Ressonador de quars: estructura, principi de funcionament, com comprovar

La tecnologia digital moderna requereix una gran precisió, per la qual cosa no és estrany que gairebé qualsevol dispositiu digital, que avui no cridés l'atenció del profà, tingui un ressonador de quars al seu interior.

Els ressonadors de quars per a diverses freqüències són necessaris com a fonts fiables i estables d’oscil·lacions harmòniques, de manera que el microcontrolador digital podria confiar en la freqüència de referència i operar amb ella en el futur, durant el funcionament del dispositiu digital. Així, un ressonador de quars és un reemplaçament fiable per a un circuit oscil·latori LC.

Si considerem un circuit oscil·lador simple, format per condensador i inductorA continuació, es torna a deixar clar que el factor qualitat d’un circuit d’aquest circuit no superarà els 300, a més, la capacitat del condensador flotarà depenent de la temperatura ambient, el mateix passarà amb la inductància.

No serveix per res que els condensadors i les bobines tinguin paràmetres com el coeficient de capacitat de temperatura TKE i el coeficient de temperatura d’inductància TKI, que mostra com els paràmetres principals d’aquests components canvien amb la seva temperatura.

A diferència dels circuits oscil·latoris, els ressonadors basats en quars tenen un factor de qualitat inabastable per a circuits oscil·latoris, que es poden mesurar amb valors de 10.000 a 10.000.000, i l'estabilitat de la temperatura dels ressonadors de quars és fora de dubte, perquè la freqüència es manté constant a qualsevol temperatura, normalment del rang entre - 40 ° C a + 70 ° C.

Així doncs, a causa de l’elevada temperatura d’estabilitat i factor de qualitat, els ressonadors de quars s’utilitzen arreu en enginyeria de ràdio i electrònica digital.

Per tasca microcontrolador o processador freqüència de rellotge, sempre necessita un generador de rellotge, en el qual podria confiar de manera fiable, i aquest generador sempre necessita una alta freqüència i, alhora, una alta precisió. Aquí el ressonador de quars arriba al rescat. Per descomptat, en algunes aplicacions es poden prescindir de ressonadors piezoelèctrics amb un factor de qualitat de 1000, i aquests ressonadors són suficients per a joguines electròniques i ràdios domèstics, però es necessita quars per dispositius més precisos.

La base del ressonador de quars és efecte piezoelèctricsorgit sobre una placa de quars. El quars és una modificació polimòrfica del diòxid de silici SiO2, i es troba a la natura en forma de cristalls i còdols. La forma lliure a l'escorça de quars terrestre és d'aproximadament el 12%, a més, el quars també es troba en barreges d'altres minerals i, en general, més del 60% de quars a l'escorça terrestre (fracció de massa).

Per crear ressonadors, és adequat el quars a baixa temperatura amb propietats piezoelèctriques pronunciades. Químicament, el quars és molt estable i només es pot dissoldre en àcid clorhidric. El quars és superior per a la duresa de l’opal, però no arriba al diamant.

En la fabricació d’una placa de quars, es talla una peça d’un cristall de quars en un angle estrictament especificat. Depenent de l’angle de tall, la placa de quars resultant diferirà de les seves propietats electromecàniques.

Molt depèn del tipus de tall: freqüència, estabilitat de la temperatura, estabilitat de ressonància i absència o presència de freqüències de ressonància espuriosa. A continuació, s’aplica una capa de metall a la placa a banda i banda, que pot ser de níquel, platí, plata o or, després de la qual cosa la placa es fixa amb cables durs a la base de la caixa del ressonador de quars. El darrer pas: el cas està muntat hermèticament.

Així, s’obté un sistema oscil·lador amb la seva pròpia freqüència de ressonància i el ressonador de quars obtingut d’aquesta manera té la seva pròpia freqüència ressonant determinada per paràmetres electromecànics.

Ara, si s’aplica un voltatge alternat d’una freqüència de ressonància determinada als elèctrodes metàl·lics del plàstic, apareixerà un fenomen de ressonància i l’amplitud d’oscil·lacions harmòniques de la placa augmentarà molt significativament. En aquest cas, la resistència del ressonador disminueix significativament, és a dir, el procés és similar al que està passant en un circuit oscil·lador seqüencial. A causa del factor d'alta qualitat d'un circuit "oscil·lador", la pèrdua d'energia durant la seva excitació a la freqüència de ressonància és insignificant.

Al circuit equivalent: C2 és la capacitat elèctrica estàtica de les plaques amb suports, L és la inductància, C1 és la capacitança, R és la resistència, reflectint les propietats electromecàniques de la placa de quars instal·lada. Si elimineu els elements de muntatge, queda un circuit LC consistent.

Durant la instal·lació en una placa de circuit imprès, no es pot escalfar un ressonador de quars, ja que el seu disseny és bastant fràgil i el sobreescalfament pot provocar deformació dels elèctrodes i del suport, cosa que afectarà sens dubte el funcionament del ressonador en el dispositiu acabat. Si el quars s'escalfa a 5730 ºC, perdrà completament les seves propietats piezoelèctriques, però, afortunadament, és impossible escalfar un element amb una soldadura a una temperatura així.

La designació del ressonador de quars al diagrama és similar a la designació d'un condensador amb un rectangle entre les plaques (placa de quars) i amb la inscripció "ZQ" o "Z".

Sovint la causa del dany al ressonador de quars és una caiguda o un fort impacte del dispositiu en el qual està instal·lat, i aleshores cal substituir el ressonador per un de nou amb la mateixa freqüència ressonant. Aquest dany és inherent als dispositius de mida petita que són fàcils de deixar caure. Tot i això, segons estadístiques, aquest dany als ressonadors de quars és extremadament rar i, més sovint, el mal funcionament del dispositiu és causat per un altre motiu.

Per comprovar si el resonador de quars és rentable, podeu muntar una petita sonda que ajudarà no només a verificar la operativitat del ressonador, sinó també a veure la seva freqüència ressonant. El circuit de sonda és un circuit oscil·lador típic de cristall que utilitza un sol transistor.

Engegar el ressonador entre la base i el minus (és possible mitjançant un condensador de protecció en cas de curtcircuit al ressonador), queda mesurar la freqüència ressonant amb un mesurador de freqüència. Aquest circuit també és adequat per preajustar els circuits oscil·ladors.

Quan el circuit s’encén, un ressonador saludable contribuirà a la generació d’oscil·lacions i es pot observar un voltatge altern sobre l’emissor del transistor, la freqüència de la qual correspondrà a la freqüència de ressonància fonamental del ressonador de quars provat.

En connectar un mesurador de freqüència a la sortida de la sonda, l'usuari serà capaç d'observar aquesta freqüència ressonant. Si la freqüència és estable, si un lleuger escalfament del ressonador amb soldadura elevada no condueix a una forta deriva de la freqüència, el ressonador es troba en bones condicions. Si no hi ha generació, o la freqüència flotarà, o resultarà ser completament diferent del que hauria de ser pel component provat, el ressonador és defectuós i s'ha de substituir.

Aquesta sonda també és convenient per preajustar els circuits oscil·latoris, en aquest cas és necessari el condensador C1, tot i que es pot excloure del circuit en comprovar els ressonadors. El circuit simplement està connectat en lloc del ressonador i el circuit comença a generar oscil·lacions de manera similar.

El mostrador muntat segons el circuit donat funciona de meravella en freqüències de 15 a 20 MHz. Per a altres gammes, sempre podeu cercar circuits a Internet, ja que n’hi ha molts, tant en components discrets com en microcircuits.

Comments

[#1 Vadim]

Per a edats preescolars més joves.