Категории

Лампы кварцевого резонатора

Обзор кварцевых резонаторов

Ламповый кварцевый резонатор

Современная цифровая техника требует высокой точности, поэтому совсем неудивительно, что практически любое цифровое устройство, какое бы не попалось сегодня на глаза обывателю, содержит внутри кварцевый резонатор.

Кварцевые резонаторы на различные частоты необходимы в качестве надежных и стабильных источников гармонических колебаний, чтобы цифровой микроконтроллер мог бы опереться на эталонную частоту, и оперировать с ней в дальнейшем, в процессе работы цифрового устройства. Таким образом, кварцевый резонатор — это надежная замена колебательному LC-контуру.

Если рассмотреть простой колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, то быстро выяснится, что добротность такого контура в схеме не превысит 300, к тому же емкость конденсатора будет плавать в зависимости от температуры окружающей среды, то же самое произойдет и с индуктивностью.

Не даром есть у конденсаторов и катушек такие параметры как ТКЕ — температурный коэффициент емкости и ТКИ — температурный коэффициент индуктивности, показывающие, насколько изменяются главные параметры этих компонентов с изменением их температуры.

В отличие от колебательных контуров, резонаторы на базе кварца обладают недостижимой для колебательных контуров добротностью, которая измеряется значениями от 10000 до 10000000, причем о температурной стабильности кварцевых резонаторов речи не идет, ведь частота остается постоянной при любом значении температуры, как правило из диапазона от -40°C до +70°C.

Так, благодаря высоким показателям температурной стабильности и добротности, кварцевые резонаторы применяются всюду в радиотехнике и цифровой электронике.

Для задания микроконтроллеру или процессору тактовой частоты, ему всегда необходим генератор тактовой частоты, на который он мог бы надежно опереться, и генератор этот всегда нужен высокочастотный и при том высокоточный. Здесь то и приходит на помощь кварцевый резонатор. Конечно, в некоторых применениях можно обойтись пьезокерамическими резонаторами с добротностью 1000, и таких резонаторов достаточно для электронных игрушек и бытовых радиоприемников, но для более точных устройств необходим кварц.

В основе работы кварцевого резонатора — пьезоэлектрический эффект, возникающий на кварцевой пластинке. Кварц представляет собой полиморфную модификацию диоксида кремния SiO2, и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. В свободном виде в земной коре кварца около 12%, кроме того в виде смесей в составе других минералов также содержится кварц, и в общем в земной коре более 60% кварца (массовая доля).

Для создания резонаторов подходит низкотемпературный кварц, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Химически кварц весьма устойчив, и растворить его можно лишь в гидрофторидной кислоте. По твердости кварц превосходит опал, но до алмаза не дотягивает.

При изготовлении кварцевой пластинки, от кристалла кварца под строго заданным углом вырезают кусочек. В зависимости от угла среза полученная кварцевая пластинка будет отличаться по своим электромеханическим свойствам.

От типа среза зависит многое: частота, температурная стабильность, устойчивость резонанса и отсутствие либо наличие паразитных резонансных частот. На пластинку затем наносят с обеих сторон по слою металла, коим может быть никель, платина, серебро или золото, после чего жесткими проволочками крепят пластинку в основание корпуса кварцевого резонатора. Последний шаг — корпус герметично собирают.

Так получается колебательная система, обладающая собственной резонансной частотой, и кварцевый резонатор, полученный таким образом, обладает собственной резонансной частотой, определяемой электромеханическими параметрами.

Теперь если приложить к металлическим электродам пластики переменное напряжение данной резонансной частоты, то проявится явление резонанса, и амплитуда гармонических колебаний пластинки весьма значительно возрастет. При этом сопротивление резонатора сильно понизится, то есть процесс аналогичен происходящему в последовательном колебательном контуре. В силу высокой добротности такого «колебательного контура», энергетические потери при его возбуждении на резонансной частоте пренебрежимо малы.

На эквивалентной схеме: C2 – статическая электроемкость пластинок с держателями, L – индуктивность, С1 — емкость, R – сопротивление, отражающие электромеханические свойства установленной пластинки кварца. Если убрать монтажные элементы, останется последовательный LC-контур.

В процессе монтажа на печатную плату, кварцевый резонатор нельзя перегревать, ведь конструкция его довольно хрупка, и перегрев может привести к деформации электродов и держателя, что непременно отразится на работе резонатора в готовом устройстве. Если же разогреть кварц до 5730°C, он вовсе утратит свои пьезоэлектрические свойства, но, к счастью, нагреть элемент паяльником до такой температуры невозможно.

Обозначение кварцевого резонатора на схеме похоже на обозначение конденсатора с прямоугольником между пластинами (кварцевая пластинка), и с надписью «ZQ» или «Z».

Часто причиной повреждения кварцевого резонатора является падение или сильный удар устройства, в котором он установлен, и тогда необходимо заменить резонатор на новый с той же резонансной частотой. Такие повреждения свойственны малогабаритным приборам, которые легко уронить. Однако, по статистике, подобные повреждения кварцевых резонаторов встречаются крайне редко, и чаще неисправность прибора оказывается вызвана иной причиной.

Чтобы проверить кварцевый резонатор на исправность, можно собрать небольшой пробник, который поможет не только убедиться в работоспособности резонатора, но и увидеть его резонансную частоту. Схема пробника представляет собой типичную схему кварцевого генератора на одном транзисторе.

Включив резонатор между базой и минусом (можно через защитный конденсатор на случай короткого замыкания в резонаторе), остается измерить частотомером резонансную частоту. Эта схема подойдет и для предварительной настройки колебательных контуров.

Когда схема включена, исправный резонатор станет способствовать генерации колебаний, и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение, частота которого будет соответствовать основной резонансной частоте тестируемого кварцевого резонатора.

Подключив к выходу пробника частотомер, пользователь сможет наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна, если небольшой нагрев резонатора поднесенным паяльником не приводит к сильному уплыванию частоты, то резонатор исправен. Если же генерации не будет, или частота будет плавать или окажется совсем другой, чем должна быть для тестируемого компонента, то резонатор неисправен, и его следует заменить.

Данный пробник удобен и для предварительной настройки колебательных контуров, в этом случае конденсатор C1 обязателен, хотя при проверке резонаторов его можно из схемы исключить. Контур просто подключается вместо резонатора, и схема начинает генерировать колебания аналогичным образом.

Пробник собранный по приведенной схеме замечательно работает на частотах от 15 до 20 МГц. Для иных диапазонов вы всегда можете поискать схемы в интернете, благо их там много, как на дискретных компонентах, так и на микросхеме.

Андрей Повный (Google+, ВКонтакте)

Источник: http://electrik.info/main/praktika/1222-kvarcevyy-rezonator-struktura-princip-raboty-kak-proverit.html

Кварцевый резонатор

Скорее всего этот кварц был забракован на производстве. При производстве некоторых моделей кварцев в стекляных корпусах применяется следующая технология точной установки частоты резонатора. Операция называется "посадка на частоту". Смонтированая кварцевая пластина имеет частоту ниже требуемой, балон не вакуумируется,а заполняется специальным газом, как в газоразрядных стабилитронах. Для точной посадки на требуюмую частоту такой кварцевый резонатор помещяют в ВЧ поле на доли секунды. при этом газ внутри балона светится как неонка. Часть серебра с обкладок при этом испаряется и частота кварца повышается. Но при этом может взникнуть такая ситуация когда требуется длительное воздействие ВЧ поля для повышения частоты резонанса. При этом часть серебра осаждается на кврцевую пластину между обкладками. То есть создаётся токопроводящий слой между обкладками. Получается как бы кварц зашунтированый высокоомным резистором. Естественно добротность его ниже. Мне доводилось подгонять частоты кварцевых резонаторов такого типа помещая их в катушку П-контура усилителя на 200 Вт (28 мГц) и кратковременным нажатием на ключ. Правда кварцы были 5 - 8 мГц.
В вашем случае я бы попытал следующий вариант - аккуратно срезать балон у основания, протереть резинкой (красной) по контуру пластины, промыть прополоскать в спирте. Если всё получилось поместить этот кварц вместе с основанием в корпус кварца от РСИУ.

Источник: http://forum.qrz.ru/showthread.php?t=44021&goto=newpost

Кварцевый резонатор – это радиотехнический элемент, в котором объединены два эффекта: механический резонанс и пьезоэлектричество. Данный элемент является основным в резонансных схемах, то есть в таких, где требуется точная настройка на строго определенную частоту. Это опорные (задающие) генераторы и фильтры.

Кварцевый резонатор

Точность и стабильность генерации важны для нормальной работы приемопередающих устройств, часов. Но иногда даже точность кварцевых элементов недостаточна. Так, для работы системы GPS и ГЛОНАСС нужна синхронизация времени с точностью до 10-12, а это возможно только с применением атомных часов.

Принцип действия

Кварцевый резонатор, как следует из названия, представляет собой пластинку из монокристаллического кварца, который обладает пьезоэлектрическим эффектом. Вещества пьезоэлектрики обладают свойством поляризации при механическом воздействии. При сжатии пластинки из пьезоэлектрика на ней образуется разность потенциалов.

Самый распространенный пример – пьезозажигалка. Это прямой пьезоэффект. Все пьезоэлектрики обладают также и обратным пьезоэффектом: при воздействии потенциала в пьезоэлементе возникает механическое напряжение. Пьезоэффектом обладают следующие вещества:

  • Кварц;
  • Сульфат лития;
  • Сегнетова соль;
  • Цирконат-титанат свинца;
  • Титанат бария.

Кварц получил наибольшее распространение, поскольку обладает высокой прочностью, химической инертностью. Он, в отличие от некоторых пьезоэлектриков, абсолютно не взаимодействует с водой.

Кристалл кварца

Каждое упругое тело обладает собственной частотой механического резонанса. Не исключение – кварцевая пластина. Воздействуя на нее электрическим напряжением с частотой механического резонанса, можно получить колебательную систему с ничтожно малыми затратами энергии.

Устройство резонатора

Для резонаторов используют пластинки кварца, вырезанные из монокристалла в строго определенном направлении. От выбора направления зависит характер пьезодеформации элемента и параметры колебательной системы. На плоских поверхностях пластины размещают обкладки – металлические электроды. Обкладки могут быть закреплены механическим способом или нанесены при помощи металлизации. К обкладкам крепят выводы и помещают конструкцию в герметичном корпусе.

Устройство

Габаритные размеры резонатора во многом зависят от частоты резонанса, поскольку чем она ниже, тем больше габариты пьезоэлемента. Тщательно выбирая ориентацию распила монокристалла, в настоящее время научились выпускать кварцевые резонаторы, приспособленные для SMD монтажа.

Кварц – один из самых распространенных минералов в природе. Он часто встречается в виде кристаллов, пригодных для изготовления резонаторов, но в подавляющем большинстве случаев для этих целей нужен сверхчистый материал без признаков скрытых дефектов. Именно поэтому в промышленности используются искусственно выращенные кристаллы с заданными геометрическими размерами, которые отличаются высокой чистотой.

Достоинства и недостатки

Кварцевый резонатор обладает высокой добротностью. Простыми словами, это затраты энергии на поддержание колебаний. Они очень малы. Точность и стабильность поддержания частоты составляют до 10-6Гц. Это максимально возможное значение среди аналогичных устройств. Еще большую точность можно получить, применив термостабилизацию задающих генераторов. Среди достоинств также высокая механическая прочность, долговечность и надежность.

Основной недостаток – невозможность перестройки. Кварцевый резонатор может работать только на частоте механического резонанса и, в крайнем случае, на гармониках – кратных частотах, превышающих основную в два и более раз. Работа на гармониках используется для генерации в диапазоне выше 50МГц, поскольку толщина пластинки кварца в таком случае очень мала, и ее изготовление и эксплуатация вызывает серьезные затруднения. Использование гармоник усложняет электрическую схему, поэтому чаще применяют генерацию на основной частоте с последующим умножением.

Использование фильтров на кварцах вместо традиционных LC цепей позволяет избавиться от габаритных катушек индуктивности и упростить настройку сложных многозвеньевых фильтров, поскольку частота резонаторов регламентирована и выдерживается в строгих параметрах.

Типовые схемы

Кварц – это диэлектрик, а устройство конструкции делает его очень похожим на конденсатор, которым он, по сути, и является. В некоторых радиоустройствах при неграмотном проектировании может наблюдаться микрофонный эффект, когда при ударах возникает случайная генерация. Это связано с пьезоэлектрическим эффектом в некоторых керамических конденсаторах.

Разработано множество типовых схем включения кварцевых резонаторов в качестве частотозадающих элементов генераторов и фильтров. Все области применения основаны на эквивалентной схеме, которая представляет собой параллельный колебательный контур.

Эквивалентная схема

В зависимости от того, какой тип схемы используется, сигнал генератора может быть как синусоидальным, так и прямоугольным. Задающие генераторы аналоговых устройств, гетеродины, генераторы несущих частот используют исключительно синусоидальные сигналы. Для работы цифровой техники нужны генераторы прямоугольных импульсов.

Для обеспечения высокой точности установки частоты задающего генератора некоторые устройства имеют цепи термостабилизации. Для этого часть схемы вместе с кварцевым генератором помещается в герметичный теплоизолированный корпус с нагревательным элементом. Зачем нужен нагреватель? Он предназначен для того, чтобы поддерживать стабильную температуру, заведомо большую, чем у окружающей среды.

Поскольку кварцевый резонатор имеет много общего с конденсатором, их обозначение также имеет некоторое сходство. На схеме он обозначается двумя параллельными линиями, обкладками, между которыми находится прямоугольный элемент.

Условное обозначение

Разновидности

В простейшем варианте резонатор имеет вид пластинки кварца, расположенной между металлическими электродами и помещенный в герметичный корпус. Ранее корпус выполнялся разборным, и многие радиолюбители, ввиду дефицитности радиоэлементов, самостоятельно занимались подгонкой резонанса путем шлифовки кварцевой пластины.

В настоящее время подавляющее большинство элементов имеют неразборный корпус, в котором находится кварцевый элемент с металлизированными обкладками. Корпус герметичен и имеет выводы для пайки. На корпусе нанесено цифро-буквенное значение, обозначающее частоту резонанса.

Маркировка

Наличие отработанных типовых схем генераторов позволило размещать в одном корпусе дополнительные элементы, получая готовый модуль кварцевого генератора. Внешне генератор от резонатора отличается наличием большего количества выводов.

Генератор

Для построения схем фильтров используются кварцевые резонаторы с несколькими обкладками. Фильтры высоких порядков содержат в одном корпусе несколько колебательных контуров. Такая конструкция позволяет достичь высоких параметров и повторяемости схем при минимальных габаритах устройств.

Полосовой фильтр

Фильтры даже высоких порядков, выполненные на основе кварцевых резонаторов, отличаются большими значениями добротности и меньшими искажениями фазовой характеристики.

Видео

Обратите внимание! Частота, указанная в килогерцах, является частотой механического резонанса. Если обозначение приведено в мегагерцах, то резонатор рассчитан на работу на гармониках основного резонанса.

Источник: http://elquanta.ru/teoriya/kvarcevyjj-rezonator.html
Больше пикантного видео