Resonators and Generators
(4 806)Čo sú to rezonátory, rezistory a kryštálové oscilátory?
Kremenné rezonátory sú elektronickými prvkami, vďaka ktorým sú systémy, v ktorých sa nachádzajú, schopné merať čas s vysokou presnosťou. Táto presnosť je výsledkom pravidelného objavovania sa elektrických impulzov, pričom presnú dĺžku intervalov, v ktorých sa objavujú, zabezpečuje kremenný rezonátor. Takýto jav nazývame taktovaním s konštantnou frekvenciou. Tieto prvky sa nachádzajú napr. na vývojových doskách mikrokontrolérov, v počítačoch, televíznych ovládačoch, hračkách, hodinkách a mnohých ďalších bežne používaných elektronických zariadeniach. Kremenné rezonátory sa bežne nazývajú aj kvarcami, no môžeme sa stretnúť aj s pojmami ako kremenný rezistor či kremenný oscilátor.
Typy rezonátorov
Existuje niekoľko druhov rezonátorov. Najpopulárnejšími z nich sú kremenné rezonátory, ale existujú aj keramické rezonátory, ako aj čoraz populárnejšie kremíkové rezonátory. Špeciálnym typom oscilátorov sú hodinkové rezonátory.
Kremenné rezonátory sú vyrobené z presne brúseného kremenného kryštálu, teda oxidu kremičitého (SiO2), ktorý má dva vývody. Sú pripevnené k jeho plochám s kovovým postrekom, tzv. polepom. Rôzne tvary a veľkosti kremeňa použitého pri výrobe rezonátorov umožňujú získať ich rôzne vlastné frekvencie. Keramické rezonátory majú podobnú štruktúru, ale ich hlavným prvkom je piezoelektrický materiál iný ako kremeň.
Kremenné rezonátory fungujú na základe piezoelektrického javu. Tento pojem opisuje mechanizmus vzniku elektrického náboja (napätia) na koncoch prvku vyrobeného z piezoelektrického materiálu v dôsledku naň pôsobiacej sily, ktorá v tomto materiáli vyvoláva vznik mechanického napätia. Piezoelektrické materiály vykazujú aj tzv. reverzný piezoelektrický efekt. Po privedení elektrického napätia na konce takéhoto materiálu dôjde k jeho deformácii. Kremenný rezonátor zapojený do elektronického obvodu stimuluje jeho vibrácie, ktorý následne spätným dodávaním energie vyvoláva mechanickú rezonanciu s frekvenciou rovnajúcou sa vlastnej frekvencii použitého kremenného kryštálu. Kremenný kryštál sa do obvodu najčastejšie zapája v podobe Pierceovho oscilátora. Niekedy je možné nájsť aj hotové moduly vo forme generátorov impulzov. Majú vstavaný elektronický systém a väčšinou 4 vývody zodpovedné za uzemnenie, napájanie, výstup generovaných impulzov ako aj riadiaci vstup.
Vlastnosti kremenných rezonátorov – presnosť a frekvencia
Presnosť kremenných rezonátorov sa určuje pomocou jednotky nazývanej PPM (parts per million). Napríklad presnosť 1% je rovná hodnote 10 000 PPM. Je obzvlášť dôležitá napríklad v kvalitných hodinkách, v prípad ktorých je dôležité, aby nemeškali, prípadne aby sa neponáhľali o viac ako pár sekúnd denne. Najvyššou presnosťou sa vyznačujú kremenné rezonátory, ktorých presnosť je v priemere okolo niekoľkých desiatok PPM. V praxi to znamená rozsah od 3 do 100 PPM. V súčasnosti vyrábané keramické rezonátory majú veľmi podobnú stabilitu, ktorá začína niekde na úrovni okolo 10 PPM, pričom presnosť hodinkových rezonátorov nepresahuje väčšinou hodnotu 20 PPM.
Treba mať na pamäti, že presnosť a stabilita impulzov generovaných kremenným rezonátorom závisí do značnej miery od teploty. Rezonátory je preto dosť často možné nájsť uzavreté v puzdrách, v ktorých je teplota udržiavaná na konštantnej hodnote pomocou prídavného elektronického systému. Zaujímavosťou je, že frekvencia impulzov generovaných rezonátorom môže byť ovplyvnená aj jeho priestorovou orientáciou vo vzťahu k vektoru gravitácie, pretože gravitačná sila pôsobiaca rôznymi smermi môže do určitej miery zmeniť prirodzenú frekvenciu jeho kryštálu.
Samozrejme, okrem presnosti je v prípade kremenných rezonátorov rovnako dôležitá aj ich frekvencia. Táto hodnota sa môže pohybovať v rozsahu od niekoľkých desiatok kilohertzov [kHz] až do niekoľko desiatok megahertzov [MHz]. Najzaujímavejšími sú v tomto prípade hodinkové rezonátory, pretože prakticky v každom prípade budú mať frekvenciu rovnajúcu sa 32,768 kHz. Je to preto, že keď túto hodnotu vydelíme dvoma na pätnástu, dostaneme presne jeden impulz za sekundu, a teda časovú základňu analógových hodín.
Označenia kremenných rezonátorov
Ak sa na kremennom rezonátore nachádza nejaká značka, je to väčšinou jeho frekvencia. Bohužiaľ, ako väčšina zariadení, aj kremenné rezonátory môžu časom v dôsledku starnutia do určitej miery zmeniť svoje frekvenčné parametre.
Výber kremenných rezonátorov
Kremenné oscilátory, rovnako ako prakticky všetky iné elektronické súčiastky, môžeme nájsť v puzdrách určených na montáž THT, prípadne na povrchovú montáž SMD.
S ohľadom na mechanickú kompatibilitu treba pri výbere vhodného kremenného rezonátora brať do úvahy raster jeho kontaktov. Tento pojem určuje vzdialenosť medzi osami vývodov elektronických súčiastok, napr. v prípade integrovaných obvodov alebo svorkovníc. Štandardnými hodnotami rastra kontaktov v prípade kremenných rezonátorov sú najmä 0,7 mm, 1,1 mm, 2,54 mm, 4,88 mm a 5,1 mm.
Najpopulárnejšími puzdrami, v ktorých je možné kryštálové oscilátory nájsť, sú hlavne valcové puzdrá HC-49, HC-49-S, HC-49/U, TC26 a TC38 určené na montáž THT, ako aj HC- 49SM a HC-49SMD určené pre povrchovú montáž SMD.
Za pozornosť stojí aj množstvo ďalších parametrov, vrátane prevádzkovej teploty, ktorá sa môže pohybovať od cca. -55 °C až po 150 °C, výkonu, udávaného v prípade týchto súčiastok v miliwattoch [mW] alebo dokonca nanowattoch [nW], ale napr. aj kapacity, ktorej hodnota môže byť od približne 6 pF (picofarad) až po 30 F.
Sklad:
