Каталог огранизаций по электромонтажу и электролабораторий:
Москва
Санкт-Петербург

Кварцевый резонатор

Кварцевый резонатор – радиодеталь, использующая пьезоэлектрический эффект. Он характеризуется тем, что под механическим воздействием между противоположными сторонами диэлектрика возникает электрическое поле. Эффект может быть обратным. То есть электрический потенциал может вызывать деформацию тела диэлектрика. Идеальным материалом для резонатора служит минерал – кварц.

Набор резонаторов
Набор резонаторов

Что такое кварцевый резонатор

Многих людей интересует, что представляет собой кварцевый резонатор (КР), и для чего он нужен. Радиоэлемент является источником гармонических колебаний. Первые КР были применены в схемах радиостанций в 30-е годы прошлого века. Они заменили аналоги, работавшие на кристаллах сегнетовой соли. Приборы были успешно использованы в электронных часах и таймерах.

Разновидности

Кварцевые радиокомпоненты бывают различных видов, в зависимости от предъявляемых к ним требований. КР разделяют по следующим признакам.

Тип корпуса

  1. Объёмные радиокомпоненты.
  2. Плоские поверхностные модели.

Материал корпуса

  • Металл;
  • Стекло;
  • Полимер.

Форма прибора

  • Диск;
  • Цилиндр;
  • Прямоугольный параллелограмм.

Количество резонансных систем

  1. Одиночная.
  2. Двойная.

Защита корпуса

  • Герметичная;
  • Проницаемая;
  • Вакуумная.

Назначение

  1. Фильтрация.
  2. Генерация.

Свойства кварцевого резонатора

Во многих приборах резонансный радиокомпонент является незаменимым элементом. К положительным свойствам КР относятся:

  • Хорошая добротность превышает этот показатель аналогичных устройств. Добротность характеризует ширину резонанса, определяющую, во сколько раз запас энергии больше её потери за время изменения фазы на 1 радиан. Кварц достигает значений добротности в 104-106 раз больше, чем эквивалентный колебательный контур.
  • Невосприимчивость к перепадам температуры окружающей среды;
  • Каскадные фильтры на кварцевых радиодеталях позволяют обходиться без ручной настройки;
  • Большой срок службы;
  • Простота устройства прибора делает КР доступной деталью на радиорынке.

Принцип работы кварцевого резонатора

Работа устройства основана на пьезоэффекте минеральной пластинки. Её вырезают из массива минерала под определённым углом. Параметр уклона обеспечивает необходимые электрохимические характеристики радиокомпонента.

Пластинку покрывают с обеих сторон драгоценным металлом (в основном серебром). К покрытию минерала припаивают выводные электродные ножки. Конструкцию заключают в герметичный корпус прибора. Прибор представляет собой колебательный контур, который имеет собственную резонансную частоту.

Устройство резонатора
Устройство резонатора

Важно! Переменное напряжение, сообщаемое электродам, заставляет кристалл деформироваться (изгибаться, сжиматься или сдвигаться). Одновременно с этим на его поверхности появляется ЭДС. Когда частота тока совпадает с частотой колебаний кварца, возникает эффект резонанса. В результате увеличивается амплитуда колебаний элемента, и сильно падает величина сопротивления радиодетали.

Обозначение кварцевого резонатора на электросхеме

Схематичное изображение КР похоже на обозначение конденсатора, только между вертикальными линиями помещают прямоугольник. Эта фигура символизирует кварцевую пластинку. Обозначать прибор принято буквами «QX».

Обозначение на схеме кварцевого резонатора
Обозначение на схеме кварцевого резонатора

Маркировка рабочей частоты нанесена на корпусе резонатора. Например, 12000 означает, что прибор работает в диапазоне 12 тыс. МГц.

Эквивалентная электрическая схема

Основным элементом КР является кристалл кварца, который воспроизводит электромеханические колебания. Электронный элемент можно заменить эквивалентной электрической схемой – колебательным контуром с аналогичными параметрами.

Сопротивление эквивалента равно сопротивлению пьезоэлектрического прибора с близкими к резонансу частотами. Последовательно соединённые в одну схему динамические элементы (катушка индуктивности Lk, ёмкость Cx, сопротивление Rk) выстроены совместно с параллельно соединёнными ёмкостями кварца Co и его держателя C1. Эквивалентная электрическая схема имеет численное значение механических колебаний, соответствующее этому параметру у КР.

Эквивалентная схема и график зависимости сопротивления эквивалента от частоты кварцевого резонатора
Эквивалентная схема и график зависимости сопротивления эквивалента от частоты кварцевого резонатора

Как проверить кварцевый резонатор

Резонатор – довольно хрупкий прибор. При резком динамическом воздействии на корпус радиоэлектронного устройства КР может выйти из строя. Это скажется на работе всего аппарата. В этой ситуации мастер должен проверить работу кварцевого резонатора. Делают проверку с помощью тестера, схема которого состоит из транзистора КТ3102, пяти конденсаторов и двух резисторов. Собрать такой тестер даже для рядового радиолюбителя не составит особых трудностей. Как это сделать, видно на рисунке.

Сборка тестера
Сборка тестера

Выводы резонатора подключают между отрицательным выходом и базой транзистора через защитный конденсатор. По частотомеру определяют величину резонанса. Дополнительно соединяют его вход и выход через конденсатор (частомер). Всю схему запитывают постоянным током напряжением 9 вольт. Если прибор исправен, то на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение. При этом частоты тока и прибора совпадают.

Резонатор считают неисправным, если частомер не выдаёт никаких показаний, либо показания отличаются от номинальной характеристики. Повреждённую деталь заменяют новым прибором.

При настройке контуров присутствие ёмкости С1 в тестере обязательно. При проверке КР в схеме контроллера можно обойтись без этой детали.

Обратите внимание! Указанный тестер работает в диапазоне частот 15-20 МГц. Для других частотных интервалов собирают устройства на микросхемах.

Применение

С развитием радиоэлектроники КР нашли своё применение в таких приборах, как:

  • кварцевые часы работают на основе эффекта кварцевого резонанса, что позволяет им функционировать с максимальной точностью;
  • различные измерительные устройства, оснащённые кварцевыми резонаторами, являются высокоточными приборами;
  • морские эхолоты, благодаря кварцевым резонаторам, определяют местонахождение различных объектов на большой глубине под водой (рельеф дна, отмели и разные крупные и мелкие предметы);
  • опорные генераторы;
  • радиостанции;
  • полосовые фильтры радиоприёмников.

Преимущества

Кварцевые резонаторы обладают непревзойдённой точностью метрологических параметров. Высокая эффективность работы вызвала повсеместную замену аналоговых приборов на кварцевые устройства.

Дополнительная информация. Появление нового материала такого, как графен, может в будущем совершенно изменить конструкцию резонатора.

Недостатки

К недостаткам прибора можно отнести тонкость кварцевой пластины, что создаёт риск её повреждения.

Возможные причины выхода из строя

Слабой стороной КР считается непереносимость перегрева. В случае нагрева платы резонатор теряет свои качества и может разрушиться. Учитывая хрупкое крепление кристалла, резонатор нужно уберегать от случайных ударов. В результате резкого толчка кварцевая пластинка может потерять устойчивость и выпасть из рамки.

Область применения кварцевых резонаторов постоянно расширяется. Возможность изготовления радиокомпонентов миниатюрных размеров позволяет использовать их в устройствах небольших габаритов. Широкий ассортимент КР, представленный на радиорынке, даёт возможность подобрать нужную модель устройства по доступной цене.

Видео