Spis treści:
Křemenné rezonátory jsou součástky používané v elektronice k udržení přesnosti měření času.
Křemenné rezonátory - co to je?
Každé hodinky a počítač obsahují křemenný rezonátor. Jedná se o součástku, která se v elektronice používá k vytváření rovnoměrné frekvence kmitání. Díky němu je možné přesně měřit čas pro různé účely – jak v náramkových hodinkách pro informaci uživatele, tak v počítačích pro synchronizaci digitálních signálů.
V elektronice se k podobným účelům někdy používají tzv. diskrétní obvody, které využívají kondenzátory, rezistory a tranzistory. Je třeba si uvědomit, že takové řešení dává mnohem horší výsledky při změnách teploty, vlhkosti nebo prostě hodnoty parametrů napájení.
Generátory používané pro hodiny nebo v procesorech musí vykazovat mnohem větší stabilitu a odolnost vůči vnějším podmínkám. Quartzové generátory se vyznačují těmito vlastnostmi.
Další typy rezonátorů
Keramické rezonátory se používají také v elektronice. Stojí za zmínku, že mají mnohem nižší přesnost, a proto se v procesorech a hodinách nepoužívají. Přesnost je přibližně o dva řády PPM (Parts Per Million) nižší ve srovnání s křemennými rezonátory. Přibližná přesnost keramického generátoru by tedy byla přibližně 0,5 %. Takové generátory se používají například v hračkách nebo jiných zařízeních, která nevyžadují vysokou přesnost.
Dalším příkladem generátorů jsou křemíkové rezonátory – ani ty nejsou stabilní, ale jejich velkou výhodou je, že lze snadno naprogramovat frekvenci, na které budou kmitat.
Jak funguje křemenný rezonátor?
Z pohledu elektronika je křemenný rezonátor obvykle malá součástka se dvěma, třemi nebo čtyřmi vývody, která je schopna generovat stejné oscilace s vysokou přesností. Uvnitř pláště těchto generátorů se totiž nachází velmi pečlivě vyříznutý kus křemene (oxidu křemičitého). Vysoká přesnost je v tomto případě klíčová, protože specifická frekvence vibrací závisí právě na velikosti a tvaru řezaného křemenného prvku. Ten může oscilovat v rozmezí několika desítek kHz až několika set MHz.
Na obou koncích vzniklého kusu křemene se prvek “napráší” kovem a v těchto místech se vytvoří vodiče. Křemen začne kmitat, když je pod napětím. Ty se však vždy liší od frekvencí, jako je sekunda nebo minuta.
Standardní křemenný rezonátor používaný v hodinkách generuje frekvenci 32 768 Hz. Právě taková hodnota je výhodná, protože po vhodném rozdělení takových častých kmitů z nich snadno vznikne čas jedné sekundy.
Vysoce přesné křemenné rezonátory aneb jak maximalizovat přesnost
Vysoká přesnost křemenných rezonátorů používaných v hodinách nebo procesorech není vrcholem toho, čeho lze dosáhnout. Větší přesnost obvykle není potřeba, ale lze jí dosáhnout. Křemenné rezonátory mají vysokou odolnost vůči změnám okolní teploty, která však má zanedbatelný vliv na frekvenci vibrací. V případě potřeby jsou vytvořeny speciální nádoby, ve kterých je udržována elektronicky řízená konstantní teplota.
Dalším faktorem, který destabilizuje rezonátor, je změna polohy – ta má na frekvenci malý vliv, ale přesto je natolik významná, že její odstranění zlepšuje výkon generátoru. Rezonátor je umístěn například na plošině, ke které je připevněn akcelerometr nebo gyroskop (nebo obojí současně). Kromě toho musí být k plošině připojen systém, který v reálném čase anuluje jakékoli změny polohy (například elektromotory, které plošinu ovládají). Tímto způsobem nemají změny gravitace vliv na křemenný rezonátor, takže je mnohem přesnější.
Použití křemenných rezonátorů
Křemenné rezonátory jsou elektronické součástky, které se začaly ve větší míře používat ve 20. letech XX století. V současné době se nejčastěji používají v systému Pierce, méně často v systémech Butler. Elektronici často používají jednoduché křemenné rezonátory, které mají dva vývody z pouzdra, ale nezřídka se používají i pohodlnější modely – ty mají čtyři vývody: napájení, zem, vývod pro výstupní signál a vstup pro signál zapnutí/vypnutí součástky.
Křemenné rezonátory se používají pro různé aplikace – především pro hodiny mikroprocesorů (a proto se nacházejí prakticky v každém počítači) a ve všech druzích hodin. Jsou také nezbytné pro synchronizaci digitálních signálů, jako jsou zvukové signály – to znamená, že jsou nutné pro správnou funkci portu USB nebo HDMI.
