CO JE TO KRYSTAL.

Jistě jste již mnohokrát narazili na výraz “KRYSTAL“, pardon, nemá to nic společného s krystalkou, i když je to součástka také často používaná ve vysokofrekvenční technice. Takže si o tom povíme něco bližšího.

Krystaly, také zvané křemenné krystalové výbrusy, jsou malé destičky, vyříznuté a vybroušené z čistého křemene. Samy jsou tlusté řádově desetiny milimetru až několik milimetrů, nejčastěji kruhového nebo čtvercového tvaru, velikosti od několika milimetrů v průměru nebo délce strany, až do několika centimetrů.

Jestliže se taková destička vloží mezi dvě kovové elektrody, na které se přivede střídavé napětí, projeví se piezoelektrické vlastnosti výbrusu a krystal začne kmitat. Je-li kmitočet tohoto napětí blízký mechanické rezonanci krystalu, tedy kmitočtu který je dán rozměry krystalu, nastane velmi intenzivní kmitání přesně na rezonančním kmitočtu. Rezonanční kmitočet krystalu tedy závisí na jeho geometrických rozměrech a na tzv. ose, podle níž se krystal vybrušuje.

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, neboť hrozí poškození krystalu a pronikavé snížení Q takto upraveného krystalu. K doladění celého obvodu se používá také paralelní kondenzátor s proměnnou kapacitou (trimr).

Náhradní schéma krystalu

Protože rozměry krystalového výbrusu jsou konstantní a materiál – křemen má velmi stálé vlastnosti které se změnou teploty mění jen velmi nepatrně, udržuje krystalový výbrus svůj kmitočet velmi přesně. Jakost obvodu s křemenným krystalem je neobyčejně dobrá a hodnota činitele Q je řádu desetitisíců. Důležitou hodnotou u krystalu je přesnost jeho nastavení, která označuje, s jakou tolerancí se krystal vybrousí. Bývá to hodnota 10^-4 až 10^-5. Krystal má kromě svých vlastních rezonančních kmitočtů (paralelní a sériová rezonance – obě leží velmi blízko u sebe, viz obrázek), ještě rezonance parazitní. U dobrého krystalu jsou tyto parazitní rezonance co možná vzdáleny od hlavních.

           

Závislost impedance krystalu na kmitočtu.

Impedanční charakteristika na obrázku vykazuje dva lokální extrémy impedance. Při kmitočtu f_s je nejmenší, při kmitočtu f_p, který je o málo větší než f_s je největší. Při kmitočtech vyšších než f_p je dochází ke zmenšení impedance. Je tedy zřejmé, že na kmitočtu f_s a v jeho okolí má rezonátor analogické vlastnosti se sériovým rezonačním obvodem a na kmitočtu f_p a v jeho okolí analogické vlastnosti s obvodem paralelním.

Krystal v obvodu oscilátoru.

Nejčastěji se krystal používá pro stabilní oscilátory, kdy se zapojí místo laděného obvodu LC. Vzhledem k uvedeným vlastnostem krystalu je kmitočet tohoto oscilátoru neobyčejně stálý, běžně lze dosáhnout stability asi Δf / f = (1 až 10) * 10^-6 / °C. Oscilátory řízené krystalem se tedy používají jako kmitočtové normály. K zvláštním účelům, např. pro měřicí kmitočtové normály s velkou přesností, se stálost kmitočtu ještě dále zvětšuje tím, že se krystalový výbrus umísťuje do zvláštního pouzdra se stálou teplotou, tzv. termostatu, takže stálost jeho kmitočtu vzroste ještě o 1 až 2 řády.

Jiným častým použitím krystalu je jeho zapojení v rezonančních, velmi jakostních obvodech. Bylo již uvedeno, že činitel jakosti obvodů s krystaly je neobyčejně vysoký. Zařadíme-li krystal např. do obvodu mezifrekvence, vzroste neobyčejně výrazně selektivnost tohoto obvodu. Takové základní zapojení je na následujícím obrázku, kde je i příslušná rezonanční křivka tohoto obvodu s krystalem. Šířka propouštěného pásma je řádu asi 100 až 3 000 Hz a lze ji nastavit proměnou kapacitou v obvodu.

Zapojení krystalu v obvodu mezifrekvence.

Rezonanční křivka tohoto obvodu.

Jelikož oblast použití krystalových rezonátorů jako filtrů je velice obsáhlá, bude tomuto tématu věnován zvláštní článek.