Rezonator kwarcowy - schemat, oznaczenia i zastosowanie

Rezonatory kwarcowe to elementy elektroniczne, które można zaliczyć do grona podzespołów pasywnych. Jednak odgrywają one znaczną rolę w dzisiejszej elektronice!

Co to jest rezonator kwarcowy?

Rezonator, według definicji z książki od fizyki, to obiekt, który jest w stanie drgać z określoną częstotliwością, a dokładniej - z częstotliwością rezonansu własnego. Przydomek “kwarcowy” wskazuje, że jest on wykonany z kwarcu, czyli minerału bazującego na krzemie. Na powierzchnię płytki kwarcowej, odpowiednio uciętej, są napylane metalowe okładki i dołączane wyprowadzenia.

Starsze rezonatory kwarcowe, pracujące na niskich częstotliwościach, mały szklaną obudowę i doskonale widoczny kryształ zawieszony na cienkich wspornikach. Dzisiejsze elementy są znacznie mniejsze, a ich obudowa jest już nieprzezroczysta, lecz idea pozostała niezmieniona.

Rezonator kwarcowy to element, którego zadaniem jest produkcja drgań elektrycznych z określoną częstotliwością. Jednak nie potrafi tego wykonać sam - potrzebuje odpowiedniego układu elektronicznego, który mu to umożliwi. Ale o tym dalej.

Symbol kwarcu

Na schematach ideowych ten element ma symbol podobny do kondensatora, lecz z dodatkowym prostokątem w środku. To bardzo trafnie zbudowane oznaczenie, bowiem metalowe okładki tworzą kondensator (niewielki, ale jednak). Pomiędzy nimi znajduje się dodatkowe wypełnienie w postaci kryształu kwarcu, który jest dielektrykiem - dlatego między okładkami znajdują się przerwy.

Schemat zastępczy

Taki element nie ma prostego schematu zastępczego, gdyż nie składa się z typowych dla elektroniki podzespołów. Jednak najczęściej spotykany układ ma taką postać:

Pojemność C0 występuje pomiędzy nóżkami kwarcu i wynika z pojemności, jaką ma kwarcowa płytka. Z kolei L1, C1 i R1 to elementy szeregowego obwodu rezonansowego, gdyż tak najprościej można zamodelować rezonansowe właściwości tego elementu. Zatem w stanie rezonansu kwarc przedstawia sobą rezystancję równą R1, zaś poza częstotliwością rezonansową ma impedancję większą od R1.

Powyższy schemat jest słuszny dla częstotliwości zbliżonej do rezonansowej. Nie zawiera np. indukcyjności doprowadzeń, które mogą odbywać rolę dla sygnałów o częstotliwości rzędu gigaherców. Jednak typowych kwarców nie używa się w ten sposób.

Zastosowania

Rezonatory kwarcowe są dobrymi wzorcami częstotliwości, czyli umożliwiają wytworzenie sygnału o ściśle ustalonej częstotliwości. Dzisiejsza elektronika wymaga takich wzorców do poprawnego działania, oto kilka przykładów

Zegary i zegarki

Elektroniczne zegary, nawet te najtańsze, zawierają niewielki rezonator kwarcowy. To dzięki niemu takie urządzenie do odmierzania czasu może popełniać niewielki błąd, rzędu kilku sekund na miesiąc. Zegary w samochodach, pralkach, mikrofalówkach i breloczkach również je mają.

Telefony komórkowe

Aby sieć GSM mogła działać poprawnie, każdy jej użytkownik musi nadawać swój sygnał w ściśle określonym przedziale częstotliwości. W przeciwnym razie, nie zostanie obsłużony poprawnie lub zakłóci rozmowę innym. Dlatego stabilizacja kwarcowa jest tutaj wręcz konieczna - zarówno w stacjach bazowych, jak i w telefonach.

Komputery

Również nasze komputery, nawet poczciwe staruszki, mają sygnał zegarowy stabilizowany kwarcem. Bez niego nie mogłyby zsynchronizować swoich działań z innymi modułami.

Niektóre podzespoły komputera mają swój własny rezonator kwarcowy. Zegar czasu rzeczywistego (wskazujący aktualną datę i godzinę) oraz karta dźwiękowa (generująca sygnały o ściśle określonych częstotliwościach) to tylko niektóre z nich.

Jak podłączyć rezonator kwarcowy?

Ten element, sam z siebie, nie umie zbyt wiele. Jednym ze sposobów uzyskania stabilnego sygnału jest użycie go jako element generatora, na przykład Pierce’a. To bardzo prosty, a jednocześnie często stosowany układ pracy rezonatora kwarcowego.

Kwarc nie ma polaryzacji, więc sposób jego podłączenia jest obojętny. Trzeba uważać przy zacinaniu jego nóżek, aby nie uległy złamaniu tuż przy przepuście przez metalową obudowę - to jedyne zastrzeżenie.

Parametry

Jak każdy element, tak również rezonatory kwarcowe mają swoje parametry, wykazywane w katalogach.

Częstotliwość drgań własnych

Podawana jest w megahercach [MHz] lub kilohercach [kHz]. Rezonatory 32768Hz (32,768kHz) są przeznaczone głównie do zegarków, ponieważ można z tej częstotliwości uzyskać 1Hz - wzorzec jednej sekundy.

Dokładność

Producenci podają ją w [ppm], czyli częściach na milion. Im mniejsza, tym bardziej faktyczna częstotliwość będzie zbliżona do deklarowanej. Jednak nie w każdym zastosowaniu potrzebujemy rewelacyjnej dokładności - na przykład, tworząc prostą pozytywkę na mikrokontrolerze albo moduł sterujący gotowym transceiverem radiowym.

Pojemność

Producenci podają ją w pikofaradach [pF] nie rozwijając, o co chodzi. To rekomendowana pojemność kondensatorów w układzie Pierce’a, które ułatwiają wzbudzenie drgań rezonatora i stabilizują jego pracę. Dobierając konkretne kondensatory, trzeba również mieć na uwadze pojemności już występujące w układzie, na przykład pojemności montażowe.

Jak go sprawdzić?

Aby sprawdzić, czy jest sprawny, należy wziąć omomierz i podłączyć do jego nóżek. Powinna między nimi być przerwa. Drugim etapem może być podłączenie do generatora, na przykład pokazanego wyżej i obserwacja oscyloskopem obecności drgań na wyjściu. Jeżeli będzie pokrywała się z tą, która jest na obudowie, można kwarc uznać za sprawny.

Gotowe generatory

W sprzedaży są dostępne również scalone generatory kwarcowe, które wymagają podłączenia wyłącznie zasilania. Na wyjściu mają dostępny sygnał o ustalonej częstotliwości, więc jakakolwiek dodatkowa elektronika jest im niepotrzebna.

Takie moduły mogą mieć wbudowane obwody kompensujące wpływ temperatury na częstotliwość drgań. Noszą oznaczenia skrótowe, np. TCXO, OCXO i nie tylko. Ich cena jest wyższa niż typowych generatorów kwarcowych, lecz stabilność stoi na zdecydowanie wyższym poziomie.

Podsumowanie

Rezonatory kwarcowe to bardzo użyteczne elementy elektroniczne. Wymagają nieco pomocy, aby mogły ruszyć, lecz ta mała wada nie przeszkodziła im znaleźć się w wielu urządzeniach elektronicznych.