Piesoresonaator

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search

Piesoresonaator ehk piesoelektriline resonaator on piesoelektrilistel nähtustel põhinev elektromehaaniline resonaator. Piesoresonaatori tuntuim liik on kvartsresonaator, mille lähtematerjaliks on looduslik kvartskristall. Samal otstarbel on laialt kasutusel mitmed muud ferroelektrikud, sealhulgas keraamilised materjalid, millest valmistatakse keraamilisi resonaatoreid.

Piesoresonaator on kristallostsillaatori keskne komponent, mis määrab ostsillaatori väljundsageduse ja hoiab selle stabiilsena.

Kvartsresonaator avatult

Kvartsresonaator[muuda | muuda lähteteksti]

Kvartsresonaator on kvartskristallist kindla nurga all väljalõigatud õhuke ümmargune või ristkülikukujuline plaat, mis on kinnitatud hoidikusse kahe metallplaadi ‒ elektroodi ‒ vahele.

Tööpõhimõte[muuda | muuda lähteteksti]

Võnkumise genereerimine toimub resonaatori resonantsisagedusel elektromehaaniliselt: kristalli elektroodidele rakendatud elektripinge kutsub piesoelektrilise pöördefekti tulemusena esile elektroodide vahekauguse muutumise; kui kristallile väljastpoolt rakendatud elektripinge muutub nulliks (vahelduvvoolu korral läbib pingekõver nulli), taastab kristall oma esialgse kuju, kusjuures kristalli elektroodide vahel tekib elektripinge (nüüd piesoefekti toimel). Kui seda pinget kasutada võimenduslülituses positiivse tagasiside signaalina, saadakse katkematute siinusvõnkumiste generaatorostsillaator, millel on väga suur hüvetegur ja stabiilne võnkesagedus.

Kvartsi oluliseks eeliseks on samuti resonantsisageduse väike sõltuvus temperatuurist ja ajaline stabiilsus. Pikkamööda kristalli omavõnkesagedus siiski veidi muutub; seda omadust nimetatakse vananemiseks. Põhjuseks võib olla näiteks see, et elektroodidest difundeeruvad aatomid kristallivõresse, seda moonutades, ka võib elektroodide surve kristallile nõrgeneda.

Resonaatori resonantsisagedus[muuda | muuda lähteteksti]

Kvartsresonaatori resonantsisagedus on määratud tema mõõtmete ja lõike orientatsiooniga, s.t millise nurga all kristalli x-y-z-telgede suhtes plaat on välja lõigatud. Valmistatakse kvartsresonaatoreid resonantsisagedusega mõnest kilohertsist sadade megahertsideni. Ligikaudu 1 MHz sagedusega kvartsresonaatorid on kõige stabiilsemad.

Kõige levinum on AT-tüüpi lõige, sest sel on hea sageduse ajaline stabiilsus ja lineaarne temperatuurisõltuvus; viimane asjaolu võimaldab rakendada tõhusat temperatuurikompensatsiooni. Samas on seda tüüpi lõiked mõõtmetelt väikesed ning seega tundlikumad väliste füüsiliste mõjude suhtes. Ligilähedaselt sarnasuguse temperatuurisõltuvusega on ka FC- ja SC-lõiked, ent resonaatorid on mehaaniliselt tugevamad.[1] [2]

Resonaatori aseskeem[muuda | muuda lähteteksti]

Kvartsresonaatori elektrilise aseskeem koosneb järgmistest elementidest:

Rtakistus jadavõnkesagedusel.

Resonaator on samaväärne jadavõnkeringiga LCR, millega on rööbiti elektroodide mahtuvus C0. Kuna suhe L/C on suur ja kaotakistus R väike,siis on kvartsgeneraatori hüvetegur väga suur, ulatudes sadade tuhandeteni.

Filtres céramique.jpg Schaltsymbol-Keramikresonator.svg Resonator-Ersatzschaltung.svg Pierce-Oszillatorschaltung-3.png
Keraamiliste resonaatorite pilt, tingmärk (mahtuvusharundiga), resonaatori aseskeem ja keraamilise resonaatoriga ostsillaatori skeem

Keraamiline resonaator[muuda | muuda lähteteksti]

Keraamiline resonaator valmistatakse ferroelektrikust (piesoelektriliste omadustega keraamilisest materjalist) ja kasutatakse nagu kvartsresonaatorit peamiselt kompaktsetes ostsillaatorites. Keraamilised resonaatorid jäävad sageduse täpsuselt ja ka stabiilsuse poolest kvartsresonaatoritest tunduvalt maha, ent on mõõtmeilt väiksemad (SMD-komponendid nt 1,2×3,2 mm), mehaaniliselt tugevamad ja märksa odavamad toota. Resonaatori valmistamisel lisatakse ka võnkesagedust määravad kondensaatorid, mistõttu lihtsustub ostsillaatori skeem. Keraamilised resonaatorid valmistatakse mitmeastmelise termilise ja mehaanilise töötlemise käigus ferromagnetiliste materjalide graanulite peeneks jahvatatud komposiitmaterjalist. Peamised lähtematerjalid on plii-tsirkonaat-titanaadid, plii-magneesium-niobaadid ja kaalium-naatrium-niobaadid koos muude metallide lisanditega.

Resonantsisageduse tolerants jääb etteantud temperatuurivahemikus piiresse ±(0,1‒0,5) %; see on keskmiselt 50 korda suurem kui kvartsresonaatoril. Resonantsisagedus ajaliseks muutuseks annavad tootjad ±0,3 % 10 aasta jooksul.

Piesoresonaatori ajaloost[muuda | muuda lähteteksti]

Piesoelektrilised omadused teatud materjalide puhul avastas 1880. aastal Jacques ja Pierre Curie. Esimese maailmasõja ajal uurisid Paul Langevin ja Constantin Chilowski kvartsi võnkeomadusi allveelaevu tuvastava sonari väljatöötamiseks. 1917. aastal ehitas Alexander M. Nicholson, kes töötas Belli Laboratooriumides, esimese kristalli sisaldava ostsillaatori, milles oli kasutusel Rochelle'i soola kristalli.[3] Neli aastat hiljem valmistas Walter Guyton Cady, esimese kvartskristallostsillaatori[4]

Aastal 1926 hakati kvartskristalle kasutama raadiosaatjates. 1928. a. töötas Warren Marrison välja esimese kvartskella. Sellest ajast hakati aja arvestamisel toetuma kvartskristalli vibratsioonile, mis tagas suure täpsuse (viga 33 millisekundit aastas ehk 1 sekund 30 aasta jooksul).

1969. aastal tõi Jaapani kellatootja Seiko turule esimese kvartskäekella, mis küll ei osutunud kuigi populaarseks peamiselt kalli hinna tõttu (see oli võrdne auto hinnaga). Sellegipoolest märkis IEEE selle ära ühe olulisema saavutusena elektro- ja elektroonikatehnika vallas.[5]

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. "Fundamentals Of Crystal Oscillator Design". Kasutatud 09.12.2013. Inglise keeles.
  2. "Kristallostsillaator". Kasutatud 09.12.2013. Eesti keeles.
  3. Nicholson, Alexander M. "Generating and transmitting electric currents". US Patent No. 2212845. Online patent database, US Patent and Trademark Office. , filed April 10, 1918, granted August 27, 1940
  4. Marrison, Warren (1948). "The Evolution of the Quartz Crystal Clock". Bell System Technical Journal (AT&T) 27: 510–588. 
  5. Nimekiri IEEE poolt määratud ajaloolistest verstapostidest