Kristalni oscilator
 Oscilator frekvencije 4 MHz | |
| Tip komponente | elektromehanička |
|---|---|
| Princip rada | piezoelektricitet, rezonancija |
| Izumitelj | Alexander M. Nicholson Walter Guyton Cady |
| Prva proizvodnja | 1918. |
| Pinovi | dva bez polariteta |
| Elektronski simbol | |
 | |
Kristalni oscilator je oscilator koji koristi rezonancu vibrirajućeg kristala od piezoelektričnog materijala, da stvori električni signal sa preciznom frekvencijom.[1] Ova frekvencija se obično koristi za praćenje vremena (kao u kvarcnim ručnim satovima), da obezbedi stabilan signal sata za digitalna integrisana kola, kao i da stabilizuje frekvencije za radio predajnike i prijemnike.
Kristal koji se obično koristi je kvarc. Kvarcni kristali su proizvedeni za frekvencije od nekoliko desetina kiloherca do nekoliko desetina megaherca. Više od dve milijarde kristala se godišnje proizvede. Najviše se koristi za potrošačke uređaje kao što su ručni satovi, satovi, radio aparati, računari i mobilni telefoni. Kvarcni kristali se takođe mogu naći unutar testne i mjerne opreme, kao što su brojači, generatori signala i osciloskopi.
Kristali se često koriste za generisanje određenih učestanosti u elektronskom kolu.[2] Kristali i rezonatori obezbeduju preciznu vremensku bazu za elektronska kola. Kada se koristite sa odgovarajućim oscilatornim kolom, oni generiše niz impulsa, nalik metronomu.[3]
Simbol kristala liči na simbol kondenzatora, sem što se između pločica nalazi pravougaonik.
Piezoelektrični efekt su otkrili Žak i Pjer Kiri 1880. Paul Langevin prvi je ispitao kvarcne rezonatore za upotrebu u sonarima tokom Prvog svetskog rata. Prvi kristalno kontrolisani oscilator, koji je koristio kristal Rošelove soli (KNaC4H4O6·4H2O), napravljen je 1917, a patentirao ga je Aleksandar M. Nikolson iz Bel Telefone Laboratories 1918. godine, iako je njegov prioritet osporio Valter Guiton Kadi. Kadi je napravio prvi kvarcni kristalni oscilator 1921. Drugi rani pronalazači kristalnih oscilatora su G. V. Pierce i Louis Esen.
Do 1926. kvarcne kristali su korišteni za kontrolu frekvencije radio-difuznih stanica i bili su popularni kod amaterskih radio operatora. Voren Marison (Bel Telefone Laboratories) je 1928. razvio prvi kvarcni sat. Ovaj izum je zamenio zapinjaču i klatno, oslanjajući se umesto toga na prirodne vibracije koje nastaju u kvarcnom kristalu kao oscilatoru. Ovo je unaprijedilo tačnost do 1 sekunde u 30 godina. Tokom Drugog svetskog rata kristali su pravljeni od prirodnog kvarcovog kristala, gotovo svi iz Brazila. Nestašice kristala tokom Drugog svetskog rata proizvele su potražnju za preciznom kontrolom frekvencije vojnih i pomorskih radija i radara i podstakle posleratno istraživanje pravljenja sintetičkog kvarca, a od 1950. hidrotermalni proces za pravljenje kvarcnih kristala na komercijalnom nivou je razvijen u Bel Laboratories. Do 1970. praktično svi kristali korišćeni u elektronici su bili sintetički. Iako kristalni oscilatori i dalje najčešće koriste kvarcne kristale, uređaji koji koriste druge materijale su sve češći, kao što su keramički rezonatori.
Kada kristal kvarca iseče se na određenu debljinu, osciluje na određenoj učestalosti. Kristali se koriste u električnim kolima koja se zovu oscilatori, koja generišu električne signale na određenoj frekvenciji.[4] Frekvencija kristala izražava se megahercima (MHz). Kristali imaju dva izvoda za povezivanje sa električnim kolima i mogu se nabaviti u različitim oblicima.[4]
Rezonantna frekvencija zavisi od veličine, oblika, elastičnosti i brzine zvuka u materijalu. Skoro svaki predmet od elastičnog materijala može da se koristi kao kristal, sa odgovarajućim transduktorom, jer svi materijali imaju prirodne rezonantne frekvencije. Na primer, čelik je veoma elastičan i ima veliku brzinu zvuka. Često se koristio u mehaničkim filtrima pre kvarca.
Visoko-frekventni kristali se obično seku u obliku jednostavne, pravougaone ploče. Nisko-frekventni kristali, kao što su oni koji se koriste u digitalnim satovima, obično se seki u obliku zvučne viljuške. Za primjene kad nije potrebna visoka preciznost, jeftiniji keramički rezonator se često koristi umesto kvarcnog kristala.
Kristalove frekvenciske karakteristike zavise od oblika kristala. Kristali u obliku zvučne viljuške obično se sijeku tako da njihova zavisnost frekvencije u odnosu na temperaturu je parabolična kriva centrirana oko 25 °C . To znači da će kristalni oscilatori u obliku zvucne viljuške da rezonuju blizu svoje ciljane frekvencije na sobnoj temperaturi, ali će usporiti kada se temperatura ili povećava ili smanjuje u odnosu na sobnu temperaturu. Za njih su na 32 KHz uobičajni parabolički koeficijenti -0.04 ppm/°C².
U realnom upotrebi, to znači da sat izgrađen korišćenjem regularnog 32 kHz kristala u obliku zvučne viljuške, će zadržati dobro vrijeme na sobnoj temperaturi, izgubiti 2 minuta godišnje na 10 °C iznad (ili ispod) sobne temperature i izgubiti 8 minuta godišnje na 20 °C iznad (ili ispod) sobne temperature, zbog osobina kvarcnog kristala.
- Rohde, Ulrich L. and Wireless Synthesizers: Theory and Design (1997). Microwave. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-52019-1.
- ↑ Laplante, Phillip A. (1999). Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering. US: Springer. ISBN 978-3540648352.
- ↑ Gordon McComb i Earl Boysen, Elektronika za neupućene (str. 97), Beograd, 2007.
- ↑ Gordon McComb i Earl Boysen, Elektronika za neupućene (str. 116), Beograd, 2007.
- ↑ 4,0 4,1 Gordon McComb i Earl Boysen, Elektronika za neupućene (str. 99), Beograd, 2007.
