Risonatore al quarzo - struttura, principio di funzionamento, come controllare

La moderna tecnologia digitale richiede un'elevata precisione, quindi non sorprende che quasi tutti i dispositivi digitali, che oggi non catturano l'attenzione dell'uomo medio, contengano un risonatore al quarzo.

I risonatori al quarzo per varie frequenze sono necessari come fonti affidabili e stabili di oscillazioni armoniche, in modo che il microcontrollore digitale possa fare affidamento sulla frequenza di riferimento e operare con essa in futuro, durante il funzionamento del dispositivo digitale. Pertanto, un risuonatore al quarzo è un sostituto affidabile di un circuito LC oscillatorio.

Se consideriamo un semplice circuito oscillatorio, costituito da condensatore e induttore, diventa rapidamente chiaro che il fattore di qualità di un tale circuito nel circuito non supererà 300, inoltre, la capacità del condensatore galleggerà a seconda della temperatura ambiente, lo stesso accadrà con l'induttanza.

Non è per niente che condensatori e bobine hanno parametri come TKE - coefficiente di temperatura di capacità e TKI - coefficiente di temperatura di induttanza, che mostra quanto i parametri principali di questi componenti cambiano con la loro temperatura.

A differenza dei circuiti oscillatori, i risonatori a base di quarzo hanno un fattore Q irraggiungibile per i circuiti oscillatori, che può essere misurato con valori da 10.000 a 10.000.000, e la stabilità della temperatura dei risonatori al quarzo è fuori discussione, perché la frequenza rimane costante a qualsiasi temperatura, solitamente nell'intervallo da - 40 ° C a + 70 ° C.

Quindi, a causa della stabilità alle alte temperature e del fattore qualità, i risonatori al quarzo sono utilizzati ovunque nell'ingegneria radio e nell'elettronica digitale.

Per incarico microcontrollore o processore frequenza di clock, ha sempre bisogno di un generatore di clock, su cui poter contare in modo affidabile, e questo generatore ha sempre bisogno di un generatore ad alta frequenza e alta precisione. Qui il risuonatore di quarzo viene in soccorso. Naturalmente, in alcune applicazioni, è possibile rinunciare ai risuonatori piezoelettrici con un fattore di qualità di 1000 e tali risuonatori sono sufficienti per giocattoli elettronici e radio domestiche, ma il quarzo è necessario per dispositivi più precisi.

La base del risonatore al quarzo è effetto piezoelettricoderivante da una lastra di quarzo. Il quarzo è una modifica polimorfica del biossido di silicio SiO2 e si trova in natura sotto forma di cristalli e ciottoli. La forma libera nella crosta di quarzo terrestre è di circa il 12%, inoltre, sotto forma di miscele, anche altri minerali contengono quarzo, e in generale più del 60% di quarzo nella crosta terrestre (frazione di massa).

Per creare risonatori, è adatto il quarzo a bassa temperatura, che ha pronunciato proprietà piezoelettriche. Chimicamente, il quarzo è molto stabile e può essere dissolto solo nell'acido fluoridrico. Il quarzo ha una durezza superiore all'opale, ma non raggiunge il diamante.

Nella fabbricazione di una lastra di quarzo, un pezzo viene tagliato da un cristallo di quarzo con un angolo rigorosamente specificato. A seconda dell'angolo di taglio, la risultante piastra al quarzo differirà nelle sue proprietà elettromeccaniche.

Molto dipende dal tipo di taglio: frequenza, stabilità di temperatura, stabilità di risonanza e assenza o presenza di frequenze di risonanza spurie. Quindi, uno strato di metallo viene applicato alla piastra su entrambi i lati, che può essere nichel, platino, argento o oro, dopodiché la piastra viene fissata con fili duri alla base della cassa del risuonatore al quarzo. L'ultimo passo: il caso è assemblato ermeticamente.

Pertanto, si ottiene un sistema oscillatorio con una propria frequenza di risonanza e il risonatore di quarzo così ottenuto ha una propria frequenza di risonanza determinata da parametri elettromeccanici.

Ora, se una tensione alternata di una data frequenza di risonanza viene applicata agli elettrodi metallici della plastica, apparirà un fenomeno di risonanza e l'ampiezza delle oscillazioni armoniche della piastra aumenterà in modo molto significativo. In questo caso, la resistenza del risonatore diminuisce significativamente, cioè il processo è simile a quello che sta accadendo in un circuito oscillatorio in serie. A causa dell'alto fattore di qualità di un tale "circuito oscillatorio", la perdita di energia durante la sua eccitazione alla frequenza di risonanza è trascurabile.

Sul circuito equivalente: C2 è la capacità elettrica statica delle piastre con supporti, L è l'induttanza, C1 è la capacità, R è la resistenza, che riflette le proprietà elettromeccaniche della piastra di quarzo installata. Se si rimuovono gli elementi di montaggio, rimane un circuito LC coerente.

Durante l'installazione su un circuito stampato, un risuonatore al quarzo non può essere surriscaldato, poiché il suo design è piuttosto fragile e il surriscaldamento può portare alla deformazione degli elettrodi e del supporto, il che influenzerà sicuramente il funzionamento del risonatore nel dispositivo finito. Se il quarzo viene riscaldato a 5730 ° C, perderà completamente le sue proprietà piezoelettriche, ma, fortunatamente, è impossibile riscaldare un elemento con un saldatore a tale temperatura.

La designazione del risonatore al quarzo nel diagramma è simile alla designazione di un condensatore con un rettangolo tra le piastre (piastra al quarzo) e con la scritta "ZQ" o "Z".

Spesso la causa del danneggiamento del risuonatore al quarzo è una caduta o un forte impatto del dispositivo in cui è installato, quindi è necessario sostituire il risonatore con uno nuovo con la stessa frequenza di risonanza. Tale danno è inerente a dispositivi di piccole dimensioni che sono facili da eliminare. Tuttavia, secondo le statistiche, tale danno ai risonatori al quarzo è estremamente raro e più spesso il malfunzionamento del dispositivo è causato da un altro motivo.

Per verificare la funzionalità del risuonatore al quarzo, è possibile assemblare una piccola sonda che aiuterà non solo a verificare l'operabilità del risonatore, ma anche a vedere la sua frequenza di risonanza. Il circuito della sonda è un tipico circuito oscillatore a cristallo che utilizza un singolo transistor.

Accendendo il risonatore tra la base e il meno (è possibile attraverso un condensatore di protezione in caso di cortocircuito nel risonatore), resta da misurare la frequenza di risonanza con un misuratore di frequenza. Questo circuito è adatto anche per preimpostare i circuiti oscillatori.

All'accensione del circuito, un risonatore sano contribuirà alla generazione di oscillazioni e una tensione alternata può essere osservata sull'emettitore del transistor, la cui frequenza corrisponderà alla frequenza di risonanza fondamentale del risonatore di quarzo testato.

Collegando un frequenzimetro all'uscita della sonda, l'utente sarà in grado di osservare questa frequenza di risonanza. Se la frequenza è stabile, se un leggero riscaldamento del risuonatore con un saldatore sollevato non porta a una forte deriva della frequenza, il risonatore è in buone condizioni. Se non c'è generazione, o la frequenza fluttuerà o si rivelerà completamente diversa da come dovrebbe essere per il componente testato, il risonatore è difettoso e deve essere sostituito.

Questa sonda è anche conveniente per preimpostare i circuiti oscillatori, in questo caso è necessario il condensatore C1, sebbene possa essere escluso dal circuito quando si controllano i risonatori. Il circuito è semplicemente collegato al posto del risonatore e il circuito inizia a generare oscillazioni in modo simile.

Il campionatore assemblato secondo il circuito dato funziona meravigliosamente a frequenze da 15 a 20 MHz. Per altre gamme, puoi sempre cercare circuiti su Internet, poiché ce ne sono molti, sia su componenti discreti che su un microcircuito.

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[#1 Vadim]

Per l'età prescolare più giovane.