Кварцевые резонаторы – специальные электромеханические устройства. Их базой служат особый пьезоэлемент, изготавливаемый из кварцевых кристаллов. Состоит такой резонатор из непосредственно самого пьезоэлемента, кварцедержателя. Элемент обеспечивает включение электродов и самого кристаллического элемента. Форма этого элемента имеет разную форму. Он может быть круглым, прямоугольным или любым другим, что необходимо для облегчения составления электросхем.
Также различаются они по своим физическим габаритам. Сам пьезоэлемент производит механические движения, который производятся посредством движения электронов. В статье приведена подробная информация об устройстве кварцевого резонатора, сфера их использования. Также в статье приведена подробная научная статья и видеоматериал.
Свойства кварцевого резонатора
Кристаллический элемент пьезоэлектрического резонатора входит в состояние резонанса, и действующие внутри него механические напряжения претерпевают наиболее резкие изменения по величине и фазе при сравнительно небольших вариациях частоты колебаний; полное электрическое сопротивление системы изменяется при этом аналогичным образом. При использовании этого явления пьезоэлектрический кристалл помещают в высокочастотное электрическое поле, например между двумя металлическими электродами, закрепляя его определенным способом (механически) так, чтобы расположение всех элементов устройства оставалось неизменным в процессе работы.
Механическая система, в которой закрепляется кварцевый элемент и которая несет элементы конструкции, необходимые для возбуждения кварца, носит название кристаллодержателя. Если на электроды, между которыми помещен кварцевый элемент, подается переменное электрическое напряжение, то механические напряжения и деформации в кристалле также будут переменными, и при частоте переменного электрического напряжения, равной частоте собственных механических колебаний кварца, возникает механический резонанс. При этом на гранях кварцевого элемента, а следовательно, и на электродах кристаллодержателя появляются переменные заряды, величина и фаза которых определяются комплексной амплитудой механических напряжений в кристалле. Полная таблица частот кварцевых резонаторов представлена в таблице ниже (кликабельна для увеличения).
[stextbox id=’info’]Взаимодействие этих зарядов с зарядами, создаваемыми приложенным извне переменным электрическим полем, изменяет соотношение между напряжением на электродах кристаллодержателя с кварцем и током через него, причем электрическое сопротивление системы переменному току изменяется с частотой последнего.[/stextbox]
Наличие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта позволяет рассматривать резонанс кварца или как явление механических колебаний упругого твердого тела, воздействующих вследствие пьезоэффекта на электрическое поле, или как явление электрических колебаний некоторой электрической цепи, эквивалентной кварцевому резонатору. Оба способа рассмотрения приводят к одинаковому результату: параметры электрической эквивалентной схемы могут быть выражены через физические константы кристалла и через электрическую связь между кварцевым элементом и держателем.
https://youtu.be/LWZH79o_vks
Обычно кварцевый резонатор, представляющий собой пьезоэлектрический кристалл, закрепленный в держателе, является частью некоторой внешней электрической цепи, выполняющей определенные функции в том или ином радиотехническом устройстве, предназначенном для решения конкретной технической задачи. Естественно, что только второй способ рассмотрения кварцевого резонатора может удовлетворить практическим требованиям, поэтому знание эквивалентной электрической цепи, заменяющей элемент и кристаллодержатель, ее формы и параметров является весьма важной для практики задачей. Если эквивалентная электрическая схема по своей форме, параметрам и пределам применения определена так, что она вполне строго (при указанных ограничениях) отражает явления, происходящие в колеблющемся пьезокварце, то это позволяет рассматривать теоретические вопросы кварцевого резонатора как элемента внешней электрической цепи изолированно от самого кристалла и решать технические задачи, в которых используется пьезокварц, обычными методами, применимыми к линейным электрическим цепям.
Материал в тему: все о переменном конденсаторе.
В зависимости от назначения кварцевый резонатор выполняется различными способами. При использовании в качестве резонансного колебательного контура в генераторе он должен быть рассчитан на определенную мощность рассеяния. При использовании в фильтрах и для контроля частоты радиопередающих устройств существенное значение имеет не мощность рассеяния, а минимальное затухание, малая связь с внешней цепью и т. п. Поэтому размеры кварцевых элементов, их форма, номер гармоники, а также конструкция кристаллодержателя в указанных случаях различны.
Для разных типов кварцевых резонаторов параметры эквивалентной электрической схемы изменяются по величине, хотя форма эквивалентной схемы остается неизменной. Наиболее просто эквивалентная схема выглядит в случае кварцевых элементов, на поверхность которых вакуумным распылением непосредственно нанесены пленки из металлов — электроды; несколько сложнее — в случае кварцевых элементов, помещаемых между электродами с зазорами, или же в случае кварцевого фильтра, имеющего по два входных и два выходных электрода.
С точки зрения внешних электрических цепей, пользуясь динамическими аналогиями, кварцевый резонатор можно заменить эквивалентным электрическим колебательным контуром. При математических расчетах рассмотрение эквивалентного электрического контура (вместо находящегося в колебательном состоянии кварцевого резонатора) позволяет отвлечься от кварцевого резонатора как электромеханической колебательной системы и рассматривать его как элемент электрической цепи .
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора состоит из активного сопротивления R1, емкости С1, и индуктивности L1, включенных последовательно и зашунтированных параллельной емкостью С0. Параметры R1, С1, L1 являются основными и носят название динамических параметров пьезоэлектрического резонатора, параметр C0 — статическая емкость. Если кварцевый элемент возбуждается в кристаллодержателе с зазорами, то к его эквивалентной электрической схеме добавляется параметр С3 — емкость зазора кристаллодержателя.
[stextbox id=’info’]Эквивалентная схема резонатора — это схема замещения электромеханической колебательной системы с одной степенью свободы эквивалентным электрическим колебательным контуром[/stextbox].
Параметры кварцевых резонаторов
Номинальная частота – частота Fн, указанная на маркировке или в документации на кварцевый резонатор (измеряется в МГц или кГц). Базовая частота – реальная частота резонатора Fо, измеренная в заданных условиях эксплуатации. Как правило, определяются только климатические условия, а именно базовая температура окружающей среды То, (равная 25± 2°С для резонаторов со срезом типа АТ). Рабочая частота – реальная частота резонатора F, измеренная в реальных условиях эксплуатации (климатических, механических и электрических). Обычно определен только допустимый диапазон изменения рабочей температуры.
Точность настройки частоты – максимально допустимое относительное отклонение базовой частоты резонатора от номинальной частоты. Измеряется в миллионных долях от номинальной частоты, обозначаемых как ppm (part per m illion) или 1•10 -6. В отдельных редких случаях значение этого параметра приводится в процентах. Как правило, значение точности настройки частоты кварцевого резонатора выбираются из стандартного ряда.
Температурная нестабильность частоты
Относительное отклонение рабочей частоты резонатора от базовой частоты. Может быть представлено в виде зависимости от рабочей температуры T, в соответствии с формулой для кварцевых пластин с типом среза АТ и формулой (4) для кварцевых пластин остальных типов. Долговременная нестабильность частоты (старение) – систематическое изменение базовой частоты с течением времени из-за внутренних изменений в кварцевом резонаторе. Параметр старения задается как относительное изменение базовой частоты за заданный промежуток времени. Это значение выражается в частях миллиона за год (например, 3 ppm / year ). Уход частоты под влиянием старения в максимальной степени сказывается в течение первых 30 – 60 дней эксплуатации, после чего влияние этого фактора уменьшается. Стандартный ряд относительных отклонений частоты для резонаторов общего назначения включает следующие классы точности: ±5, ±10, ±15, ±20, ±30, ±50, ±75 и ±100 ppm.
Материал в тему: устройство подстроечного резистора.
Режим работы резонатора (номер гармоники)
Режим работы резонатора – неизменяемый параметр, определяющий частоту колебания. Для кристаллов кварца может использоваться не только основная частота, но и ее нечетные гармоники – обертоны. Например, кристалл может работать на основной частоте 10 МГц, или в нечетных гармониках приблизительно 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон) и 70 МГц (седьмой обертон).
Параметры температуры
Базовая температура – Температура окружающей среды То, для большинства резонаторов равная 25± 2°С, при которой выполняются измерения определенных параметров кварцевого резонатора (в частности, значения базовой частоты). Диапазон рабочих температур – Диапазон температур, для которого производитель гарантирует, что максимальное отклонение рабочей частоты от номинального значений не выходит за пределы заданного допуска. Диапазон температур, в котором резонатор сохраняет работоспособность, но отклонение частоты от номинала может выходить за пределы, гарантируемые производителем.
Диапазон температур хранения – Диапазон температур, в котором кварцевый резонатор может находиться в режиме хранения (то есть, в состоянии отсутствия колебаний). После окончания хранения резонатора и обеспечения температуры в пределах рабочего диапазона (в течение некоторого отрезка времени), резонатор может использоваться в режиме колебаний, причем при этом будут гарантироваться все указанные производителем параметры.
Электрические параметры
Эквивалентная схема кварцевого резонатора – представляет собой электрическое описание кварцевого резонатора, работающего на резонансной частоте. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рисунке 1. С0 – шунтирующая емкость. R1, L1 и С1 – соответственно динамическое сопротивление, динамическая индуктивность и динамическая емкость. Динамические параметры представляют собой соответствующие эквиваленты резонатора как электромеханической системы и определяются, в основном, характеристиками среза кварцевого элемента.
Шунтирующая емкость C0 – Емкость между выводами кристалла. Измеряется в пикофарадах. Шунтирующая емкость складывается из паразитной емкости кварца, емкости области электродов кристалла и емкости, вносимой кристаллодержателем. Шунтирующая емкость имеет значение порядка единиц пФ. Динамическое сопротивление R1 – Параметр, характеризующий энергетические потери в колебательном контуре. Динамическое сопротивление R1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты резонанса, номера гармоники и ряда конструктивных факторов.
Емкость нагрузки СL
Измеренное или вычисленное значение емкости, включенной параллельно с кварцевым резонатором. Резонансная частота кварца, включенного в реальную электрическую цепь, будет изменяться в некоторых пределах при разных значениях емкости нагрузки. Для упрощения взаимодействия заказчиков и производителей резонаторов практикуется настройка резонаторов при определенном значении нагрузочной емкости. В этом случае измеренная частота должна соответствовать номинальной с учетом указанной точности настройки.
Как правило, для согласования емкости нагрузки используют конденсаторы Cg , подключаемые между выводами кварцевого резонатора и общим проводом (рисунок 2). Расчет номинала емкости конденсаторов Cg осуществляется по формуле (6), где CL – емкость нагрузки, указанная в технической документации, а CS – значение паразитной емкости (примерно 5 пФ).
Например, для емкости нагрузки равной 16 пФ имеем:
Cg = 2·(16-5) = 22 пФ
Обычно определяется как мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором. Минимальное значение этого параметра определяется количеством энергии, необходимой для нормального запуска резонатора и обеспечения устойчивых колебаний. Однако повышенное значение этого параметра может вызвать ухудшение параметров старения и механические повреждения кристалла.
Заключение
Более подробно о кварцевых резонаторах можно узнать из статьи Область применения кварцевых резонаторов. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.
Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:
www.lit-phonon.ru
www.gaw.ru
www.lit-phonon.ru
Предыдущая