Resonators and Generators
(4 807)Co jsou krystalové rezonátory, rezistory a oscilátory?
Krystalový rezonátor je elektronický prvek, díky němuž jsou systémy, které jej používají, schopny měřit čas s vysokou přesností. Taková přesnost je výsledkem výskytu elektrických impulzů ve stejných intervalech, které jsou zajišťovány právě díky krystalovému rezonátoru. Tento jev definujeme jako taktování na pevnou frekvenci. Tyto prvky se nacházejí mimo jiné na vývojových deskách mikrokontrolérů, v počítačích, dálkových ovladačích televizorů, hračkách, hodinkách a mnoha dalších běžně používaných elektronických zařízeních. Krystalové rezonátory se hovorově nazývají také krystaly, ale můžeme se také setkat s pojmy jako krystalový rezistor nebo krystalový oscilátor.
Typy rezonátorů
Existuje několik druhů rezonátorů. Nejoblíbenější z nich jsou krystalové rezonátory, existují také keramické rezonátory, ale i stále populárnější křemíkové rezonátory. Speciální variantou oscilátorů jsou hodinkové rezonátory.
Krystalové rezonátory jsou vyrobeny z přesně broušeného křemenného krystalu, tedy oxidu křemičitého (SiO2), který má dva vývody. Tyto jsou připojeny k jeho kovem nastříkaným fragmentům. Různé vlastní frekvence rezonátoru jsou dosahovány rozmanitými tvary a velikostmi křemene, který byl použit pro jeho konstrukci. Keramické rezonátory mají podobnou strukturu, ale jejich hlavním prvkem je piezoelektrický materiál jiný než křemen.
Krystalové rezonátory pracují na základě piezoelektrického jevu, který popisuje mechanismus tvorby elektrického náboje (napětí) na koncích prvku vyrobeného z piezoelektrického materiálu v důsledku síly, která na něj působí, což vede k tvorbě mechanického napětí v něm. Piezoelektrický materiál také vykazuje obrácený piezoelektrický jev. V okamžiku přivedení rozdílů napětí na jeho konce se deformuje. Krystalový rezonátor zabudovaný do elektronického systému jej stimuluje k vibracím a tento dodáváním energie do systému vyvolává mechanickou rezonanci s frekvencí rovnající se vlastní frekvenci použitého křemenného krystalu. Nejčastěji se připojuje k systému v podobě Piercova oscilátoru. Někdy se můžeme setkat s hotovými moduly v podobě generátorů impulzů. Tyto mají vestavěný elektronický systém a obvykle 4 vývody, které jsou zodpovědné za přivedení uzemnění a napájení, výstup generovaných impulzů a vstup zodpovědný za ovládání.
Vlastnosti krystalových rezonátorů – přesnost a frekvence
Přesnost krystalových rezonátorů je určována jednotkou s názvem PPM (angl. parts per million). Například 1% přesnost je hodnota rovná 10000 PPM. Zvláště důležité je to mimo jiné u kvalitních hodinek, aby se nezpožďovaly nebo nešly napřed o více než několik vteřin denně. Nejvyšší přesností se vyznačují krystalové rezonátory, které mají v průměru několik desítek PPM, což v praxi znamená rozsah přibližně 3 až 100 PPM. Vyráběné v současné době keramické rezonátory mají velmi podobnou stabilitu, ale tato začíná na cca 10 PPM, zatímco hodinkové rezonátory nepřesahují hodnotu 20 PPM.
Je třeba mít na paměti, že přesnost a stabilita pulzů generovaných krystalovým rezonátorem závisí do značné míry na teplotě. Díky této jejich vlastnosti se můžete setkat s rezonátory uzavřenými v pouzdře, ve kterém je konstantní teplota, a to díky dodatečnému elektronickému systému, který jej udržuje na konstantní úrovni. Zajímavostí může být, že na frekvenci pulzů generovaných rezonátorem může mít vliv i jeho prostorová orientace vzhledem ke gravitačnímu vektoru, protože jinak působící síla zemské přitažlivosti může do jisté míry změnit frekvenci vlastních vibrací jejího krystalu.
V případě krystalových rezonátorů je samozřejmě kromě přesnosti stejně důležitá jejich frekvence. Tato hodnota se může pohybovat od několika desítek kilohertzů [kHz] do několika desítek megahertzů [MHz]. Nejzajímavější zde mohou být hodinkové rezonátory, protože prakticky v každém případě budou mít frekvenci rovnou 32,768 kHz. Je to dáno tím, že když tuto hodnotu vydělíme patnáctou mocninou dvou, dostaneme přesně jeden impuls za sekundu, což je časová základna analogových hodin.
Označení krystalových rezonátorů
Pokud je na krystalovém rezonátoru nějaké označení, bude to obvykle právě jeho frekvence. Bohužel, stejně jako většina zařízení, mohou i krystalové rezonátory v průběhu času do určité míry měnit své frekvenční parametry v důsledku stárnutí.
Výběr krystalových rezonátorů
Krystalové oscilátory, stejně jako prakticky všechny ostatní elektronické součástky, lze nalézt v pouzdrech určených pro montáž THT nebo montáž SMD.
Při výběru vhodného krystalového rezonátoru je třeba z důvodu mechanické kompatibility vzít v úvahu jeho rozteč kontaktů. Tento termín se týká vzdálenosti mezi osami vývodů elektronických součástek, tedy mimo jiné integrovaných obvodů nebo svorkovnic. Mezi standardní hodnoty rozteče kontaktů pro krystalové rezonátory patří především 0,7 mm, 1,1 mm, 2,54 mm, 4,88 mm a 5,1 mm.
Nejoblíbenější pouzdra, ve kterých najdeme krystalové oscilátory, jsou především válcová pouzdra, HC-49, HC-49-S, HC-49 / U, TC26 a TC38, jež jsou pouzdry pro průchozí montáž (THT), a také HC-49SM a HC-49SMD pro povrchovou montáž (SMD).
V úvahu je třeba také vzít řadu dalších parametrů, jako je například provozní teplota, která se může pohybovat v rozmezí od přibližně -55 °C do 150 °C, výkon udávaný pro tento typ komponentů v miliwattech [mW] nebo dokonce i nanowattech [nW], ale také kapacita, jejíž hodnota se může pohybovat od přibližně 6 pF (pikofaradů) až 30 F.
Sklad:
