоден коливальний контур не зрівняється з кварцовим резонатором добротності.

Що й казати про вплив температури на резонансну частоту. Резонансна частота того ж коливального контуру сильно залежить від ТКЕ (температурного коефіцієнта ємності) конденсатора, що входить до нього. Кварц має дуже високу температурну стабільність, саме з цієї причини кварцові резонатори міцно утримують свої позиції в ролі джерел коливань для генераторів тактової частоти різного призначення.

Як працює кварцовий резонатор

Щоб зрозуміти як влаштований і працює кварцовий резонатор, досить згадати, що таке п'єзоелектричний ефект. Уявіть пластинку низькотемпературного кварцу (діоксид кремнію), вирізану з кристала певним чином. Те, під яким кутом дана пластинка вирізана з кристала, визначає електромеханічні властивості резонатора, що виготовляється. Тепер на цю пластинку з двох сторін прикріплюють електроди шляхом нанесення шарів нікелю, платини, золота або срібла, а до них приєднують жорсткі дротяні висновки. Всю конструкцію поміщають у невеликий герметичний корпус.

Отже, вийшла електромеханічна коливальна система, що має (завдяки природним особливостям низькотемпературного кварцу) п'єзоелектричний ефект, і має власну резонансну частоту.

Якщо тепер на електроди подати змінну напругу, частота якої близька до резонансної частоти отриманої коливальної системи, то пластинка почне механічно стискатися-розширюватися з максимальною амплітудою, причому завдяки п'єзоелектричному ефекту, чим ближче частота напруги, що прикладається до резонансу - тим менше буде опір. У цьому полягає подібність кварцового резонатора з високодобротним коливальним контуром. Вийшов по суті аналог послідовного LC-контуру.

Особливості кварцового резонатора

Кварцовий резонатор можна у вигляді еквівалентної схеми, у якій C0-это монтажна електроємність, утворена металевими выводами-держателями і електродами. C1, L і R – це ємність, індуктивність та активний опір безпосередньо пластинки з електродами, як аналога реального коливального контуру, одержуваного за рахунок електромеханічних властивостей пластинки.

Якщо виключити зі схеми монтажну ємність C0, то вийде явно послідовний коливальний контур. Що ж стосується позначення резонатора на схемі, він схожий на конденсатор з прямокутником, що символізує кристал кварцу, між обкладками.

У процесі монтажу та демонтажу кварцових резонаторів на плати шляхом паяння, слід пам'ятати, що перегрів кварцу вище 573°C загрожує втратою кристалом п'єзоелектричних властивостей.

Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика