Rezonator kwarcowy

Rezonator kwarcowy - podzespół elektroniczny, którego działanie opiera się na wykorzystaniu efektu piezoelektrycznego występującego w krysztale kwarcu. Wykorzystywany do stabilizacji częstotliwości drgań różnego typu generatorów elektronicznych. Częstotliwości robocze rezonatorów kwarcowych mieszczą się w przedziale od kilkudziesięciu kHz do kilkuset MHz. Drgania rezonatorów tego typu są tylko nieznacznie tłumione (utrata energii kwarcowego rezonatora jest niewielka) i wykazują dużą stałość częstotliwości.

Budowa i zasada działania

Wykorzystane zostaje tu zjawisko piezoelektryczne występujące w materiale kwarcowym (związek krzemu z tlenem - SiO2). W naturze kwarc tego rodzaju występuje w postaci kryształów. Aby wykonać rezonator należy pod odpowiednim kątem do osi kryształu wyciąć z niego płytkę. Sposób cięcia wpływa na własności rezonatora, zarówno elektryczne, jak fizyczne, np. wrażliwość na zmiany temperatury i stabilność, a co za tym idzie, dokładność generowanych drgań. Na obie strony płytki rezonatora nakłada się warstwę metalizowaną (srebro, nikiel, złoto lub platyna), do której mocuje wyprowadzenia (styki). Całość umieszczona zostaje w odpowiedniej, szczelnej obudowie.

Działanie rezonatora związane jest ze sprzężeniem pola elektrycznego z mechanicznym odkształceniem płytki kwarcowej. Pole elektryczne powstaje w wyniku doprowadzenia napięcia na wyprowadzenia podzespołu, a za sprzężenie odpowiada efekt piezoelektryczny. Przemienne napięcie wywołuje zjawisko rezonansów mechanicznych płytki przy określonych częstotliwościach - jeśli częstotliwość napięcia pokrywa się z częstotliwością rezonansową płytki kwarcowej, wówczas powstaje rezonans (amplituda oscylacji wzrasta). Istnieje teoretycznie dowolna liczba sposobów drgania płytek kwarcowych. Zależy ona od jej orientacji krystalograficznej (sposób cięcia), kształtu oraz rodzaju elektrod.

Częstotliwości drgań

Oprócz częstotliwości podstawowej rezonator może wykazywać drgania z częstotliwościami wyrażającymi jej wielokrotności, jak również z częstotliwościami pasożytniczymi. Na stabilność częstotliwości, jak i na możliwość generacji sygnałów o niepożądanych częstotliwościach wpływ ma szereg czynników, w tym różnice temperatur, naprężenia, zanieczyszczenia, wibracje, wstrząsy, wilgotność, przyciąganie ziemskie oraz upływ czasu.

Układ zastępczy oscylatora

Każdy oscylator można przedstawić jako elektryczny obwód rezonansowy składający się z rezystancji (reprezentującej straty mechaniczne), indukcyjności (drgająca masa płytki) oraz pojemności (mechaniczne siły sprężystości płytki kwarcu). Wartości parametrów układu zastępczego zależeć będą od sposobu cięcia płytki, jej wymiarów, rodzaju drgań harmonicznych, sposobu mocowania płytki. Rozpatrując wartości elementów układu zastępczego można np. określić przydatność oscylatora do budowy danego generatora kwarcowego.

Zastosowanie

Rezonatory kwarcowe znalazły szerokie zastosowanie w szeregu urządzeń wymagających stabilizacji częstotliwości drgań oscylatorów. Wykorzystuje się je przy budowie zegarków elektronicznych lub innych układów taktujących

, w tym generatora częstotliwość sygnału zegarowego komputera, a także urządzeń sterowanych zdalnie, które korzystają z fal radiowych, sprzętu komunikacyjnego, multimediów, elektroniki samochodowej, występują jako element filtrów wąskopasmowych, czujników stężeń substancji zawartych w gazach, czujników detekcji zmian masy, echosondy morskiej itp.