Кварцевый резонатор принцип работы

Кварцевые резонаторы. Виды и применение. Устройство и работа

Кварцевый резонатор принцип работы

Современная цифровая аппаратура нуждается в высокой точности, поэтому часто в цифровых устройствах содержится кварцевый резонатор, который является стабильным и надежным генератором гармонических колебаний. Цифровые микроконтроллеры работают на основе этой постоянной частоты, и используют ее для работы цифрового прибора. Кварцевые резонаторы являются надежной заменой контура колебаний, собранного на конденсаторе и катушке индуктивности.

Добротность контура колебаний на основе катушки и конденсатора не превышает 300. Она является характеристикой контура колебаний, определяющей величину полосы резонанса. Добротность показывает, во сколько раз энергия колебательной системы превышает потери энергии в течение одного периода колебаний.

Чем больше добротность, тем меньше теряется энергии за один период, и медленнее затухают колебания. Емкость конденсатора в обычном контуре колеблется в зависимости от температуры среды. Величина индуктивности катушки также зависит от многих факторов.

Существуют даже соответствующие коэффициенты, определяющие зависимость параметров этих элементов от температуры.

Кварцевые резонаторы, в отличие от вышеописанных контуров колебаний, обладают очень большой добротностью, достигающей значения в несколько миллионов. При этом температура в пределах -40 +70 градусов никак не влияет на этот параметр. Высокая стабильность работы кварцевых резонаторов при любой температуре послужила их широкому применению в цифровой электронике и радиотехнике.

По типу корпуса:

  • Для объемной установки (цилиндрические и стандартные).
  • Для поверхностного монтажа.

По материалу корпуса:

  • Металлические.
  • Стеклянные.
  • Пластиковые.

По форме корпуса:

  • Круглые.
  • Прямоугольные.
  • Цилиндрические.
  • Плоские.

По защите корпуса:

  • Герметичные.
  • Негерметизированные.
  • Вакуумные.

По назначению:

Важным свойством кварцевых резонаторов для успешной работы является их активность. Но она не определяется только собственными свойствами. Вся электрическая схема влияет на его активность.

В резонаторах, используемых в фильтрах, применяются такие же виды колебаний, как и в генераторных резонаторах. В фильтрах используются 2-х и 4-х электродные вакуумные резонаторы. Для многозвенных фильтров чаще всего применяются 4-х электродные, так как они более экономичные.

Принцип действия и устройство

Кварцевые резонаторы работают на основе пьезоэлектрического эффекта, образующегося на кварцевой пластинке. Кварц – это природный кристалл. Он представляет собой модификацию соединения кремния с кислородом, и имеет химическую формулу Si O2. Массовая доля кварца в земной коре составляет около 60%, в свободном виде 12%. В других минералах также может содержаться кварц.

Для производства кварцевых резонаторов используют низкотемпературный кварц. Он обладает выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Химическая устойчивость кварца очень высока, растворить кварц способна только гидрофторидная кислота. По твердости кварц стоит на втором месте после алмаза. Кварцевую пластинку для резонатора изготавливают путем вырезания из кварца кусочка под заданным определенным углом. В зависимости от этого угла среза кварцевая пластинка отличается разными электромеханическими параметрами.

От вида среза зависит наличие или отсутствие паразитных частот, стабильность работы при любых температурах, частота колебаний. На обе стороны кварцевой пластинки наносят слой одного из дорогостоящих металлов: серебра, платины, никеля или даже золота. После этого пластинку фиксируют прочными проволочками в корпусе резонатора. Затем производят герметичную сборку корпуса.

В результате образуется колебательный контур, обладающий собственной частотой резонанса, определяющей работу всего резонатора. Если к электродам пластинки приложить переменное напряжение с частотой резонанса, то возникнет резонансный эффект, а амплитуда колебаний пластинки значительно повысится.

При этом резонатор уменьшит свое сопротивление на значительную величину. Этот процесс подобен тому процессу, который происходит в контуре колебаний последовательного вида (на основе катушки и конденсатора).

Потери энергии при возбуждении кварцевого резонатора на частоте резонанса очень малы, так как добротность кварцевого контура колебаний очень высока.

Эта эквивалентная схема состоит из:

  • R – Сопротивление.
  • С1 – Емкость.
  • L – Индуктивность.
  • С2 – Статическая электрическая емкость пластинок вместе с держателями.

Эти элементы определяют электромеханические параметры кварцевой пластинки. Если удалить монтажные элементы, получается последовательный контур .

При установке на монтажную плату, кварцевый резонатор не переносит чрезмерного нагрева, так как его конструкция очень хрупкая. Сильное нагревание может деформировать держатель и электроды, что отражается на функционировании готового кварцевого резонатора. Кварц полностью теряет свои свойства пьезоэлектрика при нагревании до температуры 5370 градусов. Однако паяльник не способен так сильно разогреваться.

На электрических схемах кварцевый резонатор обозначается по аналогии с конденсатором, но между пластин изображен прямоугольник, символизирующий кварцевую пластинку. На схеме резонатор обозначен «QX».

Обычно причиной неисправностью кварцевого резонатора становится сильный удар или падение устройства, в котором он находится. В этом случае резонатор подлежит замене на новый, с такими же параметрами. Такие неисправности возникают в маленьких приборах, которые проще уронить, или повредить. Но такие повреждения резонаторов встречаются не часто, и обычно неисправность устройства кроется совсем в другом.

Как проверить кварцевые резонаторы

Для проверки резонатора на его работоспособность, собирают специальный простой тестер, помогающий проверить кроме работы резонатора, еще и его частоту резонанса. Схема такого устройства похожа на кварцевый генератор, собранный на транзисторе.

Читайте также  Принцип работы IP камеры видеонаблюдения

Подключив резонатор между отрицательным полюсом и базой транзистора через защитный конденсатор, с помощью частотомера измеряют частоту резонанса. Такая схема подходит для настройки контуров колебаний. При включенной схеме исправный резонатор создает колебания. В результате на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение с частотой резонанса тестируемого резонатора.

Если к выходу тестера подключить частотомер, то можно измерить частоту резонанса. При стабильной частоте и небольшом нагревании корпуса резонатора паяльником частота не должна значительно изменяться. Если частотомер не обнаруживает возникновение частоты, либо она сильно изменяется или имеет большие отличия от номинала, то резонатор негоден и требует замены.

При использовании такого тестера для настройки контуров, емкость С1 обязательна. Но при проверке исправности резонаторов ее присутствие в схеме не требуется. При этом колебательный контур просто подсоединяют на место кварцевого резонатора и тестер начинает создавать колебания таким же образом.

Тестер, выполненный по рассмотренной схеме, хорошо зарекомендовал себя на частоте 15-20 мегагерц. Для других интервалов можно найти другие схемы, собранные на микросхемах и других компонентах.

Благодаря стабильности параметров кварцевых резонаторов, они нашли широкое использование в различных областях:

  • Многие измерительные устройства работают на основе таких резонаторов, при этом точность измерений очень высока.
  • Пьезокварцевая пластина применяется в качестве резонатора в морском эхолоте для выявления объектов, расположенных в воде, исследования дна моря, определения нахождения отмелей и рифов. Это дает возможность изучения жизни в океане в глубоководных районах, а также создания точных карт морского дна.
  • Кварцевые резонаторы нашли широкую популярность в кварцевых часах, так как частота колебаний кварцевой пластины практически не зависит от температуры, и имеет малое относительное изменение частоты.

Кварцевые резонаторы расширяют свою сферу использования, потребность в них постоянно увеличивается, так как они обладают повышенными метрологическими параметрами, эффективностью работы.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/kvartsevye-rezonatory/

Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить

Кварцевый резонатор принцип работы

Резонатором называют систему способную на колебательные движения с максимальной амплитудой при определённых условиях. Кварцевый резонатор — пластина из кварца, обычно в форме параллелепипеда, действует так при подаче переменного тока (частота для разных пластин различна). Рабочую частоту этой детали определяет её толщина. Зависимость здесь обратная. Наибольшую частоту (не превышающую при том 50 МГц) имеют самые тонкие пластины.

В редких случаях можно добиться частоты в 200 МГц. Это допустимо только при работе на обертоне (неосновной частоте, превышающей основной показатель). Специальные фильтры способны погасить основную частоту кварцевой пластины и выделить кратную ей обертоновую.

Для работы подходят только нечётные гармоники (другое название обертонов). К тому же, при их использовании показания по частоте увеличиваются на более низких амплитудах. Обычно максимальным становится девятикратное уменьшение высоты волны. Далее засечь изменения становится затруднительно.

Кварц относится к диэлектрикам. В комбинации с парой металлических электродов он превращается в конденсатор, но его ёмкость мала и нет смысла её замерять.

На схеме эта деталь отображается как кристаллический прямоугольник между пластинами конденсатора. Кварцевой пластине, как и иным упругим телам, свойственно наличие собственной резонансной частоты, зависящей от её размера. Пластины малой толщины имеют более высокую резонансную частоту. Как итог: необходимо лишь выбрать пластину с такими параметрами, при которых частота механических колебаний совпадала бы с приложенной к пластине частотой переменного напряжения.

Кварцевая пластина, пригодна только при использовании переменного тока, поскольку постоянный ток может спровоцировать лишь единичное сжатие или разжатие.

В результате очевидно, что кварц является весьма простой резонансной системой (со всеми свойствами, присущими для колебательных контуров), но это вовсе не снижает качество его работы.

Кварцевый резонатор является даже более действенным. Показатель добротности у него составляет 105 — 107. Резонаторы из кварца увеличивают общий срок службы конденсатора за счёт своей температурной устойчивости, долговечности и технологичности. Удобства в применении добавляют и небольшие размеры деталей. Но самое главное достоинство — способность обеспечивать стабильную частоту.

К числу минусов относят лишь узость диапазона сонастройки имеющейся частоты с частотой внешних элементов.

В любом случае, кварцевые резонаторы весьма популярны, и используются в часах, многочисленной радиоэлектронике и иных приборах. В некоторых странах кварцевые пластины устанавливаются прямо на тротуарах, а люди продуцируют энергию просто ходя туда и обратно.

Принцип работы

Функции кварцевого резонатора обеспечиваются пьезоэлектрическим эффектом. Данное явление провоцирует возникновение электрического заряда в случае, если происходит механическая деформация некоторых типов кристаллов (из природных сюда относят кварц и турмалин). Сила заряда при этом находится в прямой зависимости от силы деформации. Это называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Суть обратного пьезоэлектрического эффекта заключается в том, что если на кристалл воздействовать электрическим полем, он будет деформироваться.

Проверка работоспособности

Существует несколько несложных методов проверки состояния кварца в механизме. Вот пара из них:

  •  Чтобы достаточно точно определить состояние резонатора, потребуется подсоединить к генератору на выход осцилограф или частометр. Требуемые данные можно будет вычислить при помощи фигур Лиссажу. Однако, при подобных обстоятельствах возможно непреднамеренное возбуждение колебательных движений кварца как на обертонических, так и на основных частотах. Это может создавать неточность замеров. Такой метод может быть использован в диапазоне от 1 до 10 МГц.
  •  Частота работы генератора зависит от кварцевого резонатора. При подаче энергии генератор продуцирует импульсы, совпадающие с частотой основного резонанса. Череда этих импульсов пропускается через конденсатор, который отсеивает постоянный компонент, оставляя только обертоны, а сами импульсы передаются аналоговому частометру. Его легко можно сконструировать из двух диодов, конденсатора, резистора и микроамперметра. В зависимости от показаний по частоте будет изменяться и напряжение на конденсаторе. Данный метод тоже не отличается точностью и может применятся только в диапазоне от 3 до 10 МГц.
Читайте также  Принцип работы сплит системы кондиционера

В целом, достоверную проверку кварцевых резонаторов можно осуществлять только при их замене. Да и подозревать поломку резонатора в механизме стоит только в самом крайнем случае. Хотя к портативной электронике, подверженной частым падениям, это не относится.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5c615e3c9e391400ae5f8253/kvarcevyi-rezonator-struktura-princip-raboty-kak-proverit-5d0f121d9d85e700b531acf5

Кварцевый резонатор

Кварцевый резонатор принцип работы

На самом деле, кварц  – это один из самых распространенных минералов  в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц также состоит из кремния но в связке с кислородом. Его формула SiO2.

Выглядит он примерно вот так:

Ну прямо сокровище какое-то!

Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике…

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы.

Существует также и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем деформировать эти кристаллы. Невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом, а вещества  –  пьезоэлектриками.

ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, прижать такой кристалл и всю жизнь получать из него энергию? Побрейтесь). Кстати, пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам и из него можно получить ЭДС. Ниже на видео светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю. Когда мы давим на пьезоизлучатель, вырабатывается ЭДС, которая и зажигает маленький светодиод:

Не так давно смотрел фильм по

Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

Резонатор – (от лат. resono –  звучу в ответ, откликаюсь) – это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто “кварц”, – это радиоэлемент, который способенрезонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:

Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе:

Итак, что мы тут видим? Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы самого кварца.

В маленьких кварцах типа этих

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 Мегагерц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 Мегагерц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Что такое обертоны

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F.  Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее.

Обозначение кварца на схеме

Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора:

Принцип работы кварца

Очень много мифов ходит по интернету именно  о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет “частоты, указанной на нем”, я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения – увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ) Ага).

Читайте также  Принцип работы трехфазного генератора переменного тока

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

С – это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.

С1 – это динамическая емкость самого кристалла. Динамическая – это значит проявляется при работе кварца. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто – это 10-15 !

L1 – это динамическая индуктивность кристалла. Она может достигать несколько тысяч Генри!

R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КилоОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

Принцип работы кварцевого резонатора такой: если к обкладкам кварцевого резонатора подвести переменное напряжение, то  его пластинка начнет колебаться с частотой подведенного напряжения. Если подведенная частота  будет совпадать с собственной резонансной частотой колебания кварца, то наступит резонанс. Напряжение на обкладка кварца резко возрастает. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью.

Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 Мегагерц. В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.

И запомните раз и навсегда:

Также рекомендую к прочтению продолжение статьи, которая называется кварцевый генератор.

Источник: https://www.ruselectronic.com/kvartsevyj-rezonator/

Принцип работы кварцевого резонатора

Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.

Кристалл кварца

Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.

Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой. У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота. Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.

При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С0 – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С0, то получиться последовательный колебательный контур.

При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.

Также известно, что если кварц нагреть свыше 5730 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.

На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.

Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах

Как проверить кварцевый резонатор?

Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”

К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.

Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Источник: https://go-radio.ru/quartz.html