A | B | C | D | E | F | G | H | CH | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
A kristályoszcillátor egy elektronikus oszcillátor, melynek működési alapja a piezoelektromos jelenség (piezoelektromosság).
A mechanikus rezgések frekvenciává alakulnak át a kristályban. A kristályoszcillátort pontos és stabil frekvencia előállítására használják (digitális órák, számítógépek órajele, rádióadók/vevők, stb.). A legáltalánosabban használt piezoelektromos rezonátor a kvarckristály, de más piezoelektromos anyagok is alkalmazhatók, mint például a polikristályos kerámiák.[1]
Kvarckristályokat néhány kilohertztől több megahertzes frekvenciára készítenek. Több mint 2 milliárd kristályt készítenek évente karórákba, órákba, mobiltelefonokba, számítógépekbe, rádiókba. Kvarckristályok részei a műszereknek, mint például, oszcilloszkópok, számolók, jelgenerátorok, mérőkészülékek.
Története
A piezoelektromosságot Jacques és Pierre Curie fedezte fel 1880-ban. Első ismert felhasználása szonárokban volt, az I. világháború idején. Az első kristályvezérelt oszcillátort 1917-ben építették nátrium-kálium-tartarátból, mely szintén piezoelektromos tulajdonsággal rendelkezik, 1918-ban szabadalmaztatta Bell Telephone Laboratories. Az elsőbbség vita tárgya volt. Az első kvarckristályvezérelt oszcillátort 1921-ben készítették az USA-ban.[2] 1920 és 1930 között nagystabilitású referencia órajelnek használták elsődlegesen, 1926-ban rádióadók frekvenciastabilizátorainál kezdték alkalmazni, valamint rádióamatőrök használták. A kristályvezérelt oszcillátor kezdte kiszorítani a korábban használatos mechanikus ütemgenerátokat (pörgettyű). A kvarckristály lett a világ legpontosabb és stabilabb időreferenciája (30 év alatt 1 másodperc eltérés),[3] egészen az atomórák megjelenéséig, melyet az 1950-es években készítettek először.
A II. világháború idején a kristályokat Brazíliából szerezték be, ezek természetes kvarckristályok voltak. A háború alatt megnövekedett igényeket nem tudták kielégíteni (rádiók, radarok), ezért intenzív kutatásba fogtak mesterséges kristályok előállítására. A Bell Laboratories mesterséges kristályokat fejlesztett ki az 50-es években hidrotermális eljárással. Az 1970-es évekre már kizárólag szintetikus kristályok voltak forgalomban.[4][5] A kristály-oszcillátorok még általánosan használt eszközök, de terjednek a kerámiarezonátorok is.
Működés
A kristályok olyan szilárd anyagok, amelyekben az atomok, molekulák szabályos rendben, a tér mindhárom irányában ismétlődő minta szerint helyezkednek el, a térrácsot háromdimenziós elemi cellák hozzák létre. Elvileg majdnem minden elasztikus anyag használható lenne rezonáns frekvencia előállítására. A rezonáns frekvencia az anyag alakjától, méretétől és elaszticitásától függ. Nagyfrekvenciás kristályokat derékszögletes lapkákra vágják, a kisfrekvenciás kristályok alakja inkább a hangvillára hasonlít. Gyakran helyettesítik a kristályokat olcsó kerámiarezonátorokkal. A kvarckristályokkal elő lehet állítani a piezoelektromosság jelenségét. Ilyenkor a kristály úgy viselkedik, mint egy RLC áramkör (ellenállás, induktivitás és kapacitásból álló áramkör). A kvarckristályok további pozitív tulajdonsága, hogy megfelelő előállítás esetén igen alacsony a hőmérsékletfüggésük. Kritikus alkalmazásoknál, a kristályt tartalmazó eszközt hőmérséklet stabilizátor eszközzel tartják állandó hőmérsékleten, ilyen például a kristálykályha.
Elektromos modell
A kvarckristály modellezhető, mint egy elektronikus áramkör, soros kis impedanciával és nagy párhuzamos impedanciával. Matematikailag:
Ahol
s a komplex frekvencia (),
, a soros rezonáns frekvencia radián/sec-ben kifejezve,
, a párhuzamos rezonancia frekvenciája,
A soros és párhuzamos rezonáns frekvencia szorosan egymás mellett van.
Ha egy kapacitást párhuzamosan kapcsolunk a kristállyal, akkor a párhuzamos rezonancia lefele változik.Ez lehetővé teszi, a frekvencia szabályozását. A kristálygyártók úgy gyártják a kristályokat, hogy azok egy adott frekvencián működjenek.
Rezonancia módok
A kvarc kristályok soros és párhuzamos rezonancián működnek. 30 MHz alatt a soros és párhuzamos rezonancia között működnek, mely induktív reaktanciát jelent. Járulékos kapacitás csökkenti a frekvenciát. 30 MHz felett általában soros rezonancián működnek, ahol az impedancia a minimumon van, és egyenlő a soros ellenállással. Ezeknél a kristályoknál a soros ellenállás kisebb, mint 100 ohm, és ezt specifikálják a kapacitás helyett. Ha felharmonikust akarnak előállítani, akkor járulékos LC áramkört kell alkalmazni.
Hőmérsékletfüggés
A kristályok frekvenciakarakterisztikája a kialakított formától függ. A hangvillás kristályt úgy vágják, hogy a rezonancia közel szobahőmérsékleten működjön, és csökkenjen a hőmérséklet változásával. Egy általános együttható egy 32 kHz-es hangvilla típusú kristálynál: −0,04 ppm/°C².
Ez azt jelenti, hogy ez a típusú kristály (parabolikus karakterisztikával) szobahőmérsékleten jól tartja a frekvenciát, és 10 fokkal magasabb hőmérsékleten évi 2 percet késik, és 8 percet veszít 20 fokkal magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékleten.
Elektronikus oszcillátor
A kristályvezérelt oszcillátor áramkör fenntartja az oszcillációt, ha feszültséget kap a rezonátortól, majd ezt erősíti, és visszacsatolja a rezonátorba. A frekvenciát alapjában a kristály szerkezete határozza meg. A kristályvezérelt áramkör visszacsatolás révén állítja be stabilan a frekvenciát, és a keskeny sávszélesség miatt kiszűri a nemkívánt felharmonikusokat. A kimenő frekvencia az alapvető rezonáns érték vagy annak többszöröse.
30 MHz felett úgy tervezik a kristályt, hogy a harmadik, ötödik, vagy hetedik felharmonikus legyen a kimenő frekvencia. Ennek az az oka, hogy igen nehéz 30 MHz feletti kristályt készíteni.[6][7][8][9][10]
Az egyik fő ok, hogy széles körben alkalmaznak kristály-oszcillátorokat, az a magas jósági tényezőjük (Jósági tényező (rezgőkör), Q faktor). A tipikus Q érték 104 - 106, összehasonlítva az LC oszcillátorral, aminek csak 102 a jósági tényezője. A maximális elérhető Q érték: Q = 1,6 × 107/f, ahol f a rezonancia-frekvencia MHz-ben.
Az egyik fontos jellemzője a kvarckristály oszcillátortoknak, hogy igen alacsony fázis-zajuk van. Sok oszcillátor különböző fázisú jeleket is produkál, melyek zavaróak lehetnek. Ez a jó tulajdonság teszi a kvarckristály oszcillátorokat keresetté a távközlési eszközökben, ahol stabil jelre van szükség, és a tudományos műszereknél, ahol precíz időjelre van szükség.
A különböző környezeti hatások befolyásolhatják az alapvető rezonáns frekvenciát, de ennek kiküszöbölésére speciális áramkörök léteznek. Ilyenek a TCXO, MCXO, és OCXO típusú oszcillátor áramkörök.
Öregedés és más környezeti tényezők miatt a legjobb oszcillátorok sem tudnak 10−10 értéknél stabilabb frekvenciát produkálni. Ez általában nem okoz gondot a legtöbb alkalmazásnál, de vannak olyan alkalmazások is, ahol ez számít. Ezért fejlesztették ki az atomórákat, ahol a stabilitás 10−14 körül van.
A kristály-oszcillátorok kimenetén előfordulhatnak álfrekvenciák, ezeket speciális áramkörökkel lehet korlátozni. A kristály-oszcillátorok a bekapcsolás után néhány másodperccel üzemképesek. A kályha-vezérelt OXCO-nál 3-10 percre van szükség a stabil működés eléréséig. A kristályoknak nincs belső meghibásodási mechanizmusa, általában hosszú évekig működhetnek. Az előforduló hibák a csatlakozó áramköröknél lehetségesek, illetve a környezeti körülmények megváltozása miatt. Az öregedés csökkentésére mesterséges öregedés alá vetik a kristályokat, mely 85–125 Celsius-fokon történő hosszabb tárolást jelent.
Általánosan használt oszcillátor frekvenciák
Ilyenek a 3,579545 MHz, 4,433619 MHz, 10 MHz, 11,0592 MHz, 14,318182 MHz, 17,734475 MHz, 20 MHz, 33,33 MHz, és a 40 MHz. A 3,579545 MHz elterjedésének az oka, az NTSC rendszerű színes TV vevők. Természetesen frekvencia osztókkal, sokszorozókkal, fáziszárt hurkokkal, elő lehet állítani tetszőleges frekvenciákat is, ahol a stabilitást a kvarckristály oszcillátor adja.[11]
Számítógépes video képernyőknél a 14,318182 MHz terjedt el. Az IBM PC is ezt a frekvenciát használta. A 11,059 MHz az RS232 típusú átvitelnél szabványos. Kristályokat változatos frekvencia értékekre készítenek néhány kilohertztől, több száz MHz-ig. Hibás tervezés tönkremenést okozhat, de ez így van minden más eszköznél is. A 32,768 KHz frekvenciát órákban használják. Innen származik az úgynevezett "óra kvarc" elnevezés.
Kristály-oszcillátor típusok
- ATCXO — Analog temperature controlled crystal oscillator (Analóg hőmérséklet kompenzált CO)
- CDXO — Calibrated dual crystal oscillator (Kalibrált duális CO)
- DTCXO — Digital temperature compensated crystal oscillator (Digitálisan kompenzált CO)
- EMXO — Evacuated miniature crystal oscillator (Kiürített miniatűr OC)
- GPSDO — Global positioning system disciplined oscillator (GPS-re tervezett OC)
- MCXO — Microcomputer-compensated crystal oscillator (Mikroszámítógép kompenzált OC)
- OCVCXO — Oven-controlled voltage-controlled crystal oscillator (Kályha vezérelt - feszültség vezérelt OC)
- OCXO — Oven-controlled crystal oscillator (Kályha vezérelt OC)
- RbXO — Rubídium crystal oscillators (Rubídium vezérelt OC)
- TCVCXO — Temperature-compensated voltage-controlled crystal oscillator (Hőmérséklet kompenzált, feszültség vezérelt OC)
- TCXO — Temperature-compensated crystal oscillator (Hőmérséklet kompenzált, OC)
- TMXO – Tactical miniature crystal oscillator (Taktikai miniatűr OC)
- TSXO — Temperature-sensing crystal oscillator (Hőmérséklet érzékelő OC)
- VCTCXO — Voltage-controlled temperature-compensated crystal oscillator (Feszültség vezérelt – hőmérséklet kompenzált OC)
- VCXO — Voltage-controlled crystal oscillator (Feszültség vezérelt OC)
Irodalom
- Hainzmann János, Varga Sándor,- Zoltai József: Elektronikus áramkörök. (hely nélkül): Nemzeti Tankönyvkiadó. 2000. ISBN 9789631911367
Kapcsolódó szócikkek
Források
- ↑ Archivált másolat. . (Hozzáférés: 2013. január 10.)
- ↑ http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=1537392&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F10315%2F32748%2F01537392.pdf%3Farnumber%3D1537392
- ↑ Marrison, Warren (1948). "The Evolution of the Quartz Crystal Clock". Bell System Technical Journal (AT&T) 27: 510–588. http://www.ieee-uffc.org/main/history.asp?file=marrison Archiválva 2011. július 17-i dátummal a Wayback Machine-ben
- ↑ http://www.ndk.com/catalog/AN-SQC_GG_e.pdf
- ↑ http://www.roditi.com/SingleCrystal/Quartz/Hydrothermal_Growth.html
- ↑ Quartz Crystal Theory of Operation and Design Notes. foxonline.com
- ↑ Specifying Quartz Crystals Archiválva 2012. augusztus 22-i dátummal a Wayback Machine-ben. Maxim-ic.com (2001-11-19). Hozzáférés ideje: 2012-06-21.
- ↑ Crystal selection. pletronics.com. Hozzáférés ideje: 2012-06-21.
- ↑ "Crystal Specification" Archiválva 2013. július 28-i dátummal a Wayback Machine-ben. Euroquartz.co.uk. Hozzáférés ideje: 2012-06-21.
- ↑ "Quartz Crystal Application Notes" Archiválva 2015. június 23-i dátummal a Wayback Machine-ben. Beckwithelectronics.com. Hozzáférés ideje: 2012-06-21.
- ↑ Archivált másolat. . (Hozzáférés: 2013. január 10.)
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.
Analóg multiméterek túlterhelés elleni védelme
Egyenáram
Egyenáram mérése
Egyenirányítós lengőtekercses műszer
Elektromágnes (fizika)
Elektromos feszültség
Elektromos térerősség
Fáziseltolódás
Fázismutató
Fajlagos ellenállás
Feszültséggenerátor
Feszültségváltó
Forgó mágneses tér
Háromfázisú hálózat
Hőelektromosság
Hatásos ellenállás
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.