Resonator adalah suatu sistem yang mampu melakukan gerakan osilasi dengan amplitudo maksimum dalam kondisi tertentu. Resonator kuarsa - pelat kuarsa, biasanya berbentuk paralelepiped, bertindak dengan cara ini ketika arus bolak-balik diterapkan (frekuensinya berbeda untuk pelat yang berbeda). Frekuensi pengoperasian bagian ini ditentukan oleh ketebalannya. Ketergantungan di sini justru sebaliknya. Pelat tertipis memiliki frekuensi tertinggi (tidak melebihi 50 MHz).

Dalam kasus yang jarang terjadi, frekuensi 200 MHz dapat dicapai. Ini hanya diperbolehkan ketika bekerja pada nada tambahan (frekuensi minor lebih tinggi dari frekuensi utama). Filter khusus mampu menekan frekuensi dasar pelat kuarsa dan menyorot beberapa frekuensi nada atasnya.

Hanya harmonik ganjil (nama lain untuk nada tambahan) yang cocok untuk pengoperasian. Selain itu, saat menggunakannya, pembacaan frekuensi meningkat pada amplitudo yang lebih rendah. Biasanya, maksimumnya adalah penurunan tinggi gelombang sebanyak sembilan kali lipat. Selain itu, perubahan menjadi sulit dideteksi.

Kuarsa adalah dielektrik. Jika dikombinasikan dengan sepasang elektroda logam, ia berubah menjadi kapasitor, tetapi kapasitasnya kecil dan tidak ada gunanya mengukurnya. Dalam diagram, bagian ini ditampilkan sebagai persegi panjang kristal di antara pelat kapasitor. Pelat kuarsa, seperti benda elastis lainnya, dicirikan oleh adanya frekuensi resonansinya sendiri, bergantung pada ukurannya. Pelat tipis memiliki frekuensi resonansi yang lebih tinggi. Akibatnya: hanya perlu memilih pelat dengan parameter sedemikian rupa sehingga frekuensi getaran mekanis akan bertepatan dengan frekuensi tegangan bolak-balik yang diterapkan pada pelat. Pelat kuarsa hanya cocok bila menggunakan arus bolak-balik, karena arus searah hanya dapat memicu satu kompresi atau dekompresi.

Hasilnya, jelas terlihat bahwa kuarsa adalah sistem resonansi yang sangat sederhana (dengan semua sifat yang melekat pada rangkaian osilasi), tetapi hal ini sama sekali tidak mengurangi kualitas kerjanya.

Resonator kuarsa bahkan lebih efektif. Faktor kualitasnya adalah 10 5 - 10 7. Resonator kuarsa meningkatkan masa pakai kapasitor secara keseluruhan karena stabilitas suhu, daya tahan, dan kemampuan manufakturnya. Ukuran bagian yang kecil juga membuatnya lebih mudah digunakan. Namun keunggulan terpentingnya adalah kemampuannya dalam memberikan frekuensi yang stabil.

Satu-satunya kelemahan termasuk sempitnya rentang penyetelan frekuensi yang ada dengan frekuensi elemen eksternal.

Bagaimanapun, resonator kuarsa sangat populer dan digunakan pada jam tangan, berbagai radio elektronik, dan perangkat lainnya. Di beberapa negara, pelat kuarsa dipasang langsung di trotoar, dan masyarakat menghasilkan energi hanya dengan berjalan bolak-balik.

Prinsip operasi

Fungsi resonator kuarsa disediakan oleh efek piezoelektrik. Fenomena ini memicu munculnya muatan listrik jika terjadi deformasi mekanis pada jenis kristal tertentu (yang alami termasuk kuarsa dan turmalin). Gaya muatan berbanding lurus dengan gaya deformasi. Hal ini disebut efek piezoelektrik langsung. Inti dari efek piezoelektrik terbalik adalah jika suatu kristal terkena medan listrik maka akan berubah bentuk.

Pemeriksaan fungsionalitas

Ada beberapa metode sederhana untuk memeriksa kondisi kuarsa dalam suatu mesin jam. Berikut ini beberapa di antaranya:

1. Untuk menentukan keadaan resonator secara akurat, Anda perlu menghubungkan osiloskop atau pengukur frekuensi ke output generator. Data yang dibutuhkan dapat dihitung dengan menggunakan angka Lissajous. Namun, dalam keadaan seperti itu, gerakan osilasi kuarsa secara tidak sengaja dapat tereksitasi pada frekuensi overtonik dan fundamental. Hal ini dapat menyebabkan pengukuran menjadi tidak akurat. Metode ini dapat digunakan pada rentang 1 hingga 10 MHz.
2. Frekuensi operasi generator bergantung pada resonator kuarsa. Ketika energi disuplai, generator menghasilkan pulsa yang bertepatan dengan frekuensi resonansi utama. Serangkaian pulsa ini dilewatkan melalui kapasitor, yang menyaring komponen DC, hanya menyisakan nada tambahan, dan pulsa itu sendiri ditransmisikan ke pengukur frekuensi analog. Ini dapat dengan mudah dibuat dari dua dioda, kapasitor, resistor dan mikroammeter. Tergantung pada pembacaan frekuensi, tegangan melintasi kapasitor juga akan berubah. Cara ini juga kurang akurat dan hanya bisa digunakan pada rentang 3 hingga 10 MHz.

Secara umum, pengujian resonator kuarsa yang andal hanya dapat dilakukan jika resonator tersebut diganti. Dan Anda seharusnya mencurigai kerusakan resonator pada mekanismenya hanya sebagai upaya terakhir. Meskipun hal ini tidak berlaku untuk perangkat elektronik portabel yang sering terjatuh.

Resonator kuarsa adalah perangkat elektronik yang didasarkan pada efek piezoelektrik, serta resonansi mekanis. Ini digunakan oleh stasiun radio, yang mengatur frekuensi pembawa dalam jam dan pengatur waktu, menetapkan interval 1 detik di dalamnya.

Apa itu dan mengapa itu diperlukan

Perangkat ini merupakan sumber yang menyediakan osilasi harmonik presisi tinggi. Dibandingkan dengan analog, ia memiliki efisiensi pengoperasian yang lebih besar dan parameter yang stabil.

Contoh pertama perangkat modern muncul di stasiun radio pada tahun 1920-1930. sebagai elemen yang mempunyai operasi stabil dan mampu mengatur frekuensi pembawa. Mereka:

• menggantikan resonator kristal yang beroperasi pada garam Rochelle, yang muncul pada tahun 1917 sebagai hasil penemuan Alexander M. Nicholson dan ditandai dengan ketidakstabilan;
• mengganti rangkaian yang digunakan sebelumnya dengan kumparan dan kapasitor, yang tidak memiliki faktor kualitas tinggi (hingga 300) dan bergantung pada perubahan suhu.

Beberapa saat kemudian, resonator kuarsa menjadi bagian integral dari pengatur waktu dan jam. Komponen elektronika dengan frekuensi resonansi natural 32768 Hz, yang dalam pencacah biner 15-bit menetapkan jangka waktu sebesar 1 detik.

Perangkat tersebut digunakan saat ini di:

• jam tangan kuarsa, memastikan keakuratannya terlepas dari suhu sekitar;
• alat ukur, menjamin akurasi indikator yang tinggi;
• alat pengeras suara gema laut, yang digunakan dalam penelitian dan pembuatan peta dasar laut, merekam terumbu karang, perairan dangkal, dan mencari objek di dalam air;
• sirkuit yang sesuai dengan osilator referensi yang mensintesis frekuensi;
• sirkuit yang digunakan dalam indikasi gelombang SSB atau sinyal telegraf;
• stasiun radio dengan sinyal DSB dengan frekuensi menengah;
• filter bandpass penerima superheterodyne, yang lebih stabil dan berkualitas tinggi dibandingkan filter LC.

Perangkat diproduksi dengan rumah yang berbeda. Mereka dibagi menjadi output, digunakan dalam pemasangan volumetrik, dan SMD, digunakan dalam pemasangan di permukaan.

Pengoperasiannya bergantung pada keandalan rangkaian switching, yang mempengaruhi:

• penyimpangan frekuensi dari nilai yang diperlukan, stabilitas parameter;
• tingkat penuaan perangkat;
• Kapasitas beban.

Sifat-sifat resonator kuarsa

Ini lebih unggul dari analog yang sudah ada sebelumnya, yang menjadikan perangkat ini sangat diperlukan di banyak sirkuit elektronik dan menjelaskan ruang lingkup penggunaan perangkat. Hal ini dibuktikan dengan fakta bahwa dalam dekade pertama sejak penemuannya, lebih dari 100 ribu perangkat diproduksi di AS (belum termasuk negara lain).

Di antara sifat positif resonator kuarsa yang menjelaskan popularitas dan permintaan perangkat:

• faktor kualitas baik, yang nilainya – 104-106 – melebihi parameter analog yang digunakan sebelumnya (memiliki faktor kualitas 300);
• dimensi kecil yang dapat diukur dalam sepersekian milimeter;
• ketahanan terhadap suhu dan fluktuasinya;
• umur panjang;
• kemudahan pembuatan;
• kemampuan untuk membuat filter kaskade berkualitas tinggi tanpa menggunakan pengaturan manual.

Resonator kuarsa juga memiliki kelemahan:

• elemen eksternal memungkinkan Anda menyesuaikan frekuensi dalam rentang sempit;
• memiliki desain yang rapuh;
• tidak tahan terhadap panas berlebih.

Prinsip pengoperasian resonator kuarsa

Perangkat ini beroperasi berdasarkan efek piezoelektrik, yang memanifestasikan dirinya pada pelat kuarsa suhu rendah. Elemen dipotong dari kristal kuarsa padat, dengan memperhatikan sudut yang ditentukan. Yang terakhir menentukan parameter elektrokimia resonator.

Pelat dilapisi di kedua sisi dengan lapisan perak (platinum, nikel, emas cocok). Mereka kemudian dipasang dengan kuat di dalam wadahnya, yang disegel. Alat tersebut merupakan sistem osilasi yang mempunyai frekuensi resonansi tersendiri.

Ketika elektroda dikenai tegangan bolak-balik, pelat kuarsa, yang memiliki sifat piezoelektrik, bengkok, berkontraksi, dan bergeser (tergantung pada jenis pemrosesan kristal). Pada saat yang sama, EMF balik muncul di dalamnya, seperti yang terjadi pada induktor yang terletak di sirkuit osilasi.

Ketika tegangan diterapkan dengan frekuensi yang sesuai dengan getaran alami pelat, resonansi diamati pada perangkat. Serentak:

• elemen kuarsa meningkatkan amplitudo getaran;
• Resistansi resonator sangat berkurang.

Energi yang dibutuhkan untuk mempertahankan osilasi rendah jika frekuensinya sama.

Penunjukan resonator kuarsa pada diagram kelistrikan

Perangkat ini ditunjuk mirip dengan kapasitor. Perbedaan: sebuah persegi panjang ditempatkan di antara segmen vertikal - simbol pelat yang terbuat dari kristal kuarsa. Sebuah celah memisahkan sisi persegi panjang dan pelat kapasitor. Di dekat diagram mungkin ada huruf penunjukan perangkat - QX.

Cara memeriksa resonator kuarsa

Masalah dengan peralatan kecil muncul jika terkena benturan keras. Hal ini terjadi ketika perangkat yang berisi resonator terjatuh. Yang terakhir gagal dan memerlukan penggantian sesuai dengan parameter yang sama.

Memeriksa fungsionalitas resonator memerlukan penguji. Itu dirakit sesuai dengan sirkuit berdasarkan transistor KT3102, 5 kapasitor dan 2 resistor (perangkat ini mirip dengan osilator kuarsa yang dirakit pada transistor).

Perangkat harus terhubung ke basis transistor dan kutub negatif pada sambungan yang terhubung, dilindungi dengan memasang kapasitor pelindung. Catu daya untuk rangkaian switching konstan – 9V. Plus, pengukur frekuensi dihubungkan ke masukan transistor, dan ke keluarannya melalui kapasitor, yang mencatat parameter frekuensi resonator.

Diagram digunakan saat mengatur rangkaian osilasi. Ketika resonator berfungsi dengan baik, ketika dihubungkan, ia menghasilkan osilasi yang menyebabkan munculnya tegangan bolak-balik pada emitor transistor. Selain itu, frekuensi tegangan bertepatan dengan karakteristik resonator yang serupa.

Perangkat rusak jika pengukur frekuensi tidak mendeteksi kemunculan frekuensi atau mendeteksi keberadaan frekuensi, namun nilainya jauh berbeda dari nilai nominalnya, atau ketika wadahnya dipanaskan dengan besi solder, nilainya berubah drastis.

Alasan pembuatan perangkat ini adalah sejumlah besar resonator kuarsa yang terakumulasi, baik yang dibeli maupun disolder dari papan yang berbeda, dan banyak yang tidak memiliki tanda apa pun. Bepergian melintasi hamparan luas Internet dan mencoba merakit dan meluncurkan berbagai macam Internet, diputuskan untuk menghasilkan sesuatu milik kami sendiri. Setelah banyak percobaan dengan generator yang berbeda, baik pada logika digital yang berbeda maupun pada transistor, saya memilih 74HC4060, meskipun osilasi sendiri juga tidak dapat dihilangkan, tetapi ternyata, ini tidak menimbulkan gangguan selama pengoperasian perangkat. .

Rangkaian meter kuarsa

Perangkat ini didasarkan pada dua generator CD74HC4060 (74HC4060 tidak ada di toko, tetapi dilihat dari lembar data, generator tersebut bahkan "lebih keren"), yang satu beroperasi pada frekuensi rendah, yang kedua pada frekuensi tinggi. Frekuensi terendah yang saya miliki adalah kuarsa jam, dan frekuensi tertinggi adalah kuarsa non-harmonik pada 30 MHz. Karena kecenderungannya untuk membangkitkan diri sendiri, diputuskan untuk mengganti generator hanya dengan mengganti tegangan suplai, yang ditunjukkan oleh LED yang sesuai. Setelah generator, saya memasang repeater logika. Mungkin lebih baik memasang kapasitor daripada resistor R6 dan R7 (saya belum memeriksanya sendiri).

Ternyata, perangkat ini tidak hanya menjalankan kuarsa, tetapi juga semua jenis filter dengan dua kaki atau lebih, yang berhasil dihubungkan ke konektor yang sesuai. Satu "biped" yang mirip dengan kapasitor keramik diluncurkan pada frekuensi 4 MHz, yang kemudian berhasil digunakan sebagai pengganti resonator kuarsa.

Foto-foto menunjukkan bahwa dua jenis konektor digunakan untuk menguji komponen radio. Yang pertama terbuat dari bagian panel - untuk bagian timah, dan yang kedua adalah pecahan papan yang direkatkan dan disolder ke trek melalui lubang yang sesuai - untuk resonator kuarsa SMD. Untuk menampilkan informasi, digunakan pengukur frekuensi yang disederhanakan pada mikrokontroler PIC16F628 atau PIC16F628A, yang secara otomatis mengubah batas pengukuran, yaitu frekuensi pada indikator akan menjadi kHz atau di MHz.

Tentang detail perangkat

Sebagian papan dirakit pada bagian timah, dan sebagian lagi pada SMD. Papan ini dirancang untuk indikator LCD garis tunggal Winstar WH1601A (yang memiliki kontak di kiri atas), kontak 15 dan 16, yang berfungsi untuk penerangan, tidak dirutekan, tetapi siapa pun yang membutuhkan dapat menambahkan trek dan detail untuk mereka sendiri. Saya tidak menyalakan lampu latar karena saya menggunakan indikator non-lampu latar dari beberapa ponsel di pengontrol yang sama, tetapi awalnya ada yang Winstar. Selain WH1601A, Anda dapat menggunakan WH1602B - dua baris, tetapi baris kedua tidak akan digunakan. Alih-alih transistor di sirkuit, Anda dapat menggunakan konduktivitas yang sama, sebaiknya dengan h21 lebih besar. Papan ini memiliki dua input daya, satu dari mini USB, yang lain melalui jembatan dan 7805. Ada juga ruang untuk stabilizer di wadah lain.

Penyiapan perangkat

Saat menyetel dengan tombol S1, nyalakan mode frekuensi rendah (LED VD1 akan menyala) dan dengan memasukkan resonator kuarsa pada 32768 Hz ke konektor yang sesuai (sebaiknya dari motherboard komputer), gunakan kapasitor tuning C11 untuk menyetel frekuensi pada indikator menjadi 32768 Hz. Resistor R8 mengatur sensitivitas maksimum. Semua file - papan, firmware, lembar data untuk elemen radio yang digunakan dan banyak lagi, unduh di arsip. Penulis proyek - nefedot.

Diskusikan artikel PERANGKAT UNTUK MEMERIKSA FREKUENSI KUARSA

Teknologi digital modern membutuhkan ketelitian yang tinggi, sehingga tidak mengherankan jika hampir semua perangkat digital yang menarik perhatian kebanyakan orang saat ini memiliki resonator kuarsa di dalamnya.

Resonator kuarsa pada berbagai frekuensi diperlukan sebagai sumber osilasi harmonik yang andal dan stabil, sehingga mikrokontroler digital dapat mengandalkan frekuensi referensi dan beroperasi dengannya di masa mendatang, selama pengoperasian perangkat digital. Dengan demikian, resonator kuarsa adalah pengganti yang andal untuk rangkaian LC berosilasi.

Jika kita mempertimbangkan rangkaian osilasi sederhana yang terdiri dari dan , akan segera menjadi jelas bahwa faktor kualitas rangkaian seperti itu dalam rangkaian tidak akan melebihi 300, terlebih lagi, kapasitansi kapasitor akan mengapung tergantung pada suhu sekitar, dan sama akan terjadi dengan induktansi.

Bukan tanpa alasan bahwa kapasitor dan kumparan memiliki parameter seperti TKE - koefisien suhu kapasitansi dan TKI - koefisien suhu induktansi, yang menunjukkan bagaimana parameter utama komponen ini berubah seiring dengan perubahan suhunya.

Tidak seperti rangkaian osilasi, resonator berbasis kuarsa memiliki faktor kualitas yang tidak dapat dicapai untuk rangkaian osilasi, yang diukur dalam nilai dari 10.000 hingga 10.000.000, dan tidak ada pertanyaan tentang stabilitas suhu resonator kuarsa, karena frekuensinya tetap konstan pada nilai suhu berapa pun. , biasanya berkisar antara -40°C hingga +70°C.

Jadi, karena stabilitas suhu dan faktor kualitasnya yang tinggi, resonator kuarsa digunakan di seluruh teknik radio dan elektronik digital.

Untuk mengatur frekuensi jam, ia selalu membutuhkan generator jam yang dapat diandalkan, dan generator ini selalu membutuhkan frekuensi tinggi dan, terlebih lagi, presisi tinggi. Di sinilah resonator kuarsa membantu. Tentu saja, dalam beberapa aplikasi Anda dapat menggunakan resonator piezoceramic dengan faktor kualitas 1000, dan resonator tersebut cukup untuk mainan elektronik dan radio rumah tangga, tetapi kuarsa diperlukan untuk perangkat yang lebih presisi.

Pengoperasian resonator kuarsa didasarkan pada energi yang muncul pada pelat kuarsa. Kuarsa adalah polimorf silikon dioksida, SiO2, dan ditemukan di alam dalam bentuk kristal dan kerikil. Dalam bentuk bebas, kerak bumi mengandung sekitar 12% kuarsa, selain itu kuarsa juga terkandung dalam bentuk campuran mineral lain, dan pada umumnya kerak bumi mengandung lebih dari 60% kuarsa (fraksi massa).

Kuarsa suhu rendah, yang memiliki sifat piezoelektrik, cocok untuk membuat resonator. Secara kimia, kuarsa sangat stabil dan hanya dapat dilarutkan dalam asam fluorida. Kuarsa lebih keras dari opal, tapi tidak sekeras berlian.

Saat membuat pelat kuarsa, sepotong kristal kuarsa dipotong pada sudut yang ditentukan secara ketat. Tergantung pada sudut pemotongan, pelat kuarsa yang dihasilkan akan berbeda dalam sifat elektromekanisnya.

Hal ini menghasilkan sistem osilasi yang memiliki frekuensi resonansinya sendiri, dan resonator kuarsa yang diperoleh dengan cara ini memiliki frekuensi resonansinya sendiri, yang ditentukan oleh parameter elektromekanis.

Sekarang, jika tegangan bolak-balik dengan frekuensi resonansi tertentu diterapkan ke elektroda logam plastik, fenomena resonansi akan muncul, dan amplitudo osilasi harmonik pelat akan meningkat sangat signifikan. Dalam hal ini resistansi resonator akan sangat berkurang, yaitu prosesnya mirip dengan yang terjadi pada rangkaian osilasi seri. Karena faktor kualitas tinggi dari “rangkaian osilasi” tersebut, kehilangan energi selama eksitasi pada frekuensi resonansi dapat diabaikan.

Pada rangkaian ekivalen: C2 - kapasitas listrik statis pelat dengan penahan, L - induktansi, C1 - kapasitansi, R - resistansi, yang mencerminkan sifat elektromekanis pelat kuarsa yang dipasang. Jika Anda melepas elemen pemasangan, Anda akan mendapatkan rangkaian LC seri.

Selama pemasangan pada papan sirkuit tercetak, resonator kuarsa tidak boleh terlalu panas, karena desainnya cukup rapuh, dan panas berlebih dapat menyebabkan deformasi elektroda dan dudukannya, yang tentunya akan mempengaruhi pengoperasian resonator pada perangkat yang sudah jadi. Jika Anda memanaskan kuarsa hingga 5730°C, ia akan kehilangan sifat piezoelektriknya sepenuhnya, tetapi, untungnya, tidak mungkin memanaskan elemen dengan besi solder hingga suhu seperti itu.

Penunjukan resonator kuarsa pada diagram mirip dengan penunjukan kapasitor dengan persegi panjang di antara pelat (pelat kuarsa), dan dengan tulisan “ZQ” atau “Z”.

Seringkali penyebab rusaknya resonator kuarsa adalah jatuhnya atau benturan keras pada perangkat tempatnya dipasang, sehingga resonator tersebut perlu diganti dengan yang baru dengan frekuensi resonansi yang sama. Kerusakan seperti ini biasa terjadi pada perangkat berukuran kecil yang mudah terjatuh. Namun, menurut statistik, kerusakan pada resonator kuarsa seperti itu sangat jarang terjadi, dan lebih sering kerusakan perangkat disebabkan oleh alasan lain.

Untuk memeriksa kemudahan servis resonator kuarsa, Anda dapat memasang probe kecil yang akan membantu tidak hanya memverifikasi fungsi resonator, tetapi juga melihat frekuensi resonansinya. Rangkaian probe adalah rangkaian osilator kristal transistor tunggal yang khas.

Setelah menyalakan resonator antara basis dan minus (Anda dapat menggunakannya melalui kapasitor pelindung jika terjadi korsleting pada resonator), yang tersisa hanyalah mengukur frekuensi resonansi dengan pengukur frekuensi. Rangkaian ini juga cocok untuk rangkaian osilasi pra-tuning.

Ketika rangkaian dihidupkan, resonator yang berfungsi akan berkontribusi pada pembangkitan osilasi, dan tegangan bolak-balik dapat diamati pada emitor transistor, yang frekuensinya akan sesuai dengan frekuensi resonansi utama resonator kuarsa yang diuji.

Dengan menghubungkan pengukur frekuensi ke keluaran probe, pengguna dapat mengamati frekuensi resonansi ini. Jika frekuensinya stabil, jika pemanasan kecil pada resonator dengan besi solder tidak menyebabkan penyimpangan frekuensi yang kuat, maka resonator tersebut berfungsi. Jika tidak ada pembangkitan, atau frekuensinya mengambang atau ternyata benar-benar berbeda dari yang seharusnya untuk komponen yang diuji, maka resonatornya rusak dan harus diganti.

Probe ini juga cocok untuk pra-penyetelan rangkaian osilasi, dalam hal ini, kapasitor C1 diperlukan, meskipun saat memeriksa resonator, kapasitor tersebut dapat dikeluarkan dari rangkaian. Rangkaian ini hanya dihubungkan sebagai pengganti resonator, dan rangkaian mulai menghasilkan osilasi dengan cara yang sama.

Probe yang dirakit menurut rangkaian di atas bekerja sangat baik pada frekuensi 15 hingga 20 MHz. Untuk rentang lainnya, Anda selalu dapat mencari diagram sirkuit di Internet, untungnya ada banyak, baik pada komponen diskrit maupun pada sirkuit mikro.