Dlaczego oscylatory kwarcowe są stosowane w zegarach zamiast obwodów RLC?

Czas zegarów kwarcowych jest regulowany przez oscylator kwarcowy . Ten kryształowy oscylator skutecznie tworzy obwód RLC. Jeśli tak jest, jakie właściwości ma oscylator kwarcowy, dzięki czemu jest on korzystniejszy niż obwód RLC?

Oscylatory kwarcowe są znacznie dokładniejsze, są małe, mają niskie współczynniki temperaturowe i niskie znoszenie przy niskim koszcie.

Kryształ kwarcu jest mechanicznym rezonatorem o szczególnie stabilnych właściwościach. Kwarc jest bardzo stabilnym materiałem - nie starzeje się ani nie zmienia wiele w zależności od temperatury. Możliwe jest również przygotowanie kwarcu, aby był bardzo czysty i miał spójne właściwości. Kwarc jest również lekko piezoelektryczny - pole elektryczne powoduje ugięcie, a ugięcie wytwarza ładunek elektryczny.

Przy prawidłowym cięciu (przy określonej orientacji w osiach kryształu) i prawidłowym montażu właściwości mechaniczne (zasadniczo sztywność) są niezależne od temperatury. Styki na krysztale oznaczają, że wibracja mechaniczna generuje ładunek elektryczny, a przy prawidłowej konfiguracji (ze wzmacniaczem) cały system można rezonować ze stałą częstotliwością.

Elektrycznie można to modelować jako sieć RLC o podobnych właściwościach. Wartości RLC mogą być zaskakujące - zwykle ułamki fF pojemności i wiele wartości indukcyjności.

Podczas gdy kryształ kwarcu może być modelowany jako obwód RLC, nie jest tak naprawdę.
Cięcie i wymiary kryształu powodują jego rezonans przy określonej częstotliwości, co można znacznie dokładniej określić niż obwód wykonany z dyskretnych R, L i C.

Powodem jest dokładność. W przypadku kondensatorów 2% uważa się za bardzo dobrą tolerancję. Nie jestem pewien co do cewek, ale spodziewam się, że jest podobnie. Rezystory są lepsze niż kondensatory lub cewki indukcyjne, ale nie można zbudować oscylatora z samych rezystorów.

Aby umieścić te liczby w perspektywie: 1% odpowiada 36 sekundom na godzinę lub 14 minutom i 24 sekundom na dzień, co byłaby całkowicie niedopuszczalna dokładność zegara.

Z mojego doświadczenia wynika, że kryształ jest dodany zamiast zastępując elementy RLC z oscylatora. Powodem, dla którego jest „dodawany”, jest podanie i utrzymanie danej częstotliwości dokładniej niż przy użyciu samych składników RLC. Powodem, dla którego kryształ zapewnia większą dokładność, jest to, że można go wytwarzać z „ściślejszymi” tolerancjami niż komponenty RLC i jego właściwości elektryczne o wysokim Q.

Oscylator kwarcowy ma właściwości tanie pod względem złożoności obwodu i ceny jednostkowej, co czyni go korzystniejszym w porównaniu z obwodem RLC. Obwód RLC wymaga więcej części i regulacji. Prawidłowo zaprojektowany i skalibrowany zegar RLC jest tak dokładny jak zegar oscylatora kwarcowego. Chodzi o koszt i rozmiar.