Quarzresonator - Struktur, Funktionsprinzip, wie zu überprüfen

Moderne digitale Technologie erfordert eine hohe Genauigkeit, so dass es nicht verwunderlich ist, dass fast jedes digitale Gerät, das heutzutage die Aufmerksamkeit eines Durchschnittsmenschen nicht auf sich ziehen würde, einen Quarzresonator enthält.

Quarzresonatoren für verschiedene Frequenzen sind als zuverlässige und stabile Quellen für harmonische Schwingungen erforderlich, damit sich der digitale Mikrocontroller während des Betriebs des digitalen Geräts auf die Referenzfrequenz verlassen und in Zukunft damit arbeiten kann. Somit ist ein Quarzresonator ein zuverlässiger Ersatz für eine oszillierende LC-Schaltung.

Betrachten wir einen einfachen Schwingkreis, bestehend aus Kondensator und Induktorwird schnell klar, dass der Qualitätsfaktor einer solchen Schaltung in der Schaltung 300 nicht überschreitet, außerdem schwimmt die Kondensatorkapazität in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, das gleiche passiert mit der Induktivität.

Nicht umsonst haben Kondensatoren und Spulen Parameter wie TKE - Temperaturkoeffizient der Kapazität und TKI - Temperaturkoeffizient der Induktivität, die zeigen, wie stark sich die Hauptparameter dieser Komponenten mit ihrer Temperatur ändern.

Im Gegensatz zu Schwingkreisen haben Resonatoren auf Quarzbasis einen für Schwingkreise unerreichbaren Q-Faktor, der mit Werten von 10.000 bis 10.000.000 gemessen werden kann, und die Temperaturstabilität von Quarzresonatoren kommt nicht in Frage, da die Frequenz bei jeder Temperatur konstant bleibt, üblicherweise im Bereich von - 40 ° C bis + 70 ° C.

Aufgrund der hohen Temperaturstabilität und des Qualitätsfaktors werden Quarzresonatoren überall in der Funktechnik und in der digitalen Elektronik eingesetzt.

Zur Zuordnung Mikrocontroller oder Prozessor Taktfrequenz benötigt er immer einen Taktgenerator, auf den er sich zuverlässig verlassen kann, und dieser Generator benötigt immer einen hochfrequenten und hochpräzisen. Hier kommt der Quarzresonator zur Rettung. Natürlich kann in einigen Anwendungen auf piezoelektrische Resonatoren mit einem Qualitätsfaktor von 1000 verzichtet werden, und solche Resonatoren sind für elektronisches Spielzeug und Haushaltsradios ausreichend, aber Quarz wird für genauere Geräte benötigt.

Die Basis des Quarzresonators ist piezoelektrischer Effektauf einer Quarzplatte entstehen. Quarz ist eine polymorphe Modifikation von Siliziumdioxid SiO2 und kommt in der Natur in Form von Kristallen und Kieselsteinen vor. Die freie Form in der Erdquarzkruste beträgt etwa 12%, außerdem enthalten andere Mineralien in Form von Gemischen ebenfalls Quarz und im Allgemeinen mehr als 60% Quarz in der Erdkruste (Massenanteil).

Zur Erzeugung von Resonatoren eignet sich Niedertemperaturquarz mit ausgeprägten piezoelektrischen Eigenschaften. Quarz ist chemisch sehr stabil und kann nur in Fluorwasserstoffsäure gelöst werden. Quarz ist in der Härte Opal überlegen, erreicht jedoch keinen Diamanten.

Bei der Herstellung einer Quarzplatte wird ein Stück aus einem Quarzkristall in einem genau festgelegten Winkel geschnitten. Abhängig vom Schnittwinkel unterscheidet sich die resultierende Quarzplatte in ihren elektromechanischen Eigenschaften.

Viel hängt von der Art des Schnitts ab: Frequenz, Temperaturstabilität, Resonanzstabilität und das Fehlen oder Vorhandensein von Störresonanzfrequenzen. Dann wird auf beiden Seiten eine Metallschicht auf die Platte aufgebracht, die Nickel, Platin, Silber oder Gold sein kann, wonach die Platte mit harten Drähten an der Basis des Quarzresonatorgehäuses befestigt wird. Der letzte Schritt - das Gehäuse ist hermetisch zusammengebaut.

Somit wird ein Oszillationssystem mit seiner eigenen Resonanzfrequenz erhalten, und der auf diese Weise erhaltene Quarzresonator hat seine eigene Resonanzfrequenz, die durch elektromechanische Parameter bestimmt wird.

Wenn nun eine Wechselspannung einer gegebenen Resonanzfrequenz an die Metallelektroden des Kunststoffs angelegt wird, tritt ein Resonanzphänomen auf und die Amplitude der harmonischen Schwingungen der Platte nimmt sehr signifikant zu. In diesem Fall nimmt der Resonatorwiderstand erheblich ab, dh der Vorgang ähnelt dem, was in einem sequentiellen Schwingkreis geschieht. Aufgrund des hohen Qualitätsfaktors eines solchen "Schwingkreises" ist der Energieverlust während seiner Anregung bei der Resonanzfrequenz vernachlässigbar.

Auf einem Ersatzschaltbild: C2 ist die statische elektrische Kapazität der Platten mit Haltern, L ist die Induktivität, C1 ist die Kapazität, R ist der Widerstand, der die elektromechanischen Eigenschaften der installierten Quarzplatte widerspiegelt. Wenn Sie die Montageelemente entfernen, bleibt ein konsistenter LC-Schaltkreis erhalten.

Während der Installation auf einer Leiterplatte kann ein Quarzresonator nicht überhitzt werden, da sein Design sehr zerbrechlich ist und eine Überhitzung zu einer Verformung der Elektroden und des Halters führen kann, was sicherlich den Betrieb des Resonators im fertigen Gerät beeinträchtigt. Wenn Quarz auf 5730 ° C erhitzt wird, verliert er seine piezoelektrischen Eigenschaften vollständig, aber glücklicherweise ist es unmöglich, ein Element mit einem Lötkolben auf eine solche Temperatur zu erwärmen.

Die Bezeichnung des Quarzresonators im Diagramm ähnelt der Bezeichnung eines Kondensators mit einem Rechteck zwischen den Platten (Quarzplatte) und der Aufschrift "ZQ" oder "Z".

Häufig ist die Ursache für eine Beschädigung des Quarzresonators ein Sturz oder ein starker Aufprall des Geräts, in das er eingebaut ist, und dann muss der Resonator durch einen neuen mit derselben Resonanzfrequenz ersetzt werden. Solche Schäden treten bei kleinen Geräten auf, die leicht fallen zu lassen sind. Laut Statistik ist eine solche Beschädigung von Quarzresonatoren jedoch äußerst selten, und die Fehlfunktion des Geräts wird häufiger durch einen anderen Grund verursacht.

Um den Quarzresonator auf Wartungsfreundlichkeit zu überprüfen, können Sie eine kleine Sonde zusammenbauen, mit der Sie nicht nur die Funktionsfähigkeit des Resonators überprüfen, sondern auch dessen Resonanzfrequenz ermitteln können. Die Sondenschaltung ist eine typische Quarzoszillatorschaltung, die einen einzelnen Transistor verwendet.

Durch Einschalten des Resonators zwischen Basis und Minus (bei einem Kurzschluss im Resonator über einen Schutzkondensator möglich) bleibt die Resonanzfrequenz mit einem Frequenzmesser zu messen. Diese Schaltung eignet sich auch zum Voreinstellen der Schwingkreise.

Wenn die Schaltung eingeschaltet wird, trägt ein gesunder Resonator zur Erzeugung von Schwingungen bei, und am Emitter des Transistors kann eine Wechselspannung beobachtet werden, deren Frequenz der Grundresonanzfrequenz des getesteten Quarzresonators entspricht.

Durch Anschließen eines Frequenzmessers an den Sondenausgang kann der Benutzer diese Resonanzfrequenz beobachten. Wenn die Frequenz stabil ist und eine leichte Erwärmung des Resonators mit einem erhöhten Lötkolben nicht zu einer starken Drift der Frequenz führt, befindet sich der Resonator in einem guten Zustand. Wenn es keine Erzeugung gibt oder die Frequenz schwankt oder sich herausstellt, dass sie völlig anders ist als für die getestete Komponente, ist der Resonator fehlerhaft und sollte ersetzt werden.

Diese Sonde ist auch zum Voreinstellen der Schwingkreise geeignet. In diesem Fall wird der Kondensator C1 benötigt, obwohl er bei der Überprüfung der Resonatoren aus dem Kreis ausgeschlossen werden kann. Die Schaltung wird einfach anstelle des Resonators angeschlossen, und die Schaltung beginnt auf ähnliche Weise Schwingungen zu erzeugen.

Der gemäß der gegebenen Schaltung zusammengesetzte Sampler arbeitet wunderbar bei Frequenzen von 15 bis 20 MHz. Für andere Bereiche können Sie im Internet immer nach Schaltkreisen suchen, da es viele davon gibt, sowohl auf diskreten Komponenten als auch auf einem Mikroschaltkreis.