Rezonatory i generatory
(4 814)Czym są rezonatory, rezystory i oscylatory kwarcowe?
Rezonator kwarcowy to element elektroniczny, dzięki któremu układy go wykorzystujące są w stanie z dużą precyzją odmierzać czas. Taka dokładność jest wynikiem pojawiania się impulsów elektrycznych w równych odstępach, które są zapewniane właśnie dzięki rezonatorowi kwarcowemu. Określamy takie zjawisko taktowaniem ze stałą częstotliwością. Elementy te występują m.in. na płytkach rozwojowych mikrokontrolerów, w komputerach, pilotach do telewizorów, zabawkach, zegarkach oraz w wielu innych powszechnie używanych sprzętach elektronicznych. Rezonatory kwarcowe potoczne nazywa się też kwarcami, ale spotkać się można również z określeniami takimi jak rezystor kwarcowy czy oscylator kwarcowy.
Typy rezonatorów
Istnieje kilka odmian rezonatorów. Najpopularniejszymi z nich są rezonatory kwarcowe, ale istnieją również rezonatory ceramiczne, a także coraz popularniejsze rezonatory krzemowe. Specjalną odmianą oscylatorów są rezonatory zegarkowe.
Rezonatory kwarcowe zbudowane są z precyzyjnie dociętego kryształu kwarcu, czyli dwutlenku krzemu (SiO2), który posiada dwa wyprowadzenia. Przymocowane są one do jego napylonych metalem fragmentów. Różną częstotliwość własną rezonatora uzyskuje się poprzez różny kształt oraz wielkość kwarcu, który został wykorzystany do jego budowy. Rezonatory ceramiczne posiadają podobną budowę, jednak ich głównym elementem jest materiał piezoelektryczny inny niż kwarc.
Rezonatory kwarcowe działają w oparciu o zjawisko piezoelektryczne, które opisuje mechanizm powstawania ładunku elektrycznego (napięcia) na końcach elementu z materiału piezoelektrycznego, na skutek oddziaływania na niego siły, która prowadzi do powstania w nim naprężeń mechanicznych. Materiał piezoelektryczny przejawia również odwrotne zjawisko piezoelektryczne. W momencie przyłożenia różnicy napięć na jego końcach, odkształca się on. Rezonator kwarcowy włączony do układu elektronicznego pobudza go do drgań, a ten dostarczając energię do układu powoduje rezonans mechaniczny o częstotliwości równej częstotliwości własnej wykorzystywanego kryształu kwarcu. Najczęściej podłącza się go do układu w postaci układu Pierce’a. Czasami znaleźć można gotowe moduły w postaci generatorów impulsów. Mają one wbudowany układ elektroniczny i zazwyczaj 4 wyprowadzenia, które odpowiadają za doprowadzenia masy oraz zasilania, wyprowadzenie generowanych impulsów oraz wejście odpowiedzialne za sterowanie.
Właściwości rezonatorów kwarcowych – dokładność i częstotliwość
Dokładność rezonatorów kwarcowych określana jest za pomocą jednostki zwanej PPM (ang. parts per milion). Przykładowo, dokładność 1% to wartość równa 10000PPM. Jest ona szczególnie ważna m.in. w dobrej klasy zegarkach, aby te nie spóźniały się lub nie spieszyły o więcej niż kilka sekund na dobę. Największą dokładnością cechują się rezonatory kwarcowe posiadające średnio kilkadziesiąt PPM, co w praktyce oznacza przedział mniej więcej od 3 do 100PPM. Obecnie produkowane rezonatory ceramiczne mają bardzo podobną stabilność, jednak zaczyna się ona od około 10PPM, natomiast rezonatory zegarkowe nie przekraczają wartości 20PPM.
Należy mieć na uwadze, że dokładność oraz stabilność generowanych impulsów przez rezonator kwarcowy zależy w dużym stopniu od temperatury. Przez tę ich właściwość spotkać się można z rezonatorami zamkniętymi w obudowie, w której panuje stała temperatura, dzięki dodatkowemu układowi elektronicznemu, który utrzymuje ją na stałym poziomie. Ciekawostką może być fakt, że na częstotliwość impulsów generowanych przez rezonator może mieć wpływ nawet jego orientacja przestrzenna względem wektora grawitacji, gdyż inaczej oddziałująca siła przyciągania ziemskiego może w pewnym stopniu zmienić częstotliwość drgań własnych jego kryształu.
Oczywiście oprócz dokładności, w przypadku rezonatorów kwarcowych równie ważna jest ich częstotliwość. Wartość ta wahać się może od kilkudziesięciu kiloherców [kHz] do kilkudziesięciu megaherców [MHz]. Najciekawsze mogą okazać się tutaj rezonatory zegarkowe, gdyż praktycznie w każdym przypadku będą posiadały częstotliwość równą 32,768kHz. Jest to podyktowane tym, że po podzieleniu tej wartości przez dwa do potęgi piętnastej, otrzymujemy równo jeden impuls na sekundę, czyli podstawę czasu zegara analogowego.
Oznaczenia rezonatorów kwarcowych
Jeżeli na rezonatorze kwarcowym pojawia się jakieś oznaczenie, to zazwyczaj będzie to właśnie jego częstotliwość. Niestety, tak jak większość urządzeń, również i rezonatory kwarcowe z czasem, w wyniku starzenia, mogą w pewnym stopniu zmienić swoje parametry częstotliwości.
Wybór rezonatorów kwarcowych
Oscylatory kwarcowe, tak samo jak praktycznie każdy inny element elektroniczny, znaleźć można w obudowach przeznaczonych do montażu przewlekanego THT lub do montażu powierzchniowego SMD.
Dobierając odpowiedni rezonator kwarcowy ze względu na kompatybilność mechaniczną, należy uwzględnić jego raster styków. Mianem tym określa się odległości pomiędzy osiami wyprowadzeń elementów elektronicznych, czyli m.in. układów scalonych czy listew zaciskowych. Wśród standardowych wartości rastra styków dla rezonatorów kwarcowych znajdziemy przede wszystkim 0,7mm, 1,1mm, 2,54mm, 4,88mm oraz 5,1mm.
Najpopularniejsze obudowy, w których można znaleźć oscylatory kwarcowe to głównie obudowa cylindryczna, HC-49, HC-49-S, HC-49/U, TC26 i TC38, które są obudowami do montażu przewlekanego (THT), a także HC-49SM i HC-49SMD do montażu powierzchniowego (SMD).
Uwagę zwrócić można również na szereg innych parametrów, takich jak temperatura pracy, która wahać się może w przedziale od około -55°C do 150°C, moc, podawana dla tego rodzaju komponentów w miliwatach [mW] lub wręcz nanowatach [nW], ale również pojemność, której wartość może wynosić od około 6 pF (pikofarad) do 30 F.
Magazyn:
