Кристалл кварца нашел широкое научно-техническое применение благодаря превосходным механическим и электрическим свойствам. При обычных температурах (ниже 573 °С) и давлениях кристаллы кварца имеют так называемую α-модификацию и относятся к кристаллам, имеющим тригональную систему строения. Кристалл кварца имеет оптическую неполярную ось Z, три полярные

Оси кристалла кварца

электрические оси симметрии Х под углами 120° и три соответственно перпендикулярные к ним механические полярные оси Y (на верхнем рисунке показано по одной оси X и Y). Каждая из полярных осей Х пересекает противоположные, но неравнозначные рёбра шестигранной призмы кристалла. Под полярной осью кристалла понимают прямую, проведённую через кристалл, оба конца которой неравноценны. Иными словами, при повороте кристалла на 180° вокруг любой оси, перпендикулярной к полярной, он не совмещается сам с собой. В случае с кварцем совпадение может происходить при повороте на 120°.

Устройство и принцип работы кварцевого резонатора.

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.

Р езонатор — (от лат. Resono — звучу в ответ, откликаюсь) — это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать,

Кварцевые резонаторы

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.

Возбуждение колебаний в ПЭ осуществляется электрическим полем, создаваемым с помощью электродов резонатора, подключённых к внешней схеме генератора с источником питания. Форма, расположение и ориентация электродов относительно осей кристалла определяют вид возбуждаемых колебаний и их интенсивность.

Примеры конструкций кварцевых резонаторов.

Колебания сжатия-растяжения и сдвига могут быть возбуждены однородным электрическим полем, создаваемым двумя симметрично расположенными на теле ПЭ электродами. Для эффективного возбуждения колебаний изгиба и кручения необходимо создание неоднородного поля, имеющего противоположные направления в разных половинах ПЭ. При этом возникают противоположные деформации сжатия-растяжения или сдвига, совокупное действие которых вызывает и

Условное графическое отображение. Типы кварцевых резонаторов.

згиб или кручение. В радиотехнике при создании источников стабильной частоты в основном применяют кварцевые резонаторы с колебаниями сдвига по толщине, как наиболее высокодобротные и высокочастотные по сравнению с кварцевыми резонаторами с другими видами колебаний. При разработке конструкций толщинно-сдвиговых резонаторов следует исключать возможность возникновения других видов колебаний. Для повышения добротности и уменьшения потерь энергии механических колебаний в местах крепления ПЭ в кварцедержателе по периметру кварцевой пластины делают фаску или придают пластине линзообразную форму. В высокодобротных резонаторах иногда для отделения центральной колеблющейся части ПЭ от используемой для крепления периферийной части формируют концентрические глухие или сквозные канавки. Электрическое соединение электродов с выводами резонатора через арматуру кварцедержателя производят электропроводным клеем, упругими контактами, пайкой. Качество данного электрического соединения влияет на добротность резонатора. Вакуумированные резонаторы с откачанным из-под кожуха воздухом имеют более высокую добротность, чем газонаполненные. Помимо металлических корпусов широко применяют стеклянные, в последнее время для поверхностного монтажа применяют корпуса с керамическим основанием.

Кварцевые резонаторы можно разделить на несколько типов.

По типу корпуса:

Для объемной установки (цилиндрические и стандартные).

Для поверхностного монтажа.

По материалу корпуса:

Металлические.

Стеклянные.

Пластиковые.

По форме корпуса:

Круглые.

Прямоугольные.

Цилиндрические.

Плоские.

По количеству резонансных систем:

Одинарные.

Двойные.

По защите корпуса:

Герметичные.

Негерметизированные.

Вакуумные.

По назначению:

Фильтровые.

Генераторные.

Эквивалентные параметры кварцевого резонатора.

Эквивалентная электрическая схема позволяет рассматривать теоретические вопросы работы кварцевого резонатора как элемента внешней электрической цепи изолированно от самого кристалла (механического объекта) и решать технические задачи, в которых используется кварцевый резонатор, обычными методами, применимыми к линейным электрическим цепям.

Когда частота приложенного к пьезорезонатору переменного напряжения изменяется вблизи резонансной частоты упругих колебаний, наблюдается значительное резонансное изменение их амплитуды и, как следствие, такое же резонансное изменение амплитуды тока во внешней цепи. На резонансной частоте амплитуда тока во внешней цепи становится максимальной. Поэтому пьезоэлектрический резонатор, включенный в электрическую цепь, эквивалентен последовательному колебательному контуру.

К онденсатор С0 отображает наличие не связанной с пьезоэффектом ёмкости, которой обладают электроды, нанесённые на пьезоэлемент, проводники, соединяющие электроды с внешней цепью и кристаллодержатель. Ёмкость C0, называется параллельной или шунтирующей емкостью и имеет типичную величину порядка единиц пФ. Ёмкость С, индуктивность L и резистор R являются параметрами колебательного контура, эквивалентного кварцевому резонатору. Эти три величины называют динамическими параметрами кварцевого резонатора.

Динамическое сопротивление R – параметр, характеризующий энергетические потери в колебательном контуре. Динамическое сопротивление кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты резонанса, номера гармоники и ряда конструктивных факторов.

Динамическая индуктивность L – параметр, характеризующий эквивалент массы в колебательном контуре. Динамическая индуктивность кварцевых резонаторов изменяется в интервале от тысяч Гн для резонаторов низких частот до нескольких мГн для высокочастотных резонаторов.

Параметры кварцевых резонаторов.

Частота резонатора, кГц	Эквивалентные параметры резонаторов
	L, Гн	R, кОм	С, пФ
4 5 6 9 14 20 25 30 40 60 150 300 500 800 1500 2000 3000	25000-120000 15000-60000 10000-45000 4000-25000 1000-15000 800-10000 500-5000 400-4000 200-2000 20-1000 10-300 6-100 5-90 1-45 0,3-6 0,09-2,5 0,02-1	3-100 2-80 2-60 1,5-40 1,5-20 1-10 0,8-8 0,5-7 0,4-5 0,3-5 0,05-2 0,07-2 0,04-1,5 0,02-3 0,01-0,4 0,007-0,3 0,005-0,1	25 25 25 25 25 20 17 17 15 25 120 80 50 30 12 15 10

Диапазон частот резонатора.

Диапазон частот резонатора, МГц	Эквивалентные параметры резонаторы
	L, Гн	R, кОм
0,75-1 1-1,5 1,5-2 2-3 3-5 5-10 10-15 15-20 20-100	1-45 1-45 0,3-6 0,09-2,5 0,02-1 0,003-0,35 0,02-0,04 0,002-0,04 0,001-0,35	1,3 0,6 0,4 0,3 0,1 0,08 0,05 0,2 0,2