نوسانگرهای کریستالی چیست؟
نوسانگرهای کریستالی مداری از نوع نوسان ساز الکتریکی است که فرکانس خود را با استفاده از تشدید کننده پیزوالکتریک تعیین می کند. اصطلاح “کریستال” اغلب در الکترونیک برای اشاره به کریستال کوارتز یا ویفر سرامیکی استفاده می شود که به عنوان عنصر تعیین کننده فرکانس عمل می کند و الکترودهایی به آن متصل است. تشدید کننده پیزوالکتریک نام مناسب تری برای آن است. فیلترهای کریستالی نمونه ای از مدارهای الکتریکی هستند که از کریستال ها استفاده می کنند. تشدید کننده های پیزوالکتریک به عنوان قطعات جداگانه برای استفاده در مدارهای نوسان ساز کریستالی در دسترس هستند.
پایداری فرکانس یک کریستال تحت تأثیر عملکرد مداوم است. فرکانس آن گاهی اوقات تغییر می کند. در زیر متغیرهای اولیه ای هستند که بر فرکانس نوسانگر تأثیر می گذارند:
۱.سازگاری در دما
۲.تغییرات در مقاومت خروجی یا بار
مقادیر مقاومت، خازن و اندوکتانس در نوسانگرهای RC و LC با دما تغییر می‌کند و فرکانس تأثیرگذار است. استفاده از کریستال های پیزوالکتریک در اسیلاتورها به حل این مشکل کمک می کند.
اسیلاتورهایی با ثبات فرکانسی عالی از مدارهای تشدید موازی با استفاده از کریستال های پیزوالکتریک استفاده می کنند. اسیلاتورهای کریستالی نامی است که به این گونه نوسانگرها داده شده است.
نوسانگرهای کریستالی چگونه کار می کند؟
یک ماده کریستالی دارای مولکول‌ها، اتم‌ها یا یون‌های اجزای آن است که در یک الگوی منظم و تکرار شونده مرتب شده‌اند که هر سه بعد فضایی را در بر می‌گیرد.
از آنجایی که همه چیز دارای فرکانس تشدید طبیعی ارتعاش است، تقریباً هر جسم الاستیکی می تواند به عنوان یک کریستال در صورت مجهز شدن به مبدل های مناسب استفاده شود. برای مثال فولاد سرعت صدای بالایی دارد و کاملا فنری است. قبل از کوارتز، به طور منظم در فیلترهای مکانیکی استفاده می شد. اندازه، فرم، خاصیت ارتجاعی و سرعت انتشار صدا همگی بر فرکانس تشدید یک ماده تأثیر می‌گذارند. به طور معمول، یک دیسک مستطیلی یا دایره ای پایه برای برش کریستال های فرکانس بالا استفاده می شود. معمولاً کریستال‌های فرکانس پایین به شکل چنگال تنظیم در دستگاه‌هایی مانند ساعت‌های دیجیتال استفاده می‌شوند. یک تشدید کننده سرامیکی ارزان اغلب به جای کریستال کوارتز برای کاربردهایی که نیاز به زمان بسیار دقیقی ندارند استفاده می شود.
یک کریستال کوارتز که به طور مناسب نصب و بریده شده است می تواند در میدان الکتریکی با عبور ولتاژ از روی الکترود روی کریستال یا نزدیک آن خم شود. پیزوالکتریک معکوس یا برق گرفتگی دو عبارت برای این مشخصه هستند. کوارتز پس از از بین رفتن ناحیه، یک میدان الکتریکی تولید می کند که شکل اصلی خود را به خود می گیرد و این می تواند ولتاژ تولید کند. در نتیجه، یک کریستال کوارتز مانند یک مدار RLC عمل می کند که از یک خازن، سلف و مقاومت تشکیل شده و دارای فرکانس تشدید ثابت است.
علاوه بر این، کوارتز دارای مزایای ثابت الاستیک و تغییرات اندازه است که امکان وابستگی فرکانس بسیار پایین به دما را فراهم می کند. کیفیت های خاص تحت تأثیر حالت ارتعاش و زاویه برش کوارتز قرار دارند. در نتیجه، فرکانس تشدید صفحه، بسته به اندازه آن، به طور قابل توجهی تغییر نمی کند. این بدان معناست که یک نوسان ساز کوارتز، فیلتر یا ساعت دقت خود را حفظ می کند. نوسان ساز کوارتز در ظرفی با دمای کنترل شده به نام کوره کریستالی برای کاربردهای حساس نصب می شود. همچنین می توان آن را در بالای ضربه گیرها نصب کرد تا از ارتعاشات مکانیکی خارجی محافظت کند.
ساختارها و مواد کریستالی
۱. کوارتز
کوارتز ماده ای است که بیشتر برای ساخت نوسانگرهای کریستالی استفاده می شود. بلورهای طبیعی کوارتز در آغاز توسعه فناوری مورد استفاده قرار گرفتند. با این حال، کوارتز کریستالی مصنوعی تولید شده با استفاده از سنتز هیدروترمال به دلیل خالص‌تر، ارزان‌تر و آسان‌تر بودن، محبوبیت پیدا کرده است. مبدل‌های فشار چاه عمیق چند کاربرد عملی برای کریستال‌های طبیعی هستند. ایالات متحده در طول جنگ جهانی دوم و مدتی پس از آن کوارتز طبیعی را به عنوان یک ماده معدنی استراتژیک در نظر گرفت. واردات برزیل از کریستال های بزرگ انجام شد.
۲. ثبات
Q کریستال ثبات فرکانس را تعیین می کند. یک رابطه معکوس بین فرکانس و ثابت وابسته به برش خاص وجود دارد. عناصر اضافی که بر کریستال Q تاثیر می گذارند درجه حرارت، هندسه کریستال، الکترودهای متصل و … می باشد.
۳. درجه حرارت
فرکانس کار تحت تأثیر دما است. چندین تکنیک جبرانی، از جمله جبران آنالوگ (TCXO)، جبران میکروکنترلر (MCXO) و تثبیت دما با کوره کریستالی (OCXO) استفاده می‌شود. کریستال ها دارای هیسترزیس دما هستند که باعث می شود فرکانس در دمای معینی که با افزایش دما به دست می آید با فرکانس در همان دمایی که با کاهش دما به دست می آید متفاوت باشد.
برش تا حد زیادی حساسیت دما را تعیین می کند. برای کاهش وابستگی به دما/فرکانس، برش‌های جبران‌شده دما ترجیح داده می‌شوند. برش های ویژه با ویژگی های دمای خطی را می توان ایجاد کرد. دماسنج های کوارتز از برش LC استفاده می کنند. سایر جنبه‌های تأثیرگذار عبارتند از رنگ به کار گرفته شده، ناخالصی‌های کریستال، سرعت تغییر دما، کرنش مکانیکی، تاریخچه حرارتی (به دلیل هیسترزیس)، شکل کریستال، تابش یونیزان، نصب و الکترودها، و سطح درایو.
کریستال ها اغلب در رابطه بین مقاومت، دما و فرکانس، ناهنجاری های کاهش فعالیت را تجربه می کنند. مقدار خازن‌های بار بر موقعیت دمایی این فرکانس‌های کوچک رو به پایین یا حرکت‌های مقاومت رو به بالا که در دماهای خاص محدود می‌شوند، تأثیر می‌گذارد.
۴. استرس مکانیکی
- استرس مکانیکی تأثیر مشابهی بر فرکانس دارد. برخی از دلایل متعددی که می توانند بر این کریستال ها فشار وارد کنند در زیر ذکر شده است.
- تنش های حرارتی تفاضلی ناشی از یک گرادیان دما
- انبساط حرارتی دیفرانسیل نصب
- تبدیل فشار هوا به فشار محیط در داخل محفظه کریستالی
- انبساط یا انقباض مواد چسبنده در طول پخت
- تنش های خود شبکه کریستالی و فشار هوا که به فشار محیط در داخل محفظه کریستال تبدیل می شود، همگی عواملی در پیوند (رشد غیر یکنواخت) هستند.
لرزش ها، شوک ها و نویز صوتی متغیرهای دیگری هستند که باعث ایجاد استرس پویا می شوند. برش جبران شده استرس یکی از نمونه های برشی است که کمتر در معرض عوامل استرس زا قرار دارد. تغییرات در فشار اتمسفر همچنین می تواند باعث تغییر شکل در محفظه شود که خازن های سرگردان را تغییر داده و فرکانس را تحت تأثیر قرار می دهد.
رطوبت اتمسفر با اجازه دادن به مولکول های آب برای انتشار در ساختار پلاستیک ها بر هدایت حرارتی و الکتریکی هوا و همچنین خواص الکتریکی پلاستیک ها تأثیر می گذارد.
امپدانس بار، ولتاژ منبع تغذیه، میدان های مغناطیسی و الکتریکی (در مورد برش های حساس مانند برش های SC)، وجود و دوز جذبی ذرات و تشعشعات یونیزان و سن کریستال عوامل دیگری هستند که بر فرکانس تأثیر می گذارند.
نتیجه گیری
درک نوسانگرهای کریستالی ساده ترین موضوع نیست. این در درجه اول به دلیل بسیاری از انواع متمایز نوسانگر کریستالی است که هر کدام هدف خاصی را انجام می دهند و وظایف مختلفی را به روش های مختلف انجام می دهند. این عمدتاً به این دلیل است که کاربردهای تقریباً نامحدودی وجود دارد. نوسانگرهای کریستالی کاربردهای مختلفی دارند، از جمله ارتباطات نظامی و دفاعی، مخابراتی و ماهواره ای در فضا.
هنگام انتخاب و خرید کریستال در اصفهان، پیدا کردن یک توزیع کننده قابل اعتماد مهم است. شما می خواهید تامین کننده ای را انتخاب کنید که سابقه خوبی داشته باشد و قابل اعتماد باشد. نیما الکترونیک با سابقه ای درخشان خدمات فروش کریستال اورجینال را به مشتریان ارائه می دهد.
در صورت تمایل به هرگونه اطلاعات یا مشاوره بیشتر در مورد خرید کریستال الکترونیکی یا هر نوع دیگر از اجزا و لوازم جانبی کنترل مدار، لطفاً با تیم پشتیبانی نیما الکترونیک از طریق تلفن یا ایمیل تماس بگیرید.