Oscylatory kwarcowe - czym są i jak działają?

Z pozoru możemy nie zdawać sobie z tego sprawy, jednak znaczna część urządzeń elektronicznych nie byłaby w stanie funkcjonować bez możliwości dokładnego pomiaru czasu. Pozwalają im na to niewielkie i niedrogie, jednak niezwykle istotne rezonatory kwarcowe. W tym artykule zapoznamy was z grupą komponentów, dzięki którym działają niemal wszystkie dzisiejsze zegary, mikroprocesory oraz szeroki zbiór innych urządzeń.

Dlaczego wynalezienie oscylatora kwarcowego było rewolucją?

Wraz z wynalezieniem komunikacji radiowej końcem XIX wieku pojawiła się potrzeba precyzyjnego kontrolowania częstotliwości pracy nadajników i odbiorników. Dzięki niej urządzenia mogły sprawnie przesyłać między sobą informacje, nie zakłócając przy tym innych pobliskich urządzeń. Pierwotne radia i telegrafy bezprzewodowe wykorzystywały w tym celu obwody LC, czyli układy rezonansowe złożone z cewki i kondensatora. Układy te cechowały się jednak małą stabilnością - mogły stosunkowo łatwo ulec rozstrojeniu, np. pod wpływem zmiany temperatury. Powodowało to poważne problemy, między innymi interferencje między sąsiadującymi kanałami radiowymi oraz konieczność częstego dostrajania odbiorników. [caption id="attachment_74287" align="aligncenter" width="1200"] Schemat rezonatora LC. Jego częstotliwość zależna jest od pojemności kondensatora oraz indukcyjności cewki.[/caption] Rezonatory oparte o kryształy krzemu zostały opracowane już w latach dwudziestych minionego wieku. Ze względu na dużo wyższą stabilność częstotliwości szybko stały się standardem w ówczesnej radiotechnice. Były one również swego czasu najdokładniejszymi urządzeniami do odmierzania czasu, aż do momentu wynalezienia zegara atomowego. Początkowo rezonatory kwarcowe wytwarzane były z kryształów pochodzenia naturalnego. Rosnące zapotrzebowanie na ten surowiec, szczególnie w okresie II wojny światowej, zapoczątkowało badania nad wytwarzaniem syntetycznego kwarcu. Opracowanie metody hydrotermalnej w latach 50. pozwoliło na hodowlę kryształów kwarcu w masowych ilościach. Obecnie praktycznie wszystkie kryształy stosowane w elektronice są tworzone syntetycznie.

Jak działa oscylator kwarcowy?

Rezonator kwarcowy wykorzystuje właściwości piezoelektryczne kryształu kwarcu. Zjawisko piezoelektryczne polega na pojawianiu się ładunku elektrycznego na powierzchni kryształu pod wpływem naprężeń, a także odwrotnie - jego odkształceniu pod wpływem napięcia elektrycznego. Kryształy w oscylatorach wyposażone są w cienkie elektrody, napylone bezpośrednio na ich powierzchni. Dzięki nim drgania kryształu mogą być z łatwością przenoszone w postaci sygnału elektrycznego i vice versa. Oscylatorem kwarcowym nazywamy rezonator wraz z układem pobudzającym i podtrzymującym jego drgania. W chwili uruchomienia oscylatora, kryształ, pobudzony sygnałem elektrycznym wprawiony jest w drgania - moment ten można porównać z uderzeniem w widełki kamertonu. Z uwagi na ściśle określoną częstotliwość rezonansową, kryształ działa jak filtr środkowoprzepustowy - zachowuje oscylacje zbliżone do tej częstotliwości, tłumiąc wszystkie inne. Częstotliwość ta zależna jest od kilku czynników - między innymi kształtu kryształu (np. płytka, dysk lub widełki), jego wielkości oraz sposobu, w jaki rozchodzą się w nim drgania. [caption id="attachment_74290" align="aligncenter" width="1200"] Wnętrze rezonatora kwarcowego. Widoczny jest kryształ krzemu w kształcie dysku wraz z doprowadzonymi do niego elektrodami.[/caption] Sygnał z elektrod drgającego kryształu wzmacniany jest przez układ oscylatora, a następnie podawany z powrotem do kryształu - zachodzi dodatnie sprzężenie zwrotne. Z każdym cyklem drgania stają się coraz silniejsze, aż po jakimś czasie układ stabilizuje się. Na wyjściu oscylatora otrzymujemy wówczas stabilny sygnał o przebiegu zbliżonym zazwyczaj do prostokątnego, który może być wykorzystany np. jako sygnał taktujący.

Gdzie stosuje się rezonatory kwarcowe?

Kryształy o niewielkiej częstotliwości najczęściej wykorzystywane są w zegarach czasu rzeczywistego (RTC). Znaleźć je można w niemal wszystkich współczesnych zegarach elektronicznych i cyfrowych, w tym także w zegarkach na rękę. Powszechnie przyjętym standardem w kwarcach zegarkowych jest częstotliwość 32,768kHz. Najczęściej spotyka się je w cylindrycznych obudowach z montażem przewlekanym, jednak występują także zdecydowanie mniejsze odmiany montowane powierzchniowo. Najczęściej spotyka się rezonatory i generatory kwarcowe o częstotliwości z zakresu od kilku do kilkudziesięciu MHz. Znajdują one powszechne zastosowanie w elektronice cyfrowej - służą do generowania sygnałów taktujących dla mikroprocesorów, interfejsów oraz układów komunikacji bezprzewodowej. Oscylatory kwarcowe znaleźć można w niemal wszystkich urządzeniach, które do swojego działania potrzebują dokładnego pomiaru czasu lub częstotliwości. [caption id="attachment_74292" align="aligncenter" width="1200"] Widoczny na zdjęciu kwarc Q3 o częstotliwości 12MHz odpowiada za taktowanie mikrokontrolera STM32. Dodatkowy kwarc Q2 jest elementem układu zegara czasu rzeczywistego.[/caption] Kolejną grupę stanowią rezonatory SAW (Surface Acoustic Wave), których zakres częstotliwości sięga od kilkudziesięciu MHz nawet do kilku GHz. Stosowane są przede wszystkim w komunikacji radiowej, w celu stabilizacji częstotliwości oraz jako filtry o wysokiej efektywności. Podobnie jak w przypadku innych rezonatorów kwarcowych, cechuje je wysoka dokładność i stabilność częstotliwości przy stosunkowo niewielkich kosztach. Pojedynczy rezonator SAW umożliwia precyzyjny dobór częstotliwości pracy nadajnika lub odbiornika, nie pozwala jednak na jakąkolwiek regulację tej częstotliwości. Dzięki temu doskonale sprawdzają się one w niedrogich urządzeniach zdalnego sterowania, między innymi pilotach do bram, systemów alarmowych czy też innych urządzeń użytku domowego. Spotyka się je także w urządzeniach radiowych operujących w paśmie ISM oraz odbiornikach telewizyjnych. Przyjrzyjmy się przykładowi rezonatora SAW — oferowanego przez nas WTL2Y36723PZ o częstotliwości 433,92 MHz. Jest to efektywne rozwiązanie dedykowane dla pilotów zdalnego sterowania - pozwala na stworzenie prostego i niedrogiego nadajnika lub odbiornika radiowego z użyciem niewielkiej liczby komponentów. W poniższej tabeli przedstawiamy najważniejsze parametry rezonatora WTL2Y36723PZ:

Symbol	WTL2Y36723PZ
Rodzaj	Rezonator SAW
Częstotliwość	433,92MHz ±75kHz
Montaż	SMD
Obudowa	3.2×2.5mm
Zakres temperatur pracy	-40°C÷+85°C

Zachęcamy do zapoznania się z szeroką ofertą rezonatorów kwarcowych i filtrów ceramicznych firmy InterElcom, a w razie jakichkolwiek pytań — do skorzystania z formularza kontaktowego.