Resonators and Generators
(4 803)Cosa sono i risonatori, i resistori e gli oscillatori al quarzo?
Il risonatore al quarzo è un componente elettronico grazie al quale i circuiti in cui viene utilizzato, in grado di misurare il tempo con elevata precisione. Tale precisione è il risultato della comparsa di impulsi elettrici a intervalli uguali, che vengono assicurati proprio grazie al risonatore al quarzo. Definiamo tale fenomeno con il nome di clock a una frequenza costante. Questi componenti sono vengono installati su schede di sviluppo di microcontrollori, in computer, telecomandi TV, giocattoli, orologi e molti altri apparecchi elettronici comunemente in uso. I risonatori al quarzo, colloquialmente noti come cristalli, ma possiamo trovare anche termini come resistore al quarzo o oscillatore al quarzo.
Tipi di risonatori
Esistono diversi tipi di risonatori. I più popolari di questi componenti sono i risonatori al quarzo, tuttavia esistono anche risonatori ceramici, così come i sempre più popolari oscillatori al silicio. Una variante speciale degli oscillatori sono i risonatori per orologi.
I risonatori al quarzo sono realizzati con cristallo di quarzo tagliato con precisione, ossia biossido di silicio (SiO2), che dispone di due pin. Questi ultimi sono collegati ai suoi frammenti di metallo. La diversa frequenza propria del risonatore è ottenuta attraverso una diversa forma e dimensioni del quarzo utilizzato per la sua produzione. I risonatori ceramici presentano una struttura simile, ma il loro elemento principale è realizzato in materiale piezoelettrico diverso dal quarzo.
I risonatori al quarzo operano sulla base di un fenomeno piezoelettrico, che descrive il meccanismo di formazione di una carica elettrica (tensione) alle estremità di un elemento realizzato in materiale piezoelettrico, a seguito dell'azione di una forza su di esso, che porta alla formazione di sollecitazioni meccaniche al suo interno. Il materiale piezoelettrico inoltre presente un effetto piezoelettrico inverso. In caso di applicazione di differenza di tensione alle sue estremità, si deforma. Un risonatore al quarzo inserito in un circuito elettronico stimola quest'ultimo a risuonare, e questo fornendo energia al circuito provoca una risonanza meccanica con una frequenza pari alla frequenza propria del cristallo di quarzo utilizzato. Molto spesso è collegato al circuito mediante un circuito chiamato oscillatore di Pierce. A volte sono disponibili moduli già pronti in forma di generatori di impulsi. Dispongono di un circuito elettronico integrato e di solito 4 pin, per il collegamento della massa e dell'alimentazione, dell'uscita degli impulsi generati e dell'ingresso di controllo.
Proprietà dei risonatori al quarzo – precisione e frequenza
La precisione dei risonatori al quarzo è determinata mediante un'unità chiamata PPM (dall'inglese parts per milion). Ad esempio, una precisione dell'1% è pari a 10000PPM. Ciò è particolarmente importante negli orologi di buona qualità, in modo che non siano in ritardo o in anticipo di pochi secondi al giorno. La massima precisione è caratterizzata dai risonatori al quarzo, con una media di diverse decine di PPM, che in pratica significa un intervallo da circa 3 a 100 PPM. I risonatori ceramici attualmente prodotti hanno una stabilità molto simile, tuttavia parte da circa 10PPM, mentre i risonatori per orologi non superano i 20PPM.
Va tenuto presente che l'accuratezza e la stabilità degli impulsi generati dal risonatore al quarzo dipendono in larga misura dalla temperatura. Per via di questa proprietà è possibile trovare risonatori racchiusi in un alloggiamento in cui vi è una temperatura costante, grazie a un sistema elettronico aggiuntivo che mantiene la temperatura a un livello costante. Un fatto interessante potrebbe essere che la frequenza degli impulsi generati dal risonatore può essere influenzata anche dal suo orientamento spaziale rispetto al vettore gravitazionale, poiché altrimenti la forza interagente dell'attrazione terrestre potrebbe in una certa misura cambiare la frequenza delle vibrazioni proprie del cristallo.
Naturalmente, oltre alla precisione, nel caso dei risonatori al quarzo, è altrettanto importante la loro frequenza. Questo valore può variare da diverse decine di kilohertz [kHz] a diverse decine di megahertz [MHz]. I più interessanti possono risultare i risonatori per orologi, poiché praticamente in ogni caso avranno una frequenza pari a 32,768kHz. Ciò è dettato dal fatto che dopo aver diviso questo valore per due alla quindicesima potenza, otteniamo ugualmente un impulso al secondo, ossia la base tempi dell'orologio analogico.
Designazioni dei risonatori al quarzo
Se sul risonatore al quarzo è presente una designazione, di solito indicherà la sua frequenza. Sfortunatamente, come nel caso della maggior parte dei dispositivi, con il passare del tempo i risonatori al quarzo possono cambiare i propri parametri di frequenza, a causa dell'invecchiamento.
Scelta dei risonatori al quarzo
Gli oscillatori al quarzo, come praticamente qualsiasi altro componente elettronico, possono essere trovati in alloggiamenti progettati per il montaggio THT a foro passante o il montaggio superficiale SMD.
Durante la scelta del risonatore al quarzo appropriato per motivi di compatibilità meccanica, è necessario tenere conto del suo passo dei contatti. Questo termine si riferisce alla distanza tra gli assi dei pin dei componenti elettronici, ossia ad es. dei circuiti integrati o delle morsettiere. Tra i valori standard del passo dei contatti per i risonatori al quarzo troviamo principalmente 0,7 mm, 1,1 mm, 2,54 mm, 4,88 mm e 5,1 mm.
Gli alloggiamenti più popolari in cui è possibile trovare oscillatori al quarzo sono principalmente alloggiamenti cilindrici, HC-49, HC-49-S, HC-49/U, TC26 e TC38, che sono alloggiamenti a foro passante (THT), nonché HC-49SM e HC-49SMD per il montaggio superficiale (SMD).
Si può prestare attenzione anche ad una serie di altri parametri, come la temperatura di esercizio, che può variare da circa -55°C a 150°C, la potenza di questo tipo di componenti, espressa in milliwatt [mW] o persino in nanowatt [nW], ma anche la capacità, il cui valore può variare da circa 6 pF (picofarad) a 30 F.
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