Krystal (elektronika)

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Krystaly pro různé kmitočty
Krystaly pro různé kmitočty

Krystal je pasivní elektronická součástka používaná v elektronických obvodech jako rezonátor s velmi přesnou a stabilní rezonanční frekvencí. Používá se zpravidla v přesných oscilátorech například v digtálních hodinách a hodinkách, pro taktování procesorů v počítačích a dalších zařízeních spotřební elektroniky.


Obsah

[editovat] Princip činnosti

Některé krystalické látky vykazují piezoelektrický jev. Ten se projevuje tak, že při mechanickém namáhání krystalu ve správném směru se na něm (zpravidla v kolmém směru) objeví elektrické napětí a naopak po přiložení elektrického napětí se krystal mechanicky zdeformuje.

Krystalový výbrus pro ohybové kmity a krystal po otevření pouzdra
Krystalový výbrus pro ohybové kmity a krystal po otevření pouzdra

Jestliže z takové látky vyrobíme tenkou destičku, opatříme ji elektrodami a na ně přiložíme střídavé napětí, destička se rozkmitá. Kmity destičky budou nejsilnější, pokud najdeme kmitočet na kterém destička mechanicky rezonuje. Mechanická rezonance destičky se promítá i do elektrických parametrů součástky, takže z pohledu obvodu, ve kterém je zapojen, se krystal chová jako velmi kvalitní elektrický rezonanční obvod.

[editovat] Náhradní schéma

Náhradní schéma krystalového rezonátoru.
Náhradní schéma krystalového rezonátoru.

Krystalový výbrus má několik rezonančních kmitočtů. Jednotlivým z nich odpovídají sériové rezonanční obvody C1, L1, R1 až Cn, Ln, Rn. Kapacita C0 odpovídá kapacitě mezi elektrodami na výbrusu a její velikost je typicky kolem 10 pF.

Pokud uvažujeme jeden konkrétní rezonanční kmitočet krystalu, můžeme schéma zjednodušit pouze na C0 a jeden rezonanční obvod C1, L1, R1.

Hodnoty součástek C1, L1, R1 se pohybují v širokém rozmezí, podle typu výbrusu a zvoleného rezonančního kmitočtu.

Každá rezonance krystalu má svůj sériový ωs a paralelní ωp úhlový kmitočet, (tzv. rezonanci a antirezonanci). Vypočítají se podle vztahů:

\omega_s = \frac{1}{\sqrt{LC}}

a

\omega_p = \sqrt{\frac{1}{\sqrt{LC}}\left( 1 +  \frac{C}{C_0}\right)}

Protože kapacita C0 je výrazně větší než C1, leží oba rezonanční kmitočty těsně vedle sebe. V oblasti mezi rezonancemi krystal pro obvod představuje na kmitočtu závislou indukčnost, mimo tuto oblast pak na kmitočtu závislou kapacitu.

[editovat] Technologie výroby

Krystal křemene (klencová krystalická soustava) s naznačeným jedním typem výbrusu.
Krystal křemene (klencová krystalická soustava) s naznačeným jedním typem výbrusu.

Krystalové rezonátory se vyrábějí téměř výlučně z krystalu křemene SiO2, protože dosahuje vynikajících elektrických parametrů a dlouhodobé časové i teplotní stability rezonančního kmitočtu.

Z krystalu křemene se v přesně určených směrech řežou a přesně vybrušují tenké destičky. Směr řezu a rozměry destiček určují typy rezonancí, kterých výbrus může dosáhnout a jejich rezonanční kmitočty.

Na přesný výbrus se pak napaří tenké stříbrné nebo zlaté elektrody jejichž tvar je závislý na požadovaném typu rezonance. Na tyto elektrody se vhodným způsobem nakontaktují vývody a krystal se uzavře do kovového pouzdra.

Krystaly se speciálními požadavky na stabilitu bývají uzavřeny do speciálního evakuovaného pouzdra nebo se umisťují do termostatu, aby kmitočet nebyl závislý na teplotě.

[editovat] Přesné doladění krystalu

Typy kmitů krystalových výbrusů
Typy kmitů krystalových výbrusů

Ačkoliv se krystal vyrábějí s širokém sortimentu hodnot a s vysokou přesností, může v případě některých malosériových nebo kusových konstrukcí vzniknout potřeba změnit jejich parametry. V malém rozsahu se k tomu používá technika jódování, spočívající ve snížení rezonanční frekvence systému krystal-elektroda-vývod difúzí jódových par do stříbrného polepu. Opačný postup, spočívající ve zvýšení rezonanční frekvence škrábáním stříbrné metalizace se již nepoužívá pro riziko, spočívající v možnosti poškození krystalu a v pronikavém snížení Q takto upraveného krystalu.