Kwartsresonatoren: doel, toepassing, werkingsprincipe, gebruikskenmerken

Waar zijn kwartsresonatoren voor?

Moderne digitale elektronica, compleet met microprocessors en microcontrollers, is simpelweg ondenkbaar zonder kloktrillingen. En waar de oscillaties van de klok worden verkregen, is er de werking van de generator en het oscillerende systeem, en waar het oscillerende systeem is, zullen zowel het resonantieverschijnsel als zo'n belangrijke parameter als de kwaliteitsfactor noodzakelijkerwijs verschijnen. Hier maken we kennis met kwartsresonatoren (oscillatoren).

De kwartsresonator (kwarts) is een generator van elektromagnetische oscillaties met een hoge frequentieconstantie, die gebruik maakt van de piëzo-elektrische en mechanische eigenschappen van de kwartsplaat.

Volgens het werkingsprincipe is een kwartsresonator een oscillator met kwartsfrequentiestabilisatie. Dergelijke generatoren worden gebruikt als zeer stabiele mastergenerator in meetapparatuur, frequentie- en tijdstandaarden, kwartsklokken, maar ook in diverse elektronische apparatuur.

Het nadeel van kwartsresonatoren is dat het alleen kan genereren op vaste frequenties die worden bepaald door de resonantiefrequentie van het kwarts, en dat frequentieafstemming praktisch niet mogelijk is.

Alle kwartsresonatorcircuits zijn verdeeld in twee grote groepen, afhankelijk van welke kwartsresonantie (parallel of serie) erin wordt gebruikt. De meest voorkomende zijn kwartsresonatorcircuits, waarin het kwarts dicht bij zijn parallelle resonantiefrequentie werkt.

Een kwartsresonator in een elektronisch circuit is dus een onverslaanbaar alternatief voor welke dan ook oscillerende schakelingbestaande uit een condensator en een inductor. De output is de hoogste Q-factor van kwartsresonatoren. Terwijl een goed LC-circuit een Q-factor van 300 bereikt, kan de Q-factor van een kwartsresonator oplopen tot 10.000.000.Zoals u kunt zien, is de superioriteit tienduizenden keren. Geen enkele oscillerende schakeling kan qua Q-factor dus worden vergeleken met een kwartsresonator.

Onnodig te zeggen over het effect van temperatuur op de resonantiefrequentie. De resonantiefrequentie van hetzelfde oscillerende circuit hangt sterk af van de TKE (temperatuurcoëfficiënt van capaciteit) van de condensator die erin gaat. Kwarts daarentegen heeft een zeer hoge temperatuurstabiliteit, daarom houden kwartsresonatoren stevig hun posities als trillingsbronnen voor klokfrequentiegeneratoren voor verschillende doeleinden.

Hoe een kwartsresonator werkt

Om te begrijpen hoe een kwartsresonator werkt en werkt, volstaat het om te onthouden wat het is piëzo-elektrisch effect… Stel je een stuk kwarts op lage temperatuur (siliciumdioxide) voor dat op een bepaalde manier uit een kristal is gesneden.De hoek waaronder een wafel uit het kristal wordt gesneden, bepaalt de elektromechanische eigenschappen van de geproduceerde resonator. Aan deze plaat worden nu aan beide zijden elektroden bevestigd door lagen nikkel, platina, goud of zilver af te zetten en er worden massieve draden aan vastgemaakt. De hele structuur is geplaatst in een kleine afgesloten behuizing.

Zo werd een elektromechanisch oscillerend systeem verkregen, dat (vanwege de natuurlijke eigenschappen van kwarts bij lage temperatuur) een piëzo-elektrisch effect heeft en zijn eigen resonantiefrequentie heeft.

Als nu een wisselspanning op de elektroden wordt aangelegd, waarvan de frequentie dicht bij de resonantiefrequentie van het resulterende oscillerende systeem ligt, dan begint de plaat mechanisch samen te trekken en uit te zetten met maximale amplitude, en vanwege het piëzo-elektrische effect, hoe dichter de frequentie van de aangelegde spanning is resonantie, hoe lager de weerstand van de resonator zal zijn. Dit is de analogie van een kwartsresonator met een hoogfrequent oscillatorcircuit. Het resultaat is in wezen analoog aan een serie LC-circuit.

Kenmerken van een kwartsresonator

Een kwartsresonator kan worden weergegeven in de vorm van een equivalent circuit, waarin C0 de elektrische montagecapaciteit is die wordt gevormd door de metalen kabelhouders en elektroden. C1, L en R zijn de capaciteit, inductantie en actieve weerstand van de plaat direct met elektroden, als een analoog van een echt oscillerend circuit verkregen door de elektromechanische eigenschappen van de plaat.

Als we de montagecapaciteit C0 uitsluiten van de schakeling, dan krijgen we expliciet een serie-oscillerende schakeling.Wat betreft de aanduiding van de resonator in het diagram, het ziet eruit als een condensator met een rechthoek die een kwartskristal symboliseert tussen de platen.

Tijdens het monteren en demonteren van kwartsresonatoren op platen door solderen, moet eraan worden herinnerd dat oververhitting van kwarts boven 573 ° C gepaard gaat met verlies van de piëzo-elektrische eigenschappen van het kristal.