Кварцевый резонатор

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