Кварцевый резонатор — Описание, принцип работы, схемы

Кварцевый резонатор — это радиоэлемент, который используется в радиотехнических цепях для генерации электрических колебаний. В этой статье мы подробно рассмотрим и развенчаем некоторые мифы, связанные с кварцевым резонатором, а также рассмотрим схемы на его основе.

Содержание статьи

• 1 Пьезоэлектрики
• 2 Кварцевый резонатор
  • 2.1 Что представляет из себя кварцевый резонатор
  • 2.2 Обертоны кварцевого резонатора
  • 2.3 Последовательный и параллельный резонанс кварца
  • 2.4 Часовой кварцевый резонатор
• 3 Кварцевый генератор
  • 3.1  Схема Пирса
  • 3.2 Схема Пирса для прямоугольного сигнала
  • 3.3 Схема Колпитца
  • 3.4 Готовые модули кварцевых генераторов
  • 3.5 Плюсы кварцевых генераторов

Пьезоэлектрики

На самом деле, кварц  — это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц тоже состоит из кремния но в связке с кислородом. Его химическая формула SiO2.

Выглядит минерал кварц примерно вот так.

минерал кварц

Ну прямо как сокровище какое-то! Но ценность этого сокровища спрятана не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике для генерации высокостабильных колебаний электрического сигнала.

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы. Деформация — это изменение формы какого-либо тела с помощью кручения, удара, растяжения и так далее. Так вот, ударяя по таким кристаллам, они обнаружили, что те могут выдавать какое-либо кратковременное напряжение.

пьезоэффект

Но они также обнаружили еще и обратный эффект. При подаче напряжения на такие кристаллы, эти кристаллы деформировались сами. Невооруженным глазом это было практически не заметно. Такой эффект назвали пьезоэффектом, а вещества  —  пьезоэлектриками.

Следует заметить, что ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, что можно прижать такой кристалл какой-нибудь увесистой болванкой и всю жизнь получать из него энергию? Как бы не так! Кстати, радиоэлемент пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам, и из него можно получить ЭДС. Ниже можно рассмотреть этот случай на видео. Светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю, зажигается при ударе самого пьезоизлучателя.

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия.  Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

Кварцевый резонатор

Что представляет из себя кварцевый резонатор

В настоящее время выявлены множество видов кристаллических веществ, но в электронике больше всего используют именно минералы кварца, так как он помимо того, что является пьезоэлетриком, так еще и обладает хорошей механической прочностью.

Резонатор — (от лат. resono —  звучу в ответ, откликаюсь) — это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто «кварц», — это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят примерно так.

виды кварцевых резонаторов

Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора.

обозначение на схеме кварцевого резонатора

Разобрав кварцевый резонатор, мы можем увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе.

Здесь мы видим прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы.

что внутри кварцевого резонатора

В маленьких кварцах типа этих

кварцевый резонатор

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Физический размер и толщина кварцевой пластинки внутри кварцевого резонатора строго должна соблюдаться, так как именно ее габаритные размеры влияют на основную частоту колебаний. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 МГц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 МГц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Обертоны кварцевого резонатора

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники — это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F — это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F.  Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому, далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень проблематично.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо «давить» главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах — это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую — это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц — резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц — для работы на 3-ем обертоне.

Последовательный и параллельный резонанс кварца

Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет «частоты, указанной на нем», я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения — увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ). Ага, прям вечный двигатель).

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

эквивалентная схема кварцевого резонатора

С — это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.

С1 — это эквивалентная емкость самого кристалла. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто — это 10-15 !

L1 — это эквивалентная индуктивность кристалла.

R1 — динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

последовательный колебательный контур

Резонансная частота такого контура вычисляется по формуле

формула последовательного резонанса кварцевого резонатора

Но все бы хорошо, но как видите, есть еще в эквивалентной схеме кварцевого резонатора один увесистый конденсатор С, который портит всю малину.

Вся эта схема превращается в сложный параллельный колебательный контур. Резонансная частота такого контура уже будет определяться формулой

формула параллельного резонанса кварцевого резонатора

Поэтому, запомните: каждый кварцевый резонатор может возбуждаться на двух резонансных частотах. На частоте последовательного резонанса и на частоте параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

частота кварцевого резонатора

это говорит нам о том, что частота последовательного резонанса для этого кварцевого генератора составляет 8 МГц. Кварцевые резонаторы в электронике работают именно на частоте последовательного резонанса. На своей практике не припомню, чтобы кто-то возбуждал кварц для работы на частоте параллельного резонанса.

Часовой кварцевый резонатор

Чаще всего часовой кварц выглядит вот так.

«Что еще за часовой кварц?» — спросите вы.  Часовой кварц — это кварц с частотой в 32 768 Герц. Почему на нем такая странная частота? Дело все в том, что 32 768 это и есть 215. Такой кварц работает в паре с 15-разрядной микросхемой-счетчиком. Это наша микросхема К176ИЕ5.

Принцип работы этой микросхемы такой: после того, как она сосчитает 32 768 импульсов, на одной из ножек она выдает импульс. Этот импульс на ножке  с кварцевым резонатором на 32 768 Герц появляется ровно один раз в секунду. А как вы помните,  колебание один раз в секунду — это и есть 1 Герц. То есть на этой ножке импульс будет выдаваться с частотой в 1 Герц. А раз это так, то почему бы не использовать это в часах? Отсюда и пошло название — часовой кварц.

В настоящее время в наручных часах и других мобильных гаджетах этот счетчик и кварцевый резонатор встроены в одну микросхему и обеспечивают не только счет секунд, но и целый ряд других функций, типа будильника, календаря и тд. Такие микросхемы называется RTC (Real Time Clock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.

Кварцевый генератор

Что такое генератор? Генератор — это по сути устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. В электронике очень часто можно услышать словосочетание  «генератор электрической энергии, генератор частоты, генератор функций » и тд.

Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. В основном  кварцевые генераторы бывают двух видов:

те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал

и те, которые выдают прямоугольный сигнал, который чаще всего используется в цифровой электронике.

 Схема Пирса

Для того, чтобы возбудить кварц на частоте резонанса, нам надо собрать схему. Самая простая схема для возбуждения кварца — это классический генератор Пирса, который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:

схема пирса для кварцевого резонатора

Пару слов о том как работает схема. В схеме  есть положительная обратная связь и в ней начинают возникать автоколебания. Но что такое положительная обратная связь?

В школе всем вам ставили прививки на реакцию Манту, чтобы определить, если у вас тубик или нет. Через некоторое время приходили медсестры и линейкой замеряли вашу реакцию кожи на эту прививку

Когда ставили эту прививку, нельзя было чесать место укола. Но мне, тогда еще салаге, было по барабану. Как только я начинал тихонько чесать место укола, мне хотелось чесать еще больше)) И вот скорость руки, которая чесала прививку, у меня замерла на каком-то пике, потому что совершать колебания рукой у меня максимум получалось с частотой Герц  в 15.  Прививка набухала на пол руки))  И даже  один раз меня водили сдавать кровь в подозрении на туберкулез, но как оказалось, не нашли. Оно и неудивительно ;-).

Так что это я вам тут рассказываю хохмы из жизни? Дело в том, что эта чесотка прививки самая что ни на есть положительная обратная связь. То есть пока я ее не трогал, чесать не хотелось. Но как только тихонько почесал, стало чесаться больше и я стал чесать больше, и чесаться стало еще больше и тд.  Если бы на мою руку не было физический ограничений, то наверняка, место прививки уже бы стерлось до мяса. Но я мог махать рукой только с какой-то максимальной частотой. Так вот, такой же принцип и у кварцевого генератора ;-). Чуть подал импульс, и он начинает разгоняться и уже останавливается только на частоте параллельного резонанса ;-). Скажем так, «физическое ограничение».

Первым делом нам надо подобрать катушку индуктивности. Я взял тороидальный сердечник и намотал из провода МГТФ несколько витков

тороидальная катушка индуктивности

Весь процесс контролировал с помощью LC-метра, добиваясь номинала, как на схеме — 2,5 мГн. Если не доставало, прибавлял витки, если перебарщивал номинал, то убавлял. В результате добился  вот такой индуктивности.

измерение индуктивности

Транзистора у меня в загашнике не нашлось, и в местном радиомагазине его тоже не было. Поэтому, пришлось заказывать на Али.

Его правильное название: транзистор полевой с каналом N типа.

транзистор 2n5485

Распиновка слева-направо: Сток — Исток — Затвор

Ну а дальше дело за малым. Собираем схемку:

Небольшое лирическое отступление.

Как вы видите, я пытался максимально сократить связи между радиоэлементами. Дело все в том, что все радиоэлементы имеют свои паразитные параметры. Чем длиннее их выводы, а также провода, соединяющие эти радиоэлементы в схеме, тем хуже будет работать схема, а то и вовсе «не зафурычит». Да и вообще, схемы с кварцевым резонатором на печатных платах трассируют не просто так от балды. Здесь есть свои тонкие нюансы. Мельчайшие паразитные параметры могут испоганить весь сигнал на выходе такого генератора.

Итак, кварцевый генератор мы собрали, напряжение подали, осталось только снять сигнал с выхода нашего самопального генератора. За дело берется цифровой осциллограф OWON SDS6062

Первым  делом я взял кварц на самую большую частоту, которая у меня есть: 32 768 Мегагерц. Не путайте его с часовым кварцем (о нем пойдет речь ниже).

Не, ну а что вы хотели? Хотели увидеть идеальную синусоиду? Не тут-то было. Сказались паразитные параметры плохо собранной схемы и монтажа.

Внизу в левом углу осциллограф нам показывает частоту:

Как вы видите 32,77 Мегагерц.  Главное, что наш кварц живой и схемка работает!

Давайте возьмем кварц с частотой 27 МГц.

Частоту тоже более-менее показал верно.

Ну и аналогично проверяем все остальные кварцы, которые у меня есть.

Вот осциллограмма  кварца на 16 МГц.

Осциллограф показал частоту ровно 16 МГц.

Здесь поставил кварц на 6 МГц.

Ровно 6 МГц!

На 4 МГц.

Все ОК.

Ну и возьмем еще советский на 1 Мегагерц. Вот так он выглядит.

Сверху написано 1000 КГц = 1МГц.

Смотрим осциллограмму.

Рабочий!

При большом желании можно даже замерять частоту китайским генератором-частотомером.

измерение частоты частотомером

400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много, хотя дело может быть даже не кварце, а в самом частотомере.

Схема Пирса для прямоугольного сигнала

Итак, вернемся к схеме Пирса. Предыдущая схема Пирса генерирует синусоидальный сигнал

Но также есть видоизмененная схема Пирса для прямоугольного сигнала

А вот и она:

схема Пирса для меандра

Номиналы некоторых радиоэлементов можно менять в достаточно широком диапазоне. Например, конденсаторы С1 и С2 могут быть в диапазоне от 10 и до 100 пФ. Тут правило такое: чем меньше частота кварца, тем меньше должна быть емкость конденсатора. Для часовых кварцев конденсаторы можно поставить номиналом в 15-18 пФ. Если кварц с частотой от 1 до 10 Мегагерц, то можно поставить 22-56 пФ. Если не хотите заморачиваться, то просто поставьте конденсаторы емкостью в 22 пФ. Точно не прогадаете.

Также небольшая фишка на заметку: меняя значение конденсатора С1 можно настраивать частоту резонанса в очень тонких пределах.

Резистор R1 можно менять от 1 и до 20 МОм, а R2 от нуля и до 100 кОм. Тут тоже есть правило: чем меньше частота кварца, тем больше значение этих резисторов и наоборот.

Максимальная частота кварца, которую можно вставить в схему, зависит от быстродействия инвертора КМОП. Я взял микросхему 74HC04. Она не слишком быстродействующая. Состоит из шести инверторов, но использовать  мы будем только один инвертор.

Вот ее распиновка:

Подключив к этой схеме часовой кварц, осциллограф выдал вот такую осциллограмму:

Ну как всегда всю картинку испортили паразитные параметры монтажа. Но, обратите внимание на частоту. Осциллограф почти верно ее показал с небольшой погрешностью. Ну оно и понятно, так как главная функция осциллографа отображать сигнал, а не считать частоту)

Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?

Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров?

Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК ?

Схема Колпитца

Это также довольно распространенная и знаменитая схема.

схема Колпитца

За основу взять схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Здесь все как обычно. Резисторы R1 и R2 устанавливают рабочую точку для транзистора. Резистор RE устанавливает уровень выходного напряжения. Транзистор NPN 2N4265 может работать на частотах до 100 МГц, поэтому его и взяли. Эта схема будет работать с кварцами в диапазоне от 1 и до 5 МГц.

Готовые модули кварцевых генераторов

В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы,  достигают частотной стабильности  до 10-11 от номинала! Выглядят готовые модули примерно так:

виды кварцевых генераторов

или так

Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода.  Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:

распиновка кварцевого генератора

Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц

кварцевый генератор на 1 МГц

Вот его вид сзади.

Подавая постоянное напряжение от 3,3 и до 5 Вольт плюсом на 8, а минусом на 4, с выхода 5  я получил чистый ровный красивый меандр с частотой, написанной на кварцевом генераторе, то бишь 1 Мегагерц, с очень небольшими выбросами.

сигнал с кварцевого генератора

Ну прям можно залюбоваться).

Да и китайский генератор-частотомер показал точную частоту.

Отсюда делаем вывод: лучше купить готовый кварцевый генератор, чем самому убивать кучу времени и нервов на наладку схемы Пирса или Колпитца. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок, хотя на Алиэкспрессе встречал готовый проверяльщик кварцевых резонаторов, способный замерять частоту кварцев от 1 и до 50 МГц.

Плюсы кварцевых генераторов

Плюсы кварцевых генераторов частоты — это высокая частотная стабильность. В основном это 10-5 — 10-6 от номинала или, как часто говорят,  ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10-6. Отклонение частоты  в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10-7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 Мегагерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус ? Думаю, вполне терпимо.

Кварцевый резонатор-структура, принцип работы, как проверить

Резонатором называют систему способную на колебательные движения с максимальной амплитудой при определённых условиях. Кварцевый резонатор — пластина из кварца, обычно в форме параллелепипеда, действует так при подаче переменного тока (частота для разных пластин различна). Рабочую частоту этой детали определяет её толщина. Зависимость здесь обратная. Наибольшую частоту (не превышающую при том 50 МГц) имеют самые тонкие пластины.

В редких случаях можно добиться частоты в 200 МГц. Это допустимо только при работе на обертоне (неосновной частоте, превышающей основной показатель). Специальные фильтры способны погасить основную частоту кварцевой пластины и выделить кратную ей обертоновую.

Для работы подходят только нечётные гармоники (другое название обертонов). К тому же, при их использовании показания по частоте увеличиваются на более низких амплитудах. Обычно максимальным становится девятикратное уменьшение высоты волны. Далее засечь изменения становится затруднительно.

Кварц относится к диэлектрикам. В комбинации с парой металлических электродов он превращается в конденсатор, но его ёмкость мала и нет смысла её замерять. На схеме эта деталь отображается как кристаллический прямоугольник между пластинами конденсатора. Кварцевой пластине, как и иным упругим телам, свойственно наличие собственной резонансной частоты, зависящей от её размера. Пластины малой толщины имеют более высокую резонансную частоту. Как итог: необходимо лишь выбрать пластину с такими параметрами, при которых частота механических колебаний совпадала бы с приложенной к пластине частотой переменного напряжения. Кварцевая пластина, пригодна только при использовании переменного тока, поскольку постоянный ток может спровоцировать лишь единичное сжатие или разжатие.

В результате очевидно, что кварц является весьма простой резонансной системой (со всеми свойствами, присущими для колебательных контуров), но это вовсе не снижает качество его работы.

Кварцевый резонатор является даже более действенным. Показатель добротности у него составляет 10⁵ — 10⁷. Резонаторы из кварца увеличивают общий срок службы конденсатора за счёт своей температурной устойчивости, долговечности и технологичности. Удобства в применении добавляют и небольшие размеры деталей. Но самое главное достоинство — способность обеспечивать стабильную частоту.

К числу минусов относят лишь узость диапазона сонастройки имеющейся частоты с частотой внешних элементов.

В любом случае, кварцевые резонаторы весьма популярны, и используются в часах, многочисленной радиоэлектронике и иных приборах. В некоторых странах кварцевые пластины устанавливаются прямо на тротуарах, а люди продуцируют энергию просто ходя туда и обратно.

Принцип работы

Функции кварцевого резонатора обеспечиваются пьезоэлектрическим эффектом. Данное явление провоцирует возникновение электрического заряда в случае, если происходит механическая деформация некоторых типов кристаллов (из природных сюда относят кварц и турмалин). Сила заряда при этом находится в прямой зависимости от силы деформации. Это называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Суть обратного пьезоэлектрического эффекта заключается в том, что если на кристалл воздействовать электрическим полем, он будет деформироваться.

Проверка работоспособности

Существует несколько несложных методов проверки состояния кварца в механизме. Вот пара из них:

1.  Чтобы достаточно точно определить состояние резонатора, потребуется подсоединить к генератору на выход осцилограф или частометр. Требуемые данные можно будет вычислить при помощи фигур Лиссажу. Однако, при подобных обстоятельствах возможно непреднамеренное возбуждение колебательных движений кварца как на обертонических, так и на основных частотах. Это может создавать неточность замеров. Такой метод может быть использован в диапазоне от 1 до 10 МГц.
2.  Частота работы генератора зависит от кварцевого резонатора. При подаче энергии генератор продуцирует импульсы, совпадающие с частотой основного резонанса. Череда этих импульсов пропускается через конденсатор, который отсеивает постоянный компонент, оставляя только обертоны, а сами импульсы передаются аналоговому частометру. Его легко можно сконструировать из двух диодов, конденсатора, резистора и микроамперметра. В зависимости от показаний по частоте будет изменяться и напряжение на конденсаторе. Данный метод тоже не отличается точностью и может применятся только в диапазоне от 3 до 10 МГц.

В целом, достоверную проверку кварцевых резонаторов можно осуществлять только при их замене. Да и подозревать поломку резонатора в механизме стоит только в самом крайнем случае. Хотя к портативной электронике, подверженной частым падениям, это не относится.

Что такое кристалл кварца SiO2 » Electronics Notes

Кварц

широко используется в электронной промышленности для изготовления высокостабильных высокопроизводительных резонаторов с чрезвычайно высокими значениями добротности.

---

Кристаллы кварца, Xtals Учебное пособие Включает:
Кристаллы кварца: Xtals Что такое кварц Как работает кристалл Операция кристального обертона Вытягивание частоты кристалла кварца Огранка кварцевого хрусталя Кварцевое старение Производство кристаллических резонаторов Как определить кристалл кварца VCXO ТСХО ОСХО Кристаллический фильтр Монолитный кристаллический фильтр Керамический резонатор и фильтр Характеристики керамического фильтра

---

Кварц представляет собой кристаллическую форму кремниевого диода, SiO ₂ . Название Quartz происходит от немецкого слова «quaz», хотя другие считают, что это слово происходит от саксонского слова Querkluftertz, означающего руду с поперечными жилами.

Кварц

широко используется в электронике, где кварцевые резонаторы используются в качестве высокоэффективных резонаторов для использования в фильтрах и генераторах.

В электронных схемах кварц может обеспечить резонансные электронные компоненты с исключительно высоким уровнем добротности для использования в фильтрах и генераторах.

Кристалл природного кварца

Основы кварца

Кварц — твердый кристаллический минерал, состоящий из атомов кремния и кислорода. Атомы связаны в непрерывную структуру кремний-кислородных тетраэдров SiO ₄ , причем каждый кислород распределяется между двумя тетраэдрами, что дает общую химическую формулу SiO ₂ . Кварц является вторым по распространенности минералом в континентальной коре Земли после полевого шпата.

Кварц принадлежит к так называемой тригональной кристаллической системе.

Идеальная форма кристалла представляет собой шестигранную призму, заканчивающуюся шестигранными пирамидами на каждом конце. Однако это редко встречается в природе, потому что кристаллы имеют тенденцию срастаться с другими кристаллами кварца и даже с кристаллами других минералов. Это означает, что встречающийся в природе кварц часто не имеет кристаллической формы из учебника. Обычно кристаллы наилучшей формы вырастают в среде, где они могут расти в пустоту, т. е. не касаясь других кристаллов кварца или других минералов и т. д.

Однако кристаллы кварца, используемые для изготовления кварцевых резонаторов, доступны в очень ограниченных районах. Ввиду дефицита кварц, используемый для электронных компонентов в качестве высокодобротных резонаторов, производится синтетическим путем.

Вот несколько интересных свойств, которые можно приписать кварцу:

• Пьезоэлектрические свойства:   Кварц проявляет пейзоэлектрический эффект. При этом, если к кристаллу приложить напряжение, то возникает электродвижущая сила, что можно обнаружить, поместив электроды на его поверхность. Именно это свойство позволяет использовать кристаллы кварца в электронных схемах.
• Температура плавления:
    Температура плавления кварца выше 1700°C.
• Температура Кюри — альфа- и бета-кварц:   Температура Кюри для кварца составляет 573°C. Ниже этой температуры форма выходит из строя и обладает пьезоэлектрическими свойствами. При температуре выше 573°C большая часть его пьезоэлектрических свойств теряется, и его называют бета-кварцем.

Среди этих свойств именно пьезоэлектрический эффект в сочетании с очень высокой добротностью механических резонансов делает кварц практически уникальным.

Хотя некоторые специализированные керамические материалы также обладают схожими свойствами пьезоэлектричества и высокодобротными механическими резонансами, их характеристики не так хороши, как у кварца, хотя они и имеют более низкую стоимость производства, они по-прежнему широко используются во многих радиочастотных конструкциях, где очень высокие характеристики кварцевых резонаторов не требуется.

Производство кварца

Кварц встречается в природе, основные источники кристаллического кварца находятся в Бразилии. Здесь были найдены кристаллы самых разных форм и размеров.

В связи с его широким использованием в электронной промышленности к 1940-м и 1950-м годам запасы стали истощаться.

Сокращение поставок привело к разработке методов производства для создания синтетического кварца, чтобы кварц можно было использовать для резонаторов в электронных схемах.

Процесс производства синтетического кварца включает растворение необработанного кремниевого диода SiO ₂ в растворе щелочной воды при температуре около 400°C и под высоким давлением.

После этого можно выращивать кристаллы. Это очень медленный процесс, и часто скорость роста составляет всего 1 мм в день. Однако эта низкая скорость обеспечивает высокую чистоту и, как правило, высокое качество кристаллов. Качество такое же хорошее, как и в природе.

Контроль роста позволяет выращивать кристаллы в соответствии с требованиями производителей кристаллов. Это позволяет производить различные размеры и ориентации.

Свойства кристалла кварца

Кристаллы кварца обладают несколькими полезными свойствами:

• Форма кристалла:   Кристаллы природного и синтетического кварца имеют шестиугольное поперечное сечение с концами, имеющими форму шестигранной пирамиды. Направления внутри кристаллов имеют большое значение для изготовления резонаторов и обозначаются как оси X, Y и Z. Ось Z проходит в продольном направлении между концами через центр кристалла, а направление наибольшей электрической чувствительности определяется как ось X. Ось Y соединяет две противоположные грани. Поскольку у кристалла шесть граней, есть три оси X и Y.

  Структура кристалла кварца с разными осями и гранями
• Лево- и правосторонний кварц:   Кварц называется энантиоморфным. Это означает, что у него есть как левосторонняя, так и правосторонняя версии. Эта разница проявляется в оптическом вращении, хотя другие свойства двух версий идентичны. Обычно для изготовления резонаторов используются правосторонние кристаллы кварца.
• Кварц анизотропный:  Многие свойства кварца зависят от ориентации кварцевого стержня и, что более важно, от решетки внутри кристалла. С точки зрения его использования в кварцевых резонаторах одним из важных аспектов, чувствительных к его направлению, является пейзоэлектрический эффект. В результате направление резки отдельных заготовок кварцевого кристалла определяет многие их свойства. Различные режимы вибрации возбуждаются электрическими импульсами в зависимости от направления разреза.

Формы кристалла кварца

Помимо кристаллов, используемых в электронных резонаторах, существует множество форм кварца. Кварц является вторым по распространенности минералом в континентальной коре Земли после полевого шпата.

Тип кварца	Описание
Горный хрусталь	Бесцветный и прозрачный
Аметист	Фиолетовый и прозрачный
Розовый кварц	Розовый и прозрачный
Сердолик	Красновато-оранжевый и полупрозрачный
Агат	Разноцветный и полупрозрачный
Оникс	Форма агата с прямыми полосами
Джаспер	Красно-коричневый и непрозрачный
Цитрин	От желтого до красновато-оранжевого до коричневого и прозрачного
Празиолит	Мятно-зеленый и прозрачный

Пьезоэлектрический эффект в кварце

Основной причиной использования кварца в электронных компонентах является пьезоэлектрический эффект. Хотя кварц обладает многими другими свойствами, которые многим нравятся для использования в ювелирных изделиях, именно электрические свойства и, в частности, пьезоэлектрический эффект означают, что кварц особенно полезен в конструкциях электронных схем и, в частности, во многих радиочастотных конструкциях. В качестве электронного компонента кварц способен обеспечить чрезвычайно высокий уровень производительности в качестве резонансного элемента.

В частности, пьезоэлектрический эффект проявляется в появлении электрического потенциала на гранях кристалла, подвергаемого механическому воздействию.

Точно так же, когда к кристаллу приложен потенциал, можно увидеть небольшую деформацию.

Причина этого в том, что кристаллическая решетка для разных материалов строится несколько по-разному. Ибо для любого кристаллического вещества решетка состоит из огромного числа повторений одних и тех же основных атомных блоков или элементарных ячеек, как их называют, расположенных упорядоченным образом.

В большинстве кристаллических решеток элементарная ячейка симметрична, но для пьезоэлектрических материалов это не так.

Для пьезоэлектрического материала кристалл электрически нейтрален, потому что их электрические заряды идеально сбалансированы: положительный заряд в одном месте уравновешивает отрицательный заряд поблизости.

Однако, если пьезоэлектрический кристалл деформируется, некоторые атомы сближаются, а другие могут отдаляться друг от друга. Это нарушает баланс положительных и отрицательных зарядов и вызывает появление суммарных электрических зарядов. Этот эффект проявляется во всей структуре кристалла, вызывая суммарные положительные и отрицательные заряды на противоположных внешних гранях.

Пьезоэлектрический эффект на самом деле работает в обоих направлениях — если кристалл деформируется, на гранях появляются потенциалы, и аналогично, если потенциал приложен поперек кристалла, он будет деформироваться.

При работе в качестве кварцевого резонатора электрические импульсы от электрической цепи преобразуются в механические колебания, которые возникают на самом кристалле. На эти вибрации воздействуют механические резонансы кристалла с очень высокой добротностью, а затем эффект снова отражается обратно в электрическую область.

Конечным результатом этого является то, что механические резонансы с очень высокой добротностью могут использоваться для эффективного воздействия на электрические сигналы.

Кварц — особый материал. Хотя многие кристаллы могут казаться очень красивыми и из них делают украшения, электрические аспекты также очень важны и позволяют изготавливать и использовать электрические резонаторы с очень высокой добротностью. Это несравнимо с любым другим аналоговым электронным компонентом.

Больше электронных компонентов:
Батареи конденсаторы Соединители Диоды полевой транзистор Индукторы Типы памяти Фототранзистор Кристаллы кварца Реле Резисторы ВЧ-разъемы Переключатели Технология поверхностного монтажа Тиристор Трансформеры Транзистор Клапаны/трубки
    Вернуться в меню «Компоненты». . .

Что такое Quartz Electronic и как это влияет на вашу повседневную жизнь?

Добро пожаловать в компанию ChipSun Technology Co., Ltd.

86-755 8345 8798 [email protected]

EN|中

• 06.12.2022
• администратор
• Новости компании

Что означает кварцевая электроника?

• Тип электронного устройства, известного как кварцевая электроника , использует кристаллы кварца для регулирования частоты электрического сигнала. Природные минералы, называемые кристаллами кварца, имеют точную и постоянную частоту, что делает их идеальными для контроля частоты электрических импульсов. Во многих электронных продуктах, включая часы, компьютеры и медицинское оборудование, используется кварцевая технология.
Электроника на кристалле кварца
• заменяет традиционную электронику благодаря своей превосходной надежности, эффективности и мобильности. Они также более требовательны, что делает их идеальными для использования в сложных условиях. По мере того, как общество становится все более зависимым от технологий, растет спрос на более компактную, мощную и надежную электронику. Поэтому кристаллы кварца идеально подходят для использования в электрических устройствах.

Какую информацию об электронике на кристалле кварца вам действительно необходимо знать?

Он точен почти в любой ситуации. Наше расследование показывает, что Quartz уязвим для следующих устройств, перечисленных ниже:

• Из-за своей способности преобразовывать механическую энергию в электрический или цифровой сигнал кристаллы кварца являются важной частью многих электронных устройств.
• Современные технологии часто используют пьезоэлектрические характеристики кварцевых кристаллов.
• Многочисленные электрические устройства используют кристаллы кварца, такие как радиоприемники, микрофоны, робототехника, таймеры, будильники и зуммеры. Кристалл кварца полностью сделан из кремния и часто используется для изготовления многих компьютерных компонентов.

Электроника на кристаллах кварца: уникальная технология

• Пьезоэлектрические свойства кварца служат основой для уникальной технологии, известной как электроника на кристаллах кварца. Это указывает на то, что когда кристалл кварца подвергается воздействию электрического поля, он производит механическую вибрацию. Эта вибрация может генерировать электрические сигналы или регулировать поток энергии.
Электроника на кристалле кварца
• более надежна и долговечна, чем другие электронные технологии, обеспечивая доступ к широкому диапазону ценных частот. Благодаря стабильности частоты кварцевые кристаллы являются лучшим вариантом для использования в электрических машинах, требующих точной синхронизации.
• Эти электронные кристаллы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционной электроникой, включая широкий диапазон частот, исключительную стабильность и низкое энергопотребление. Они также служат нескольким научным и лечебным целям. Они также используются в резонаторах, генераторах и фильтрах.

Почему в будущем электроника будет использовать кварцевый кристалл?

• Кристалл кварца представляет собой тип электрического резонатора, который использует пьезоэлектрическое действие определенных кристаллов для создания электрического сигнала с точной частотой. Кристаллы кварца используются в различных электротехнических изделиях, включая часы, радиоприемники, компьютеры и многое другое.
• Они используются в электронных устройствах, потому что они могут создавать электрические сигналы высокой точности. Это захватывающая и молодая область, которая только сейчас начинает использоваться.
• Электронный кварц — это технология будущего, поскольку ее можно использовать для создания более компактных и эффективных устройств, потребляющих меньше электроэнергии. С помощью этой техники можно сделать гибкие или гибкие вещи. Эти кристаллы можно использовать в электронике для управления частотой сигнала.

Естественный процесс кристаллов кварца: 

• Естественный процесс в трещинах и трещинах горных пород приводит к образованию кристаллов кварца. В зависимости от типа породы они могут быть найдены в осадочных породах, метаморфических породах или магматических породах. Необработанный кварц может иметь более непрозрачный или полупрозрачный вид. У каждого из этих выступлений есть шанс. Даже если второй тип дороже, они оба привлекают многих людей. Этот кварц может выдерживать различные погодные условия и очень прост в обслуживании и чистке. В случае загрязнения достаточно просто промыть его водой с мылом. Другого способа очистить его нет.
• Несмотря на то, что кварц является более хрупким камнем, с ним сложнее обращаться, чем с топазом. Самый простой и быстрый способ уменьшить вероятность недопонимания — установить между ними физический барьер, пока они оба хранятся. Кварц — это прочный камень, который вам разрешено использовать, если к нему относятся с величайшим уважением и заботой.

Какую функцию выполняет кварцевая электроника на рабочем месте?

• Не зная HTML или CSS, владельцы компаний могут легко создать веб-сайт с помощью этого приложения. Quartz может использоваться предприятиями для разработки и обслуживания своих веб-сайтов.
• Quartz предлагает дополнительные необходимые инструменты для открытия и ведения бизнеса в дополнение к веб-сайту.
• Платформа для управления предприятиями под названием Quartz Electronic упрощает их запуск и эксплуатацию.
• Платформа предлагает ряд функций, включая полностью редактируемый веб-сайт, чтобы помочь владельцам компаний развивать свои компании. Одной из самых мощных функций Quartz является универсальный конструктор веб-сайтов.
• В их состав входит база данных клиентов, система управления заказами и конструктор воронки продаж. С помощью этих инструментов владельцы бизнеса могут быстро отслеживать взаимодействие с клиентами, генерировать потенциальных клиентов и обрабатывать покупки.
• Quartz Electronic в целом представляет собой очень гибкую платформу управления компанией, которая позволяет владельцам бизнеса легко создавать и развивать свои компании.

Заключение:

Поскольку электроника, построенная из кварцевых кристаллов, имеет различные преимущества по сравнению с обычной электроникой, в будущем будет использоваться электроника. Они более надежны, эффективны и точны. Поскольку они менее подвержены помехам,  кварцевая электроника  прекрасно подходят для деликатных применений. Эти осцилляторы можно приобрести по разумной цене. Наслаждайтесь покупками, взглянув на наши товары. Вы получаете больше, платя меньше на нашем сайте. ChipSun   Технология предлагает услуги электронной коммерции, НИОКР и другие дополнительные услуги.