Ressonadores de quartzo: finalidade, aplicação, princípio de ação, características de uso

Para que servem os ressonadores de quartzo?

A eletrônica digital moderna, completa com microprocessadores e microcontroladores, é simplesmente impensável sem oscilações do relógio. E onde são obtidas as oscilações do relógio, existe o funcionamento do gerador e do sistema oscilante, e onde está o sistema oscilante, tanto o fenômeno de ressonância quanto um parâmetro tão importante como o fator de qualidade necessariamente aparecerão. Aqui somos apresentados aos ressonadores de quartzo (osciladores).

O ressonador de quartzo (quartzo) é um gerador de oscilações eletromagnéticas com alto grau de constância de frequência, que utiliza as propriedades piezoelétricas e mecânicas da placa de quartzo.

De acordo com o princípio de operação, um ressonador de quartzo é um oscilador com estabilização de frequência de quartzo. Esses geradores são usados ​​como um gerador mestre altamente estável em equipamentos de medição, padrões de frequência e tempo, relógios de quartzo, bem como em vários equipamentos eletrônicos.

A desvantagem dos ressonadores de quartzo é que eles só podem gerar em frequências fixas determinadas pela frequência de ressonância do quartzo e praticamente não permitem o ajuste de frequência.

Todos os circuitos ressonadores de quartzo são divididos em dois grandes grupos, dependendo de qual ressonância de quartzo (paralela ou série) é usada neles. Os mais difundidos são os circuitos ressonadores de quartzo, nos quais o quartzo opera próximo à sua frequência de ressonância paralela.

Assim, um ressonador de quartzo em um circuito eletrônico é uma alternativa imbatível para qualquer circuito oscilantecomposto por um capacitor e um indutor. A saída é o fator Q mais alto dos ressonadores de quartzo. Enquanto um bom circuito LC atinge um fator Q de 300, o fator Q de um ressonador de quartzo pode atingir até 10.000.000.Como você pode ver, a superioridade é dezenas de milhares de vezes. Assim, nenhum circuito oscilante pode ser comparado a um ressonador de quartzo em termos de fator Q.

Desnecessário dizer sobre o efeito da temperatura na frequência de ressonância. A frequência de ressonância do mesmo circuito oscilante depende fortemente do TKE (coeficiente de capacitância de temperatura) do capacitor que entra nele. O quartzo, por outro lado, tem uma estabilidade de temperatura muito alta, por isso os ressonadores de quartzo mantêm firmemente suas posições como fontes de oscilação para geradores de frequência de relógio para diversos fins.

Como funciona um ressonador de quartzo

Para entender como um ressonador de quartzo funciona e funciona, basta lembrar o que é efeito piezoelétrico… Imagine uma placa de quartzo de baixa temperatura (dióxido de silício) cortada de um cristal de uma certa maneira.O ângulo no qual um wafer é cortado do cristal determina as propriedades eletromecânicas do ressonador sendo produzido. Os eletrodos agora estão presos a esta placa em ambos os lados, depositando camadas de níquel, platina, ouro ou prata, e fios sólidos são presos a eles. Toda a estrutura é colocada em um pequeno alojamento selado.

Assim, foi obtido um sistema eletromecânico oscilante, que possui (devido às características naturais do quartzo de baixa temperatura) um efeito piezoelétrico e possui frequência de ressonância própria.

Se agora uma tensão alternada for aplicada aos eletrodos, cuja frequência é próxima à frequência de ressonância do sistema oscilante resultante, a placa começará a se contrair e expandir mecanicamente com amplitude máxima e, devido ao efeito piezoelétrico, quanto mais próximo quanto maior for a frequência da tensão aplicada à ressonância, menor será a resistência do ressonador. Esta é a analogia de um ressonador de quartzo com um circuito oscilador de alta frequência. O resultado é essencialmente análogo a um circuito LC em série.

Características de um ressonador de quartzo

Um ressonador de quartzo pode ser representado na forma de um circuito equivalente, no qual C0 é a capacitância elétrica de montagem formada pelos suportes de cabos metálicos e eletrodos. C1, L e R são a capacitância, indutância e resistência ativa da placa diretamente com eletrodos, como um análogo de um circuito oscilante real obtido devido às propriedades eletromecânicas da placa.

Se excluirmos a capacitância de montagem C0 do circuito, obteremos explicitamente um circuito oscilante em série.Quanto à designação do ressonador no diagrama, parece um capacitor com um retângulo simbolizando um cristal de quartzo entre as placas.

No processo de montagem e desmontagem de ressonadores de quartzo em placas por soldagem, deve-se lembrar que o superaquecimento do quartzo acima de 573 ° C acarreta a perda das propriedades piezoelétricas do cristal.