Кварцевый резонатор распиновка

Электроника

учебно-справочное пособие

Кварцевый резонатор и кварцевый генератор

Кварц — это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%. Кварц состоит из кремния, но в связке с кислородом. Его формула SiO2.

Рис. 1 — Кристаллы кварца

Еще в XIX веке, два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС при сжатии или растяжении такого вещества. Но существует и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем или растянуть вещество, либо сжать. На самом же деле, невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом. А такие вещества называются пьезоэлектриками.

Рис. 2 — Пьезоэффект

ЭДС в пьезоэлектриках возникает только в процессе сжатия или растяжения.

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

Кварцевый резонатор

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 способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Рис. 3 — Кварцевые резонаторы

Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть сам кристалл кварца.

Рис. 4 — Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинами

В маленьких кварцах используются тонкие прямоугольные пластинки кварца.

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

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 обертоновую. 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 МГц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 МГц (третий обертон), в 50 МГц (пятый обертон), в 70 МГц (седьмой обертон) и на крайняк, в 90 МГц (девятый обертон).

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо «давить» главную частоту кварца и выделять обертоновую, 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.

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. Поэтому на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенного между двумя пластинками конденсатора (рис. 5).

Рис. 5 — Условное графическое обозначение кварцового резонатора

Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый ходовый миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, указанной на нем. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется. Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток.

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

Рис. 6 — Эквивалентная схема кварцового резонатора

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

Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Понятие слова «возбуждение» в данном случае говорит о том, что мы из кварца и некоторых радиодеталек делаем схемку, с помощью которой получаем частоту от кварца, которая на нем написана.

Рис. 7 — Маркировка частоты последовательного резонанса кварцового резонатора

Это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 МГц.

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 обертоновая гармоника.

РГ-05-18000кГц — резонатор для работы на основной частоте,

РГ-05-27,465МГц — для работы на 3-ем обертоне.

Кварцевый генератор

Что такое генератор? Генератор — это по сути устройство, которое что-то производит. В электронике очень часто можно услышать словосочетание «генератор электрической энергии, генератор частоты, генератор функций» и тд.

Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. Теперь, думаю, не будете путать кварцевый резонатор с генератором. В основном кварцевые генераторы бывают двух видов: те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал и те, которые выдают прямоугольный сигнал. Чаще всего используется последний.

Рис. 8 — Синусоидальный сигнал

Рис. 9 — Прямоугольный сигнал

Принцип работы кварцевого генератора такой: кристалл кварцевого резонатора заставляют вибрировать, прикладывая к нему переменное напряжение. Амплитуда таких колебаний достигает максимума при совпадении частоты приложенного переменного напряжения с резонансной частотой кварцевого резонатора.

Плюсы кварцевых генераторов частоты — это высокая частотная стабильность. В основном это 10 -5 — 10 -6 от номинала или, как часто говорят, ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10 -6 . Отклонение частоты в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10 -7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 МегаГерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус.

В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы, достигают частотной стабильности до 10 -11 от номинала!

Рис. 10 — Модули кварцевых генераторов

Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода.

Рис. 11 — Распиновка квадратного кварцевого генератора

Кварцевый резонатор Кварцевый генератор

Рис. 12 — Кварцевый резонатор и кварцевый генератор

Источник

Кварцевый резонатор

Кварцевый резонатор – радиодеталь, использующая пьезоэлектрический эффект. Он характеризуется тем, что под механическим воздействием между противоположными сторонами диэлектрика возникает электрическое поле. Эффект может быть обратным. То есть электрический потенциал может вызывать деформацию тела диэлектрика. Идеальным материалом для резонатора служит минерал – кварц.

Что такое кварцевый резонатор

Многих людей интересует, что представляет собой кварцевый резонатор (КР), и для чего он нужен. Радиоэлемент является источником гармонических колебаний. Первые КР были применены в схемах радиостанций в 30-е годы прошлого века. Они заменили аналоги, работавшие на кристаллах сегнетовой соли. Приборы были успешно использованы в электронных часах и таймерах.

Разновидности

Кварцевые радиокомпоненты бывают различных видов, в зависимости от предъявляемых к ним требований. КР разделяют по следующим признакам.

Тип корпуса

  1. Объёмные радиокомпоненты.
  2. Плоские поверхностные модели.

Материал корпуса

Форма прибора

  • Диск;
  • Цилиндр;
  • Прямоугольный параллелограмм.

Количество резонансных систем

Защита корпуса

  • Герметичная;
  • Проницаемая;
  • Вакуумная.

Назначение

Свойства кварцевого резонатора

Во многих приборах резонансный радиокомпонент является незаменимым элементом. К положительным свойствам КР относятся:

  • Хорошая добротность превышает этот показатель аналогичных устройств. Добротность характеризует ширину резонанса, определяющую, во сколько раз запас энергии больше её потери за время изменения фазы на 1 радиан. Кварц достигает значений добротности в 104-106 раз больше, чем эквивалентный колебательный контур.
  • Невосприимчивость к перепадам температуры окружающей среды;
  • Каскадные фильтры на кварцевых радиодеталях позволяют обходиться без ручной настройки;
  • Большой срок службы;
  • Простота устройства прибора делает КР доступной деталью на радиорынке.

Принцип работы кварцевого резонатора

Работа устройства основана на пьезоэффекте минеральной пластинки. Её вырезают из массива минерала под определённым углом. Параметр уклона обеспечивает необходимые электрохимические характеристики радиокомпонента.

Пластинку покрывают с обеих сторон драгоценным металлом (в основном серебром). К покрытию минерала припаивают выводные электродные ножки. Конструкцию заключают в герметичный корпус прибора. Прибор представляет собой колебательный контур, который имеет собственную резонансную частоту.

Важно! Переменное напряжение, сообщаемое электродам, заставляет кристалл деформироваться (изгибаться, сжиматься или сдвигаться). Одновременно с этим на его поверхности появляется ЭДС. Когда частота тока совпадает с частотой колебаний кварца, возникает эффект резонанса. В результате увеличивается амплитуда колебаний элемента, и сильно падает величина сопротивления радиодетали.

Обозначение кварцевого резонатора на электросхеме

Схематичное изображение КР похоже на обозначение конденсатора, только между вертикальными линиями помещают прямоугольник. Эта фигура символизирует кварцевую пластинку. Обозначать прибор принято буквами «QX».

Маркировка рабочей частоты нанесена на корпусе резонатора. Например, 12000 означает, что прибор работает в диапазоне 12 тыс. МГц.

Эквивалентная электрическая схема

Основным элементом КР является кристалл кварца, который воспроизводит электромеханические колебания. Электронный элемент можно заменить эквивалентной электрической схемой – колебательным контуром с аналогичными параметрами.

Сопротивление эквивалента равно сопротивлению пьезоэлектрического прибора с близкими к резонансу частотами. Последовательно соединённые в одну схему динамические элементы (катушка индуктивности Lk, ёмкость Cx, сопротивление Rk) выстроены совместно с параллельно соединёнными ёмкостями кварца Co и его держателя C1. Эквивалентная электрическая схема имеет численное значение механических колебаний, соответствующее этому параметру у КР.

Как проверить кварцевый резонатор

Резонатор – довольно хрупкий прибор. При резком динамическом воздействии на корпус радиоэлектронного устройства КР может выйти из строя. Это скажется на работе всего аппарата. В этой ситуации мастер должен проверить работу кварцевого резонатора. Делают проверку с помощью тестера, схема которого состоит из транзистора КТ3102, пяти конденсаторов и двух резисторов. Собрать такой тестер даже для рядового радиолюбителя не составит особых трудностей. Как это сделать, видно на рисунке.

Выводы резонатора подключают между отрицательным выходом и базой транзистора через защитный конденсатор. По частотомеру определяют величину резонанса. Дополнительно соединяют его вход и выход через конденсатор (частомер). Всю схему запитывают постоянным током напряжением 9 вольт. Если прибор исправен, то на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение. При этом частоты тока и прибора совпадают.

Резонатор считают неисправным, если частомер не выдаёт никаких показаний, либо показания отличаются от номинальной характеристики. Повреждённую деталь заменяют новым прибором.

При настройке контуров присутствие ёмкости С1 в тестере обязательно. При проверке КР в схеме контроллера можно обойтись без этой детали.

Обратите внимание! Указанный тестер работает в диапазоне частот 15-20 МГц. Для других частотных интервалов собирают устройства на микросхемах.

Применение

С развитием радиоэлектроники КР нашли своё применение в таких приборах, как:

  • кварцевые часы работают на основе эффекта кварцевого резонанса, что позволяет им функционировать с максимальной точностью;
  • различные измерительные устройства, оснащённые кварцевыми резонаторами, являются высокоточными приборами;
  • морские эхолоты, благодаря кварцевым резонаторам, определяют местонахождение различных объектов на большой глубине под водой (рельеф дна, отмели и разные крупные и мелкие предметы);
  • опорные генераторы;
  • радиостанции;
  • полосовые фильтры радиоприёмников.

Преимущества

Кварцевые резонаторы обладают непревзойдённой точностью метрологических параметров. Высокая эффективность работы вызвала повсеместную замену аналоговых приборов на кварцевые устройства.

Дополнительная информация. Появление нового материала такого, как графен, может в будущем совершенно изменить конструкцию резонатора.

Недостатки

К недостаткам прибора можно отнести тонкость кварцевой пластины, что создаёт риск её повреждения.

Возможные причины выхода из строя

Слабой стороной КР считается непереносимость перегрева. В случае нагрева платы резонатор теряет свои качества и может разрушиться. Учитывая хрупкое крепление кристалла, резонатор нужно уберегать от случайных ударов. В результате резкого толчка кварцевая пластинка может потерять устойчивость и выпасть из рамки.

Область применения кварцевых резонаторов постоянно расширяется. Возможность изготовления радиокомпонентов миниатюрных размеров позволяет использовать их в устройствах небольших габаритов. Широкий ассортимент КР, представленный на радиорынке, даёт возможность подобрать нужную модель устройства по доступной цене.

Видео

Источник

Adblock
detector