Кварцевые резонаторы нашли самое широкое применение в электронике. Их можно найти в 90% бытовой техники. Но мало кто из нас знает, что это за прибор, для чего нужен и где конкретно применяется. В данной статье я постараюсь устранить этот пробел, не затрагивая высоких материй.
Устройство и принцип работы
Кварцевый резонатор, на сленге электронщиков именуемый «кварц», представляет собой пластинку того или иного размера, вырезанную из монокристалла кварца. На пластинку методом напыления нанесены два электрода. Сам кристалл крепится в специальных подвижных держателях, которые одновременно являются выводами.
На фото цифрами обозначены:
- 1 – кварцевая пластина;
- 2 – токопроводящее напыление;
- 3 – держатель;
- 4 – вывод.
При подаче на резонатор напряжения за счет обратного пьезоэлектрического эффекта пластина изгибается или растягивается - все зависит от того, в какой плоскости кристалла кварца она была вырезана.
На самом деле видов деформации больше – сдвиг по толщине, контуру, камертонный сдвиг и т.п. Все зависит от угла среза кристалла относительно его кристаллографических осей.
При совпадении частоты подаваемого на выводы резонатора напряжения с резонансной частотой кристалла, амплитуда деформации последнего становится максимальной. При этом благодаря пьезоэлектрическому эффекту сам кристалл на электродах наводит дополнительную ЭДС. В таком режиме кристалл становится аналогом колебательного LC контура. Причем добротность этого контура очень высока – намного выше любой LC цепочки.
Стоит частоте немного «уйти», как кварц выйдет из резонанса и энергозатраты на поддержание его колебаний существенно увеличатся. Но пока уход частоты невелик, кварц находится в резонансе и заставляет генератор поддерживать эту частоту, требуя для поддержания колебаний минимум энергии.
Факт. Таким образом, кварцевый резонатор благодаря исключительно высокой добротности является высокоточным стабилизатором колебаний генератора, заставляя его работать на строго заданной частоте.
Какова резонансная частота кварцевого резонатора? Все будет зависеть от угла среза кристалла, геометрических размеров пластины, ее веса и применения тех или иных технологических приемов, которых множество. То есть этот параметр закладывается при производстве кварца и не может быть произвольно изменен. Сегодня промышленность выпускает кварцы на самые различные частоты – от десятков килогерц до десятков мегагерц.
Как видно из рисунка выше, современные кварцевые резонаторы независимо от частоты имеют достаточно скромные размеры. Но еще полсотни лет назад габариты приборов были весьма внушительными.
Где применяется
При современном уровне развития электроники проще сказать, где он не применяется. Стабильная частота сегодня нужна практически везде. Мы можем найти кварцевый резонатор в компьютере, телевизоре, включая пульт ДУ, стиральной машинке-автомате, маршрутирезаторе, раздающем нам Wi-Fi. Стоит «кварц» в наших смартфонах, планшетах и даже в электронных и электронно-механических наручных часах. Радисты используют кварц для стабилизации частоты генераторов своих передатчиков и приемников.
Как проверить
Кварц является диэлектриком, поэтому проверить резонатор при помощи обычного тестера невозможно. Исправен ли он, неисправен, раскололся кристалл, не раскололся – прибор всегда покажет обрыв. Чтобы проверить резонатор, придется собрать небольшую схему. Если в нашем распоряжении есть осциллограф, то один из вариантов тестера будет выглядеть так:
Схема представляет собой простейший генератор, частотозадающим элементом которого является проверяемый кварцевый резонатор Zx. К выходу генератора подключаем осциллограф, устанавливаем кварц, подаем питание. Транзистор КТ3107 имеет граничную частоту 250 МГц. Этого будет достаточно для проверки практически всех кварцев, используемых в бытовой технике и самоделках.
Если осциллографа нет, то для проверки резонаторов придется собрать более сложную схему со световой индикацией.
На транзисторе Т1 собран генератор, частотозадающим элементом которого является проверяемый кварцевый резонатор. Далее сигнал с генератора детектируется диодом D1 и поступает на транзистор Т1, который управляет светодиодом LED1.
Подключаем кварц. Если генератор запустился, то переменное напряжение пройдет через конденсатор и зажжет светодиод. Если генерации нет, транзистор Т1 останется закрытым и светодиод не загорится. Эта схема позволяет проверять кварцы с резонансной частотой до 32 МГц, что более, чем достаточно для электронщика-любителя.
Отечественный аналог высокочастотного диода 1N4148 - КД522Б. На месте Т1 и Т2 могут работать BC546, BC547, BC549, BC550, КТ373А, КТ3102. Светодиод любой индикаторный.
Ну вот мы и разобрались, что такое кварцевый резонатор. Заодно узнали, как работает этот прибор, для чего нужен и как его проверить.
