Для начинающих. Кварцевые резонаторы.

Кварцевые резонаторы - это одна из основ современной электроники: они в передатчиках и приемниках, они в обвязке или внутри любого процессора. Если они вдруг исчезнут, то жизнь изменится кардинально. Почему же они так важны?

Немного теории: работа кварцевых резонаторов основано на пьезоэлектрическом эффекте. Есть такие вещества, пьезоэлектрики, к которым относятся, например, кварц, турмалин, некоторые виды керамики и т.д.. Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они обнаружили, что если кристаллы некоторых диэлектриков (сегнетовой соли, кварца и др.) подвергнуть механическому воздействию, сжатию, то на их поверхности появляются электрические заряды противоположных знаков. Это явление - возникновение электрического поля в результате изменения геометрических размеров (давление, изгиб) некоторых диэлектриков - было названо прямым пьезоэффектом.

Но раз существует прямой пьезоэффект, то значит, что существует обратный! Так оно и есть, и он был предсказан в 1881 году французским физиком Габриэлем Липпманом. Явление возникновение механических напряжений в кристалле под действием электрического поля - это и есть обратный пьезоэффект.

Рис. 1. Кристаллы природного кварца - горного хрусталя. (С сайта https://vsegda-pomnim.com/mineraly/38166-gornye-kristally-65-foto.html).

Кварц - это один из самых распространенных веществ на Земле. По химическому составу - это оксид кремния SiO2. Белый песок - это практически чистый кварц, а если в нем есть примеси железа, то песок будет привычный, желтоватый. Огромное удовольствие я получал рассматривая простой песок под микроскопом в поляризованном свете, когда изучал минералогию в МХТИ, да и кристаллы, как на рис. 1, я тоже видел.

Первый пьезорезонатор был выполнен из сегнетовой соли и запатентован в США в 1918 году, а уже в конце 30-х годов выпускалось около 100 000 кварцевых резонаторов в год. Именно широкое освоение американцами этого производства и позволило им строит во время войны высококачественные радиостанции, частота которых не требовала подстройки.

Рис. 2. Кварцевый резонатор США, 40-е.

В СССР еще в 20-х годах в Ленинграде при Минералогическом музее АН СССР А. В. Шубников организовал кварцевую лабораторию, в которой изучались особенности кварцевого сырья и технология его обработки. Эта лаборатория изготовляла кварцевые резонаторы и другие кварцевые препараты, в том числе и оптические.

К концу 30-х годов в Ленинграде, Москве, Горьком уже действовало несколько кварцевых цехов, в которых изготовлялось большое количество резонаторов. Но для резонаторов требовались чистые и крупные кристаллы кварца. Эта трудность была преодолена уже после войны.

Рис. 3. Кварцевые резонаторы СССР, конец 30-х. (С сайта https://ua1osm.forum2x2.ru/t29-topic).

В 1952 г. в ЦНИЛП в трехлитровых автоклавах были выращены первые кристаллы кварца на затравках АТ-среза. Их испытания подтвердили идентичность характеристик природного и искусственного кварца. Вскоре Министерством геологии был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт синтеза минерального сырья (ВНИИСИМС), основной задачей которого была разработка промышленных методов выращивания кристаллов кварца, в первую очередь пьезокварца.

В настоящее время все кварцевые резонаторы делаются из искусственного кварца. Но пока достаточно истории. Как же работает кварцевый резонатор и как он устроен?

В кварцевых резонаторах используются два физических эффекта: пьезоэлектрического и резонанса.

Рис. 4.

Если мы возьмем пластинку кварца, вырезанную определенным способом, нанесем на ее поверхность серебряные электроды и подадим на них переменный ток, то в пластине возникнут вынужденные колебания, но их амплитуда будет невелика. Наибольшей амплитуды эти колебания достигнут в том случае, если частота переменного тока совпадет с собственной частотой механических колебаний пластины, т.е. в момент их резонанса.

Кварцевый резонатор можно представить себе как сложный колебательный контур.

Рис. 5. Эквивалентная схема кварцевого резонатора.

А сложным этот контур является потому, что в нем можно выделить последовательный контур L1С1, который на своей резонансной частоте имеет минимальное сопротивление, и параллельный L1С1С0, который на своей частоте имеет максимальное сопротивление. Резонансные частоты этих контуров не одинаковы, но близки и не одинаковы. А можно ли это увидеть? Да, если есть такой приборчик от дядюшки Ху, как NanoVNA.

У меня он есть, а также и программа к нему NanoVNA Saver. Я взял кварц на частоту 6 МГц и включил его вот так:

Рис. 6.

И вот какую картину я увидел на экране компьютера:

Рис. 7.

Перед вами три графика: 1 - усиление, 2 - комплексное сопротивление параллельного контура, 3 - комплексное сопротивление последовательного контура. Соответственно, частота параллельного резонанса резонанса обозначается fp, а последовательного - fs. В данном случае fp = 6000,0 kHz, fs = 6005,0 kHz. Разница между ними (резонансный интервал) равен 5 кГц. Как правило, чем больше резонансная частота кварца, тем больше резонансный интервал, т.е. если для 6 МГц он 5 кГц, то для 40 МГц будет порядка 20 кГц.

А можно ли сдвинуть резонансы и изменить резонансный интервал. Давайте попробуем. Вначале последовательно с кварцем я включу конденсатор 47 пФ.

Рис. 8.

Красными и синими стрелками показаны частоты без конденсатора (рис. 8). Как видно, частота последовательного резонанса не изменилась, а вот частота параллельного увеличилась до 6000,6 кГц, т.е. сдвинулась вверх на 600 Гц.

А теперь вместо конденсатора подпаиваю последовательно с резонатором дроссель 50 мкГн.

Рис. 9.

И в этом случае частота последовательного резонанса не сдвинулась, а частота параллельного ушла вниз на 2,8 кГц, соответственно и резонансный интервал увеличился на столько же.

Теперь параллельно выводам резонатора подпаял конденсатор 10 пФ.

Рис. 10.

А вот теперь на месте остался параллельный резонанс, а последовательный сдвинулся вверх в результате чего резонансный интервал уменьшился с 5 кГц до 3,5 кГц.

Конечно, может измерения и не страдают излишней точностью :), но тенденции видны. Теперь можно взглянуть на часть моей коллекции.

Рис. 11.

Слева направо: резонаторы в карболитовом корпусе от р/с РСИУ, резонаторы в металлическом корпусе, резонаторы в стеклянном корпусе (купил когда-то набор : 100 кГц, 1 МГц и 10 МГц), резонаторы от дядюшки Ху.

А внутри вот что:

Рис. 12.

Форма кристалла - разная. У отечественных кварцев в металлических корпусах - диск. У старых, в карболитовых корпусах - прямоугольная. Есть у меня и кварцы с кристаллом виде вытянутого параллелепипеда.

Рис. 13.

Обратите внимание на форму выводов "карболитового" кварца - это "банан". А вот кварц от набора "Электроника Контур-80".

Рис. 14.

Судя по тому, что выпущен он был в ноябре 1983 года, а летом 84-го он уже работал в моем приемнике, наборы на прилавках не залеживались.

А отчего зависит частота кварца? От многих факторов: от размера, формы и массы пластины, формы и массы электродов, конструкции держателей. Изменяя эти факторы (один или несколько) можно в небольших пределах изменять частоту кварца. Особенно это удобно делать, меняя массу серебряных электродов. Можно, конечно, пилить пластину, но это совсем уж жесть.

Массу электродов изменяли разными способами. Самый, по-моему экзотический - это сделать малюсенькое отверстие в корпусе и через него с помощью шприца вводить пары иода. Иод оседает на электродах, увеличивает их массу и частота кварца понижается. Как точно это сделать - это сколько нужно терпения, чтобы ждать, когда иод полностью осядет. А потом, если уже готовый кварц немного нагреть, то иод, осевший на стенках начнет испаряться и может осесть на кристалл или вступить в реакцию с серебром.

Я таким терпением не обладал (да и сейчас его не намного больше стало), а поэтому просто вскрывал корпус, а затем: для понижения частоты потрите электроды мягким простым карандашом, а еще лучше - припоем, так как графит со временем осыпается; для повышения частоты потрите электроды чернильной резинкой или очень мелкой шкуркой. На рис. 11 видны следы шкурки, а на рис. 12 - карандаша.

Теперь о качестве резонаторов. Оно определяется их добротностью, а она чрезвычайно высокая - от 100 тысяч до 10 миллионов (сравните: для катушки высокой считается добротность 150), и наличием посторонних резонансов. Эти резонансы находятся всегда выше основного на несколько килогерц. Резонансы на частоте в 2, 3 и более раз выше основной не являются недостатком, а показывают, что данный резонатор может работать на гармониках. Вот, например, китайский кварц с надписью 48,000.

Рис. 15.

Оказывается, что если не принять специальных мер, то этот кварц начнет генерить на частоте основного резонанса 16 МГц. И уж точно из таких кварцев не сделаешь фильтр на 48 МГц. А вот кварц на 40 МГц оказался "правильный".

Рис. 16.

Я, честно, обрадовался, так как их у меня 50 шт и уж фильтр из них сделать можно. Но когда посмотрел получше, то возникли сомнения.

Рис. 17.

Хотя, паразитные резонансы расположены на большом удалении (около 74 кГц) и для узкополосного фильтра с полосой 3 - 5 кГц могут подойти, нужно пробовать.

Вот у меня есть 4-х кристальный фильтр из китайских кварцев вот с такой характеристикой:

Рис. 18.

Вот такой фильтр.

Рис. 19.

А вот его характеристика в полосе 300 кГц:

Рис. 20.

Никаких посторонних полос. А вот полоса пропускания при ближайшем рассмотрении:

Рис. 21.

Как видите, АЧХ очень не плоха для такого малышки. Кварцы - без отбора, конденсаторы - самые дешевые китайские.

У меня есть промышленный кварцевый фильтр, правда, на частоту 9 МГц.

Рис. 22.

И вот его АЧХ, снятая мной:

Рис. 23.

Так что, не боги горшки обжигают и фильтры собирают :) !

Всем здоровья и успехов!