المُهتز الكريستالي: الدائرة والتوات والمبادئ الأساسية للعمل

مذبذبات الكريستال تعمل على أساس مبدأ التأثير الكهروضغط العكسي، حيث يؤدي تطبيق فرق جهد متناوب عبر سطحي الكريستال إلى اهتزازه بتردد طبيعي. ويعود السبب في ذلك إلى أن هذه الاهتزازات يتم تحويلها في النهاية إلى موجات متذبذبة.

غالباً ما تكون هذه المذبذبات مصنوعة من كريستال الكوارتز، رغم أن المواد الأخرى مثل ملح روشيل وتورمالين تظهر أيضاً التأثير الكهروضغط، إلا أن الكوارتز يعتبر أقل تكلفة ومتوفر بشكل طبيعي وأقوى ميكانيكياً مقارنة بالمواد الأخرى.

في مذبذبات الكريستال، يتم قطع الكريستال بطريقة مناسبة وتثبيته بين صفحتين معدنيتين كما هو موضح في الشكل 1أ، بينما يظهر المكافئ الكهربائي له في الشكل 1ب. في الواقع، يتصرف الكريستال كدارة RLC متسلسلة، تتكون من المكونات

1. مقاوم ذو قيمة صغيرة RS

2. ملف ذات قيمة كبيرة LS

3. موصل ذات قيمة صغيرة CS

وسيكون هذا المتوازي مع السعة لأقطابه Cp.

بسبب وجود Cp، سيرن الكريستال على ترددان مختلفان وهما:

1. تردد الرنين المتسلسل fs والذي يحدث عندما ترن السعة المتسلسلة CS مع ملف التحريض المتسلسل LS. في هذه المرحلة، سيكون عائق الكريستال الأقل وبالتالي سيكون مقدار التغذية الراجعة أكبر. يمكن كتابة التعبير الرياضي لها كالتالي
   

2. تردد الرنين المتوازي fp والذي يظهر عندما الرد الفعال لـ LSCS يساوي رد فعل الموصل المتوازي Cp أي أن LS و CS تتناغم مع Cp. في هذه اللحظة، سيكون عائق الكريستال الأعلى وبالتالي سيكون التغذية الراجعة الأقل. يمكن كتابة التعبير الرياضي لها كالتالي
   

سيكون سلوك الموصل كموصل كهربائي سواء تحت fS أو فوق fp. ومع ذلك، بالنسبة للترددات التي تقع بين fS وفوق fp، سيكون سلوك الكريستال كملف. بالإضافة إلى ذلك، عندما يصبح التردد مساوياً لتردد الرنين المتوازي fp، فإن التفاعل بين LS و Cp سيشكل دائرة LC متوازية. لذا يمكن اعتبار الكريستال بمثابة تركيب من دائرتي الرنين المتسلسل والمتوازي بسبب الحاجة إلى ضبط الدائرة لأحد هذين الترديدين. بالإضافة إلى ذلك، يجب ملاحظة أن fp سيكون أعلى من fs وأن القرب بينهما سيتم تحديده بواسطة القطع والأبعاد المستخدمة للكريستال.

يمكن تصميم مذبذبات الكريستال عن طريق توصيل الكريستال في الدائرة بحيث يقدم عائقاً منخفضاً عند التشغيل في وضع الرنين المتسلسل (الشكل 2أ) وعائقاً مرتفعاً عند التشغيل في وضع الرنين المتوازي أو ضد الرنين (الشكل 2ب).

في الدوائر المعروضة، المقاومات R1 و R2 تشكل شبكة تقسيم الجهد بينما المقاوم الباعث RE يقوم بإستقرار الدائرة. بالإضافة إلى ذلك، يعمل CE (الشكل 2أ) كموصل AC بينما يستخدم موصل التوصيل CC (الشكل 2أ) لمنع انتشار الإشارة DC بين طرفي الكولكتور والقاعدة.

بعد ذلك، تشكل الموصلات C1 و C2 شبكة تقسيم الجهد السعوية في حالة الشكل 2ب. بالإضافة إلى ذلك، يوجد أيضًا ملف تردد الراديو (RFC) في الدوائر (كلاهما في الشكل 2أ والشكل 2ب) الذي يوفر ميزة مزدوجة حيث أنه يوفر حتى التغذية المباشرة ويحرر خرج الدائرة من التأثر بالإشارة AC على خطوط الطاقة.

عند تزويد المذبذب بالطاقة، تزداد سعة الاهتزازات في الدائرة حتى يصل إلى نقطة يكون فيها اللاخطية في المكبر تقلل من مكسب الحلقة إلى الوحدة.

بعد الوصول إلى حالة الاستقرار، يؤثر الكريستال في حلقة التغذية الراجعة بشكل كبير على تردد الدائرة العاملة. بالإضافة إلى ذلك، سيقوم التردد بتكييف نفسه لتسهيل تقديم الكريستال لممانعة للدائرة بحيث يتم استيفاء متطلبات الطور حسب باركهوزن.

بشكل عام، سيكون تردد مذبذبات الكريستال ثابتًا ليكون تردد الكريستال الأساسي أو المميز الذي سيتم تحديده بواسطة الحجم والشكل المادي للكريستال.

ومع ذلك، إذا كان الكريستال غير متوازي أو غير موحد السمك، فقد يرن على ترددات متعددة، مما يؤدي إلى ظهور التوافقيات.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن ضبط مذبذبات الكريستال على التوافقي الزوجي أو الفردي للتردد الأساسي، والتي تسمى مذبذبات التوافقي والتوافقي الأعلى، على التوالي.

مثال على ذلك هو الحال حيث يتم تقليل أو زيادة تردد الرنين المتوازي للكريستال بإضافة موصل أو ملف عبر الكريستال، على التوالي.

يتراوح نطاق التشغيل النموذجي لمذبذبات الكريستال من 40 كيلوهرتز إلى 100 ميجاهرتز حيث يتم تصميم المذبذبات ذات التردد المنخفض باستخدام مضخمات العمليات بينما يتم تصميم المذبذبات ذات التردد العالي باستخدام المصافي (TBJs أو FETs).

يتم تحديد تردد الاهتزازات المولدة بواسطة الدائرة بواسطة تردد الرنين المتسلسل للكريستال ولن تتأثر بالتغيرات في جهد التغذية أو معلمات المصفوفة وما إلى ذلك. نتيجة لذلك، تظهر مذبذبات الكريستال عامل Q عالي مع استقرار تردد ممتاز، مما يجعلها مناسبة للغاية للتطبيقات ذات التردد العالي.

ومع ذلك، يجب توخي الحذر لتشغيل الكريستال بقوة مثلى فقط. هذا لأن تسليم قوة كبيرة جداً إلى الكريستال قد يؤدي إلى إثارة الرنين الطفيلي في الكريستال مما يؤدي إلى تردد رنين غير مستقر.

بالإضافة إلى ذلك، قد يتعرض موجة الخرج للتشوّه بسبب تدهور أداء الضوضاء الطورية. كما يمكن أن يؤدي ذلك إلى تدمير الجهاز (الكريستال) بسبب ارتفاع درجة الحرارة.

مذبذبات الكريستال صغيرة الحجم ومنخفضة التكلفة بسبب استخدامها الواسع في أنظمة الحرب الإلكترونية وأنظمة الاتصال والتوجيه والميكروبروسسورات والميكروكونترولرز وأنظمة تتبع الفضاء والأجهزة القياسية والأجهزة الطبية والحاسوب والأنظمة الرقمية والأجهزة القياسية وأنظمة التحكم في الطور وأجهزة المودم وأجهزة الاستشعار وأقراص القراءة والأنظمة البحرية والاتصالات وأنظمة التحكم في المحركات والساعات وأنظمة التتبع العالمي GPS وأنظمة التلفزيون الكابل والكاميرات الفيديو والألعاب والأجهزة اللاسلكية وأجهزة الهاتف المحمول والمؤقتات وغيرها.

بيان: احترام الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، وإذا كان هناك انتهاك لحقوق الملكية الفكرية يرجى التواصل لإزالة المحتوى.