Krystal (elektronika)

Krystal je pasivní elektrotechnická součástka používaná v elektronických obvodech jako rezonátor s velmi přesnou a stabilní rezonanční frekvencí. Používá se jako frekvenční filtr v rádiových přijímačích, v přesných oscilátorech například ve vysílačích, v elektronických hodinách a hodinkách, pro taktování procesorů v počítačích a dalších zařízeních spotřební elektroniky (např. flash disky).

Princip činnosti

Schematická značka piezoelektrického krystalového rezonátoru

Krystalový výbrus pro ohybové kmity a krystal po otevření pouzdra

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 deformuje.

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 frekvenci na které 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.

Náhradní schéma

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

Pokud uvažujeme jednu konkrétní rezonanční frekvenci 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 zvolené rezonanční frekvence.

Každá rezonance krystalu má svou sériovou ω_s a paralelní ω_p úhlovou frekvenci, (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)}}

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

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

Krystalové rezonátory se vyrábějí téměř výlučně z krystalu křemene SiO₂, protože dosahuje vynikajících elektrických parametrů a dlouhodobé časové i teplotní stability rezonanční frekvence. Frekvence kmitání křemenného krystalu se volí nejčastěji 32 768 Hz, protože krystal s touto frekvencí lze vyrobit malý a postupným dělením frekvence dvěma (snadno elektronicky realizovatelným) lze získat frekvenci 1 Hz, tedy 1 puls za sekundu.

Technologie výroby

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 frekvence.

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 frekvence nebyla závislá na teplotě.

Přesné doladění krystalu

Ačkoliv se krystaly 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 - čpavkování, spočívá v odstranění předchozího jódování. Další zvýšení rezonanční frekvence škrábáním nebo odleptáním části stříbrné metalizace je značně riskantní, neboť hrozí poškození krystalu a pronikavé snížení Q takto upraveného krystalu.

K doladění celého obvodu se používá také paralelní kondenzátor s proměnnou kapacitou (trimr).

Odkazy

Související články

Oscilátor

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu krystal na Wikimedia Commons
Český výrobce krystalů a krystalových filtrů
(anglicky)
Introduction to quartz frequency standards
Quartz crystal application notes and matching reports

Literatura

Seznam děl v Souborném katalogu ČR, jejichž autorem nebo tématem je Krystal (elektronika)
J. Zelenka, Piezoelektrické rezonátory a jejich použití. Praha: Academia 1983