Kristalltõmmel: skeem, sagedus ja tööprintsiip
Kristallvõnkurid töötavad pöörd-piezoelektrilise efekti põhjal, kus võltsuvoltage, mis on rakendatud kristalli pinna peal, põhjustab selle värinamist oma loomulikul sagedusel. Need värinad lõpuks muutuvad võnkumisteks.
Need võnkurid on tavaliselt valmistatud kvartsikristallist, kuigi muud ained nagu Rochelle sool ja turmalien näitavad ka piezoelektrilist efektivust, sest kvarts on odav, looduslikult saadaval ja mehaaniliselt tugev teiste võrreldes.
Kristallvõnkurites on kristall sobivalt lõigatud ja paigutatud kahe metallplaadi vahel, nagu on näidatud Joonisel 1a, mille elektriline ekvivalent on näidatud Joonisel 1b. Tegelikkuses käitub kristall nagu sarjapäras RLC ring, mis on moodustatud komponentidega
Madalväärtusine vastend RS
Suurväärtusine induktiivsus LS
Väikeväärtusine kapatsiitor CS
mis on paralleelsed selle elektroodide kapatsiitivusega Cp.
Cp-i kohalolu tõttu resonneerib kristall kahe erineva sagedusega, nimelt,
Sarjaresonantsi sagedus, fs mis esineb, kui sarjakapatsiitor CS resonneerib sarjainduktiivsusega LS. Sellel etapil on kristalli impedanss väikseim ja seega tagasiside suurim. Matemaatiline avaldis selle kohta on antud kui
Paralleelresonantsi sagedus, fp mida näitab, kui reaktanss LSCS järg võrdub paraleelkapatsiitori reaktansiga Cp i.e. LS ja CS resonneerivad Cp-ga. Selle hetkel on kristalli impedanss suurim ja seega tagasiside väiksem. Matemaatiliselt see on antud kui
Kapatsiitori käitumine on kapatsiitivne nii all fS kui ka üle fp. Kuid sageduste korral, mis asuvad fS ja fp vahel, on kristalli käitumine induktiivne. Lisaks, kui sagedus saavutab paralleelresonantsi sageduse fp, siis LS ja Cp-i interaktsioon moodustab paralleel LC tankiringi. Seetõttu saab kristalli vaadelda kui sarja- ja paralleelresonantsiringide kombinatsiooni, mille tulemuseks on, et ringi tuleb sintoniseerida ühte neist kahest. Lisaks tuleb märkida, et fp on kõrgem kui fs ning nende lähedus sõltub kasutatava kristalli lõigust ja mõõtudest.
Kristallvõnkurid saab disainida nii, et kristall on ühendatud ringiga, mis pakub madalat impedansti, kui see töötab sarjaresonantsirežiimis (Joonis 2a) ja kõrget impedansti, kui see töötab paralleelresonantsirežiimis (Joonis 2b).
Näidatud ringides moodustavad vastendid R1 ja R2 spikrite jagamisringi, samas kui emiteri vastend RE stabiiliseerib ringi. Lisaks toimib CE (Joonis 2a) AC ümberühenduskapatsiitorina, samas kui ühenduskapatsiitor CC (Joonis 2a) blokeerib DC signaali levikut kollekteri ja baastrüülile.
Seejärel moodustavad kapatsiitorid C1 ja C2 kapatsiitivse spikrite jagamisringi Joonisel 2b. Lisaks on ringides (nii Joonisel 2a kui ka 2b) ka Raadiofrekventsi keel (RFC), mis pakub kahte eelist, sest see annab ka DC biasi ning vabastab ringi väljundit võrkujate AC signaalide mõjust.
Kui võnkurile andatakse võimu, siis ringi võnkumiste amplituud suureneb, kuni punktini, kus mitte-lineaarsused võimsustajás vähendavad silmi ringi võimsust ühikuks.
Jõudes tasakaalu olekusse, mõjutab tagasiside tsüklis olev kristall oluliselt ringi töötab sagedust. Lisaks korrigeeritakse siin sagedus selliselt, et kristall näitaks ringile reaktanssi, mis rahuldab Barkhausen'i faasi nõuet.
Üldiselt on kristallvõnkurite sagedus fikseeritud kristalli põhisageduse või karakteristikusageduseks, mis sõltub kristalli füüsilisest suurusest ja kuju.
Kuid kui kristall ei ole paralleelne või on mitte-unikaalne paksus, võib see resoneerida mitmes sageduses, mille tulemuseks on harmooniad.
Lisaks saab kristallvõnkureid sintoniseerida kas paaritu või paaritu harmoonikasse põhisagedusest, mida vastavalt nimetatakse Harmonikute ja Ülemtoonide Võnkuriteks.
Selle näiteks on juht, kus kristalli paralleelresonantsi sagedus väheneb või suureneb, kui kristalli peale lisatakse kapatsiitor või induktiivsus.
Kristallvõnkurite tavaline töövahemik on 40 kHz kuni 100 MHz, kus madalsagedusvõnkurid on disainitud OpAmpide abil, samas kui kõrgsagedusvõnkurid on disainitud transistorite (BJTsid või FETsid) abil.
Ringi poolt genereeritud võnkumiste sagedus määratakse kristalli sarjaresonantsi sagedusega ja seda ei mõjuta varustuse pingevaheldused, transistoriparametrid jne. Tulemuseks on kristallvõnkurid, mis näitavad kõrget Q-faktorit ja suurepärast sageduse stabiilsust, mis muudab need sobivaks kõrgsageduse rakenduste jaoks.
Kuid tuleb hoolitseda, et kristalli ajastataks optimaalse võimsusega. See on selle tõttu, et kui kristallile edastatakse liiga palju võimu, võivad kristallis aktiveeruda parasitäärresonantsid, mis viivad ebastabiilse resonaantsi sageduse juurde.
Lisaks võib selle tulemuseks olla ka tema väljundsignaali vormingu häirimine, sest tema faasinäitaja suurendub. Samuti võib see viia seadme (kristalli) hävitamiseni ülekuumenemise tõttu.
Kristallvõnkurid on kompaktsed ja odavad, seetõttu kasutatakse neid laialdaselt elektronilistes sõdade süsteemides, kommunikatsioonisüsteemides, juhibüsteemides, mikroprotsessorites, mikrokontrollerites, kosmosesse jälgimissüsteemides, mõõteseadmetes, meditsiinilistes seadmetes, arvutites, digitaalsüsteemides, instrumenteerimises, fazilukustusüsteemides, modemides, andurites, kiirgustingidetes, mereandurites, telekommunikatsioonis, mootorijuhibüsteemides, kellades, maailma positsioneerimissüsteemides (GPS), kaabeltelevisioonisüsteemides, videokaamerates, mänguasjades, videomängudes, raadiosüsteemides, mobiiltelefonides, aeglustes jne.
