Jak działa Kryształ?

W szczególności 2-pinowy i 4-pinowy oscylator kwarcowy.

Co wiem: prąd jest przyłożony, a kryształ oscyluje w celu zapewnienia sygnału oscylacyjnego.

Co chcę wiedzieć: w jaki sposób wibracja powoduje oscylujący prąd? Czym różnią się kryształy 2 / 4pin? Wreszcie, dlaczego 4-pin może działać sam, a 2-pin potrzebuje kondensatorów.

Do urządzenia z dwóch kołków nie są oscylatory są rezonatory (kryształy), który może być stosowany w obwodzie oscylatora (takich jak Pierce oscillato R), a jeśli stosuje się z odpowiednim obwodem drga na (lub blisko) zaznaczony częstotliwość . Przedstawiony poniżej obwód oscylatora Pierce wykorzystuje dwa kondensatory (kondensatory obciążające, C1 / C2), kryształ (X1) i wzmacniacz (U1).

Do urządzenia z czterema kołkami są kompletne układy tym rezonator i aktywnym obwodem, że oscylacji. Wymagają mocy i generują falę prostokątną lub sinusoidalną z (lub blisko) zaznaczonej częstotliwości.

Istnieją również rezonatory (ceramiczne) z trzema pinami, które działają jak kryształy z kondensatorami.

Sposób działania kryształów (i rezonatorów ceramicznych) polega na tym, że są one wykonane z materiału piezoelektrycznego, który wytwarza napięcie, gdy są zniekształcone. Przyłożone napięcie spowoduje zniekształcenie kształtu. Kryształ ma kształt, który rezonuje fizycznie (jak kamerton lub talerz) na pożądanej częstotliwości. Oznacza to, że kryształ będzie działał jak filtr - kiedy zastosujesz pożądaną częstotliwość, będzie ona wyglądać jak wysoka impedancja, gdy zacznie wibrować, a dla częstotliwości nieco innych będzie bardziej stratna. Po umieszczeniu w obwodzie sprzężenia zwrotnego wzmacniacza oscylacja będzie się utrzymywać. O wiele więcej i trochę matematyki tutaj .

Jeśli myślisz o krysztale jako o małym dzwonku, łatwo zrozumieć, jak uderzenie go małym małym młotkiem zabrzmiałoby czystym tonem, tak jak duży dzwonek, gdybyś uderzył w duży dzwon małym młot.

Dokładnie tak działa kryształ, ale sztuczka polega na tym, że jest wykonany z materiału piezoelektrycznego , który wytwarza energię elektryczną po uderzeniu i zmienia kształt, gdy uderzysz ją elektrycznością.

Aby stale wytwarzać czysty dźwięk przypominający dzwonek, jest on podłączony do wzmacniacza, który działa tak, jakby ktoś popychał cię na huśtawce, dzięki czemu gdy tylko przekroczysz szczyt jednego z huśtawek, naciskasz upewnij się, że wróciłeś na następny.

Piezoelektryczna natura kryształu powoduje jego zmianę kształtu, gdy wyjście wzmacniacza „popycha” go sygnałem elektrycznym, a następnie, gdy wzmacniacz puszcza, kryształ odskakuje z powrotem i generuje własny sygnał, który mówi „popchnij mnie” i wysyła na wejściu wzmacniacza we właściwym momencie, aby wzmacniacz wygenerował kolejne naciśnięcie i zregenerował cykl na zawsze.

Co powoduje, że kryształ zaczyna oscylować?

Hałas.

Wszędzie słychać hałas i to jest jak zilliony małych młotków uderzających przez cały czas.

Część tego szumu uderza w kryształ, a kiedy jest podłączony do wzmacniacza i zaczyna trochę dzwonić z uderzeń hałasu, wzmacniacz pobiera sygnał elektryczny z fizycznego tonu dzwonka (częstotliwości) kryształu, buduje go i wysyła z powrotem do kryształu. To sprawia, że ​​kryształ zmienia kształt jeszcze bardziej, wysyłając większy sygnał z powrotem do wzmacniacza, gdy kształt kryształu odskakuje, dopóki system nie oscyluje w sposób ciągły i nie jest stabilny.

Kryształ sam nie oscyluje. Nie tylko przykładasz moc i pozbywasz się oscylacji. Pomyśl o krysztale jako o bardzo dokładnym i ostrym filtrze częstotliwości. Umieszczasz go na ścieżce sprzężenia zwrotnego wzmacniacza we właściwy sposób, co powoduje, że obwód oscyluje z częstotliwością rezonansową kryształu. To obwód powoduje oscylacje. Kryształ zabija wszystkie częstotliwości z wyjątkiem tej, dla której jest dostrojony, co pozwala tylko na wystarczające ogólne wzmocnienie pętli, aby obwód mógł oscylować przy częstotliwości kryształu.

Kryształy poniżej ich częstotliwości rezonansowej wydają się głównie pojemnościowe. Powyżej częstotliwości rezonansowej wydają się one głównie indukcyjne. Przy częstotliwości rezonansowej wydają się głównie rezystancyjne.

Ponownie narysuj oscylator Pierce trzy razy, zastępując kryształ jednym z tych elementów. Może ci pomóc zrozumieć, jak to działa.

Równoległe kryształy rezonansowe są faktycznie określone nieco poniżej częstotliwości podstawowej. To sprawia, że ​​kryształ wydaje się nieco pojemnościowy przy określonej częstotliwości. Dodatkowa pojemność dodaje trochę dodatkowego przesunięcia fazowego, aby pomóc w uruchomieniu i pracy oscylatora.

Wejście wzmacniacza widzi większy sygnał w pobliżu podstawy kryształu (rezystancyjny, zwykle poniżej 100 Ohm ESR). Mniejsze sygnały o niskiej częstotliwości są zmniejszone lub zablokowane, więc sygnał o częstotliwości podstawowej staje się silniejszy (po wzmocnieniu) i dominuje.

Popchnij kogoś na huśtawce. Bez względu na to, jak bardzo się starasz, huśtawka naprawdę będzie poruszać się tylko w przód i w tył z pewną podstawową częstotliwością.

Wyobraź sobie kryształ jako powierzchnię wody. Teraz wysyłaj fale (fale) po tej powierzchni. Fale poruszają powierzchnię w górę i w dół, skutecznie wyginając powierzchnię. Kryształ również zgina się, gdy wibruje.

Zgięcie może być spowodowane przez przyłożenie pola elektrycznego do kryształu kwarcu, ale również samo zgięcie tworzy przeciwne pole elektryczne w sieci krystalicznej. W spoczynku siły te są zrównoważone, a kryształ nie ma ładunku.

Co łatwiej wibrować ręką: linijka 12 x 1 cala lub sklejka o wymiarach 6 x 4 stopy? Oczywiście mniejsza linijka może wibrować szybciej!

Kryształy są takie same. Ich wymiary określają ich częstotliwość rezonansową; mniejsze i / lub cieńsze kryształy wibrują szybciej. To także ogranicza podstawową częstotliwość kryształu: kryształy stają się zbyt małe lub zbyt cienkie, aby można je było precyzyjnie przetworzyć przez obróbkę mechaniczną lub trawienie chemiczne przy wyższych częstotliwościach.

Przy naprawdę niskich częstotliwościach kryształy stają się tak duże lub grube, że potrzeba zbyt dużej mocy, aby je zgiąć; stąd konstrukcja kryształu kamertonowego jest stosowana do kryształów taktowania niskiej częstotliwości 32,768 kHz.

Kryształy mogą faktycznie oscylować z więcej niż jedną częstotliwością. Są to podteksty wielokrotności fundamentu, ale wydają się być słabsze od fundamentu. Możliwe jest zaprojektowanie obwodu, który spowoduje oscylację kryształu w wydźwięku, zwykle trzecim lub piątym. Zazwyczaj kryształy powyżej 40 MHz są zaprojektowane na 3 lub 5 ton, a nie podstawowe, więc uważnie przeczytaj specyfikację przed zakupem!