Кварцевые резонаторы – принцип работы и сфера применения

Кварцевые резонаторы являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры и предназначены для использования в аналогово-цифровых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты или полосы частот. Принцип работы этого элемента следующий — в широкой полосе частот сопротивление прибора имеет емкостной характер и только на некоторых (рабочих) частотах имеет резко выраженный резонанс (уменьшение сопротивления).

Кварцевый резонатор имеет лучшие характеристики, чем другие приборы для стабилизации частоты (колебательные контуры, пьезокерамические резонаторы): такие как стабильность по частоте (уход частоты) и температуре (изменение частоты резонанса в зависимости от температуры окружающей среды).

Избирательный, ярко выраженный резонансный характер сопротивления этих компонентов определяет основные области применения кварцевых резонаторов — высокостабильные генераторы тактовых сигналов и опорных частот, цепи частотной селекции, синтезаторы частоты и т.д

Импортные кварцевые резонаторы

• HC-49/U — ближайший отечественный аналог — корпус МД
• HC-49/US — отличие от HC-49/U — меньшая высота
• Кварцевые резонаторы для схем отсчета времени на частоту 32,768 кГц

Компоненты сертифицированы в соответсвии с международным стандартом ISO 9002

Отличительные черты:

• Низкая стоимость
• Промышленный стандарт
• Широкий частотный диапазон
• Низкое изменение рабочей частоты с течением времени
• Резонаторы AT

Внешний вид корпусов типа HC-49 Основные технические характеристики:

Технические параметры кварцевых резонаторов:

• Тип резонатора АТ — специальный угол среза пластины кристалла кварца, при котором готовый резонатор обладает превосходной стабильностью частоты по температуре окружающей среды.
• Последовательное эквивалентное сопротивление — импеданс резонатора, находящегося в последовательном резонансе.
• Стабильность частоты — отклонение частоты от номинальной. Обычно выражается в миллионных долях от номинальной частоты резонатора — Nx10 -6 . Соответствующая иностранная маркировка — ppm (part per million — часть на миллион).
• Температурная стабильность частоты — изменение частоты при изменении температуры резонатора.
• Сопротивление изоляции — сопротивление между выводами резонатора (обычные значения порядка МОм)
• Нагрузочная емкость — любая внешняя емкость, включенная последовательно с резонатором, становится элементом, изменяющим частоту резонанса. Варьируя нагрузочную емкость, можно, в некоторых пределах, изменять резонансную частоту. Некоторые изготовители иногда заранее рекомендуют использовать стандартные значения нагрузочной емкости для точной настройки резонансной частоты.
• Диапазон рабочих температур — диапазон температур, в котором резонатор будет работать с отклонением частоты, не превышающим указанного для данного типа.
• Гармоники — у резонаторов с типом среза АТ, которые сами по себе являются резонаторами толщинно — сдвиговых колебаний, в добавление к основной частоте резонанса возможно также проявление колебаний нечетных гармоник (3xFосн,5xFосн,7xFосн).
• «Старение» — медленные изменения параметров резонатора по истечении некоторого периода времени.

Номиналы стандартной сетки частот для импортных резонаторов, предлагаемые ЗАО «Промэлектроника»

Наиболее распространённые типы герметизированных кварцевых резонаторов в металлическом корпусе выпускались в СССР по ГОСТ 6503-67 «Резонаторы кварцевые герметизированные на частоты колебаний от 0,75 до 100 МГц».

Согласно этому стандарту резонаторы рассматриваемого класса должны выпускаться миниатюрные (на диапазон от 5 до 100 МГц) и малогабаритные (на весь диапазон частот).

Они могут выполняться с жесткими выводами для вставления в панель (см. к примеру, РКМ-3), с мягкими выводами для непосредственной припайки в схеме и с жесткими лужеными выводами для подпайки к ним монтажных проводов.

Свойства кварцевого резонатора

Кристаллический элемент пьезоэлектрического резонатора входит в состояние резонанса, и действующие внутри него механические напряжения претерпевают наиболее резкие изменения по величине и фазе при сравнительно небольших вариациях частоты колебаний; полное электрическое сопротивление системы изменяется при этом аналогичным образом. При использовании этого явления пьезоэлектрический кристалл помещают в высокочастотное электрическое поле, например между двумя металлическими электродами, закрепляя его определенным способом (механически) так, чтобы расположение всех элементов устройства оставалось неизменным в процессе работы.

Разнообразные кварцевые резонаторы.

Механическая система, в которой закрепляется кварцевый элемент и которая несет элементы конструкции, необходимые для возбуждения кварца, носит название кристаллодержателя. Если на электроды, между которыми помещен кварцевый элемент, подается переменное электрическое напряжение, то механические напряжения и деформации в кристалле также будут переменными, и при частоте переменного электрического напряжения, равной частоте собственных механических колебаний кварца, возникает механический резонанс. При этом на гранях кварцевого элемента, а следовательно, и на электродах кристаллодержателя появляются переменные заряды, величина и фаза которых определяются комплексной амплитудой механических напряжений в кристалле. Полная таблица частот кварцевых резонаторов представлена в таблице ниже (кликабельна для увеличения).

Таблица частот кварцевых резонаторов.

Взаимодействие этих зарядов с зарядами, создаваемыми приложенным извне переменным электрическим полем, изменяет соотношение между напряжением на электродах кристаллодержателя с кварцем и током через него, причем электрическое сопротивление системы переменному току изменяется с частотой последнего.

Наличие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта позволяет рассматривать резонанс кварца или как явление механических колебаний упругого твердого тела, воздействующих вследствие пьезоэффекта на электрическое поле, или как явление электрических колебаний некоторой электрической цепи, эквивалентной кварцевому резонатору. Оба способа рассмотрения приводят к одинаковому результату: параметры электрической эквивалентной схемы могут быть выражены через физические константы кристалла и через электрическую связь между кварцевым элементом и держателем.

Обычно кварцевый резонатор, представляющий собой пьезоэлектрический кристалл, закрепленный в держателе, является частью некоторой внешней электрической цепи, выполняющей определенные функции в том или ином радиотехническом устройстве, предназначенном для решения конкретной технической задачи. Естественно, что только второй способ рассмотрения кварцевого резонатора может удовлетворить практическим требованиям, поэтому знание эквивалентной электрической цепи, заменяющей элемент и кристаллодержатель, ее формы и параметров является весьма важной для практики задачей. Если эквивалентная электрическая схема по своей форме, параметрам и пределам применения определена так, что она вполне строго (при указанных ограничениях) отражает явления, происходящие в колеблющемся пьезокварце, то это позволяет рассматривать теоретические вопросы кварцевого резонатора как элемента внешней электрической цепи изолированно от самого кристалла и решать технические задачи, в которых используется пьезокварц, обычными методами, применимыми к линейным электрическим цепям.

Материал в тему: все о переменном конденсаторе.

В зависимости от назначения кварцевый резонатор выполняется различными способами. При использовании в качестве резонансного колебательного контура в генераторе он должен быть рассчитан на определенную мощность рассеяния. При использовании в фильтрах и для контроля частоты радиопередающих устройств существенное значение имеет не мощность рассеяния, а минимальное затухание, малая связь с внешней цепью и т. п. Поэтому размеры кварцевых элементов, их форма, номер гармоники, а также конструкция кристаллодержателя в указанных случаях различны.

Будет интересно➡ Обозначение дросселей на схеме

Для разных типов кварцевых резонаторов параметры эквивалентной электрической схемы изменяются по величине, хотя форма эквивалентной схемы остается неизменной. Наиболее просто эквивалентная схема выглядит в случае кварцевых элементов, на поверхность которых вакуумным распылением непосредственно нанесены пленки из металлов — электроды; несколько сложнее — в случае кварцевых элементов, помещаемых между электродами с зазорами, или же в случае кварцевого фильтра, имеющего по два входных и два выходных электрода.

Размеры кварцевого резонатора.

С точки зрения внешних электрических цепей, пользуясь динамическими аналогиями, кварцевый резонатор можно заменить эквивалентным электрическим колебательным контуром. При математических расчетах рассмотрение эквивалентного электрического контура (вместо находящегося в колебательном состоянии кварцевого резонатора) позволяет отвлечься от кварцевого резонатора как электромеханической колебательной системы и рассматривать его как элемент электрической цепи .

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора состоит из активного сопротивления R1, емкости С1, и индуктивности L1, включенных последовательно и зашунтированных параллельной емкостью С0. Параметры R1, С1, L1 являются основными и носят название динамических параметров пьезоэлектрического резонатора, параметр C0 — статическая емкость. Если кварцевый элемент возбуждается в кристаллодержателе с зазорами, то к его эквивалентной электрической схеме добавляется параметр С3 — емкость зазора кристаллодержателя.

Эквивалентная схема резонатора — это схема замещения электромеханической колебательной системы с одной степенью свободы эквивалентным электрическим колебательным контуром

.

Выбор варистора

Чтобы эффективно и гарантированно защитить вашу технику, к выбору варистора необходимо подойти с умом. Как правило, для защиты бытовой техники используют варисторы с пороговым значением напряжения от 275 до 430 В. Особо углубляться в подбор варисторов с учетом других значений (емкость и т.п) мы вдаваться не будем. Тут есть множество нюансов, которые в формате этой статьи просто не удастся рассмотреть. Для более точного подбора варистора можем посоветовать использование справочников по варисторам. В них указаны все характеристики, которыми обладает тот или иной варистор. Что позволит вам выбрать наиболее подходящий для ваших целей и задач.

Еще одним важным параметром при выборе варистора является скорость срабатывания. Как правило, у большинства варисторов она составляет около 25 нс. Но не всегда этого хватает.

Тогда вам подойдут варисторы с меньшим временем срабатывания. Недостижимым идеалом по скорости срабатывания являются варисторы, изготовленные по технологии многослойной структуры SIOV-CN. Их скорость срабатывания может составлять менее 1 не.

Такие варисторы необходимы для защиты от статического электричества. В бытовой технике, такие варисторы практически не применяются.

Слышали, наверно, про случаи, когда сразу у множества людей сгорала электроника? Это происходит как раз из-за того, что по проводам идет только фаза. Варистор предохраняет и от этого.

Параметры кварцевых резонаторов

Номинальная частота – частота Fн, указанная на маркировке или в документации на кварцевый резонатор (измеряется в МГц или кГц). Базовая частота – реальная частота резонатора Fо, измеренная в заданных условиях эксплуатации. Как правило, определяются только климатические условия, а именно базовая температура окружающей среды То, (равная 25± 2°С для резонаторов со срезом типа АТ). Рабочая частота – реальная частота резонатора F, измеренная в реальных условиях эксплуатации (климатических, механических и электрических). Обычно определен только допустимый диапазон изменения рабочей температуры.

Будет интересно➡ Варисторы – что это такое, принцип действия, характеристики и параметры.

Точность настройки частоты – максимально допустимое относительное отклонение базовой частоты резонатора от номинальной частоты. Измеряется в миллионных долях от номинальной частоты, обозначаемых как ppm (part per m illion) или 1•10 -6. В отдельных редких случаях значение этого параметра приводится в процентах. Как правило, значение точности настройки частоты кварцевого резонатора выбираются из стандартного ряда.

Параметры кварцевых резонаторов.

Температурная нестабильность частоты

Относительное отклонение рабочей частоты резонатора от базовой частоты. Может быть представлено в виде зависимости от рабочей температуры T, в соответствии с формулой для кварцевых пластин с типом среза АТ и формулой (4) для кварцевых пластин остальных типов. Долговременная нестабильность частоты (старение) – систематическое изменение базовой частоты с течением времени из-за внутренних изменений в кварцевом резонаторе. Параметр старения задается как относительное изменение базовой частоты за заданный промежуток времени. Это значение выражается в частях миллиона за год (например, 3 ppm / year ). Уход частоты под влиянием старения в максимальной степени сказывается в течение первых 30 – 60 дней эксплуатации, после чего влияние этого фактора уменьшается. Стандартный ряд относительных отклонений частоты для резонаторов общего назначения включает следующие классы точности: ±5, ±10, ±15, ±20, ±30, ±50, ±75 и ±100 ppm.

Материал в тему: устройство подстроечного резистора.

Режим работы резонатора (номер гармоники)

Режим работы резонатора – неизменяемый параметр, определяющий частоту колебания. Для кристаллов кварца может использоваться не только основная частота, но и ее нечетные гармоники – обертоны. Например, кристалл может работать на основной частоте 10 МГц, или в нечетных гармониках приблизительно 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон) и 70 МГц (седьмой обертон).

Изучаем простую схему

Ладно, ближе к делу. Давайте рассмотрим простую электрическую схему блока питания, которая раньше мелькала в любом советском бумажном издании:

Если вы не первый день держите паяльник в руках, то для вас с первого взгляда сразу все станет понятно. Но среди моих читателей есть и те, кто впервые сталкивается с подобными чертежами. Поэтому, эта статья в основном именно для них.

Ну что же, давайте ее анализировать.

В основном, все схемы читаются слева-направо, точно также, как вы читаете книгу. Всякую разную схему можно представить в виде отдельного блока, на который мы что-то подаем и с которого мы что-то снимаем. Здесь у нас схема блока питания, на который мы подаем 220 Вольт из розетки вашего дома, а выходит уже с нашего блока постоянное напряжение. То есть вы должны понимать, какую основную функцию выполняет ваша схема. Это можно прочесть в описании к ней.

Параметры температуры

Базовая температура – Температура окружающей среды То, для большинства резонаторов равная 25± 2°С, при которой выполняются измерения определенных параметров кварцевого резонатора (в частности, значения базовой частоты). Диапазон рабочих температур – Диапазон температур, для которого производитель гарантирует, что максимальное отклонение рабочей частоты от номинального значений не выходит за пределы заданного допуска. Диапазон температур, в котором резонатор сохраняет работоспособность, но отклонение частоты от номинала может выходить за пределы, гарантируемые производителем.

Диапазон температур хранения – Диапазон температур, в котором кварцевый резонатор может находиться в режиме хранения (то есть, в состоянии отсутствия колебаний). После окончания хранения резонатора и обеспечения температуры в пределах рабочего диапазона (в течение некоторого отрезка времени), резонатор может использоваться в режиме колебаний, причем при этом будут гарантироваться все указанные производителем параметры.

Проверка резонатора.

О деталях устройства

Часть платы собрана на выводных деталях, а часть на SMD. Плата разработана под ЖКИ индикатор «Винстар» однострочный WH1601A (это тот у которого контакты слева вверху), контакты 15 и 16, служащие для подсветки, не разведены, но кому надо может для себя добавить дорожки и детали. Я не развёл подсветку так как применил индикатор без подсветки от какого-то телефона на таком-же контроллере, но сначала стоял винстаровский. Кроме WH1601A можно применить WH1602B – двухстрочный, но вторая строка задействована не будет. Вместо транзистора, что на схеме можно применить любой такой же проводимости желательно с бОльшим h21. На плате разведены два входа питания, один от мини USB, другой через мост и 7805. Также предусмотрено место под стабилизатор в другом корпусе.

Электрические параметры

Эквивалентная схема кварцевого резонатора – представляет собой электрическое описание кварцевого резонатора, работающего на резонансной частоте. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рисунке 1. С0 – шунтирующая емкость. R1, L1 и С1 – соответственно динамическое сопротивление, динамическая индуктивность и динамическая емкость. Динамические параметры представляют собой соответствующие эквиваленты резонатора как электромеханической системы и определяются, в основном, характеристиками среза кварцевого элемента.

Будет интересно➡ Что такое катушка индуктивности и почему ее иногда называют дроссель

Шунтирующая емкость C0 – Емкость между выводами кристалла. Измеряется в пикофарадах. Шунтирующая емкость складывается из паразитной емкости кварца, емкости области электродов кристалла и емкости, вносимой кристаллодержателем. Шунтирующая емкость имеет значение порядка единиц пФ. Динамическое сопротивление R1 – Параметр, характеризующий энергетические потери в колебательном контуре. Динамическое сопротивление R1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты резонанса, номера гармоники и ряда конструктивных факторов.

Набор кварцевых резонаторов.

Маркировка варистора

Если же ваш варистор вышел из строя, то для его замены нам здорово поможет знание маркировки варистора. Сама маркировка располагается на корпусе и представляет собой набор латинских букв и цифр. Несмотря на разных производителей, в большинстве своем, маркировка на варисторах не сильно отличается и её вполне возможно прочитать.

В качестве примера, приведем 2 разных варистора от разных производителей:

• CNR -12D182K
• ZNR V12182U.

Первая цифра 12 – обозначает диаметр варистора в миллиметрах. Вторая цифра – 182К напряжение открытия. 18 – напряжение, 2- коэффициент. CNR же – обозначение материала варистора. В данном конкретном примере, варистор изготовлен из оксидов металлов.

K – используется для обозначения класса точности. То есть, если написано на корпусе варистора – 275К, то К – точность 10%, а 275 – напряжение открытия. И напряжение открытия рассчитывается так – 275 +- 27,5. То есть, например, наш варистор 20D471K можно заменить варистором TVR20471. Или любым другим аналогом варистора. Например – SAS471D20. Нужно лишь знать основные принципы маркировки.

Правда, с отечественными варисторами так не получится. Придется воспользоваться справочными материалами. Наши варисторы обозначаются так – СН2-1, ВР-1 и СН2-2. Например: CН-2 – оксидо цинковые варисторы. Но узнать это можно только из справочных материалов.

Несмотря на вышеописанные принципы маркировки, настоятельно рекомендуем пользоваться справочной литературой при выборе варистора. В ней указываются все необходимые характеристики варистора, в том числе и те, которые не узнать по маркировке.

Что делать, если у вашего варистора стерта маркировка?

Узнать, на какое напряжение рассчитан ваш варистор вам поможет мегомметр. Чтобы проверить варистор, надо подключить его к мегомметру и прогонять его по пределам. То есть, если варистор на 470В, то проверять его стоит на 500В.

Есть способ, с использованием блока питания. Правда, для этого нужен блок питания, с регулируемым напряжением и максимальной силой тока. Силу тока нужна выставить такую, чтобы варистор не сгорел. А как мы писали выше, они имеют тенденцию взрываться.

Варистор со стёртой маркировкой

Соответственно, перед подключением его следует визуально осмотреть. Если на корпусе варистора имеются трещины, вздутия, визуально видно, что он плавился – то такой варистор точно не рабочий. Но зачастую – это трещины. Материал варисторов склонен к старению, об этом всегда следует помнить. Варисторы, с такими повреждениями, можно не проверять. Они не рабочие.

Подробнее о варисторах в видео:

Емкость нагрузки СL

Измеренное или вычисленное значение емкости, включенной параллельно с кварцевым резонатором. Резонансная частота кварца, включенного в реальную электрическую цепь, будет изменяться в некоторых пределах при разных значениях емкости нагрузки. Для упрощения взаимодействия заказчиков и производителей резонаторов практикуется настройка резонаторов при определенном значении нагрузочной емкости. В этом случае измеренная частота должна соответствовать номинальной с учетом указанной точности настройки.

Как правило, для согласования емкости нагрузки используют конденсаторы Cg , подключаемые между выводами кварцевого резонатора и общим проводом (рисунок 2). Расчет номинала емкости конденсаторов Cg осуществляется по формуле (6), где CL – емкость нагрузки, указанная в технической документации, а CS – значение паразитной емкости (примерно 5 пФ).

Например, для емкости нагрузки равной 16 пФ имеем:

Cg = 2·(16-5) = 22 пФ

Обычно определяется как мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором. Минимальное значение этого параметра определяется количеством энергии, необходимой для нормального запуска резонатора и обеспечения устойчивых колебаний. Однако повышенное значение этого параметра может вызвать ухудшение параметров старения и механические повреждения кристалла.

Современный и устаревший резонаторы.

Корпуса кварцев в SMD исполнение

Пьезоэлектрики

На самом деле, кварц – это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц тоже состоит из кремния но в связке с кислородом. Его химическая формула SiO2.

Выглядит минерал кварц примерно вот так.

минерал кварц

Ну прямо как сокровище какое-то! Но ценность этого сокровища спрятана не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике для генерации высокостабильных колебаний электрического сигнала.

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы. Деформация – это изменение формы какого-либо тела с помощью кручения, удара, растяжения и так далее. Так вот, ударяя по таким кристаллам, они обнаружили, что те могут выдавать какое-либо кратковременное напряжение.

пьезоэффект

Но они также обнаружили еще и обратный эффект. При подаче напряжения на такие кристаллы, эти кристаллы деформировались сами. Невооруженным глазом это было практически не заметно. Такой эффект назвали пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.

Следует заметить, что ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, что можно прижать такой кристалл какой-нибудь увесистой болванкой и всю жизнь получать из него энергию? Как бы не так! Кстати, радиоэлемент пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам, и из него можно получить ЭДС. Ниже можно рассмотреть этот случай на видео. Светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю, зажигается при ударе самого пьезоизлучателя.

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия. Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.