Những điều cần biết về thạch anh
1. Thạch anh là gì?
2. Ký hiệu Thạch anh trong mạch điện
3. Nguyên lý hoạt động của Thạch anh
4. Phân loại Thạch anh điện tử
5. Ứng dụng của thạch anh trên thực tế
6. Ưu điểm và nhược điểm của thạch anh
1. Thạch anh là gì?
Thạch anh là một linh kiện điện tử được cấu thành từ SiO2 (Tinh thể thạch anh) được mài phẳng và chính xác. Vai trò chủ yếu của thạch anh là tạo ra các xung dao động. Nó hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện – Khi cho một điện áp vào 2 mặt của thạch anh thì nó sẽ bị biến dạng nhưng ngược lại khi tạo một sức ép lên 2 bề mặt của nó thì nó sẽ phát ra điện áp. Tóm lại, đây là một hiệu ứng có tính thuận nghịch.
2. Ký hiệu Thạch anh trong mạch điện
Trên các sơ đồ và bo mạch thì thạch anh có ký hiệu là XT, OSC, X hoặc Crystal. Còn ký hiệu hình vẽ của thạch anh được thể hiện ở hình ảnh bên dưới.
Trên các sơ đồ và bo mạch thì thạch anh có ký hiệu là XT, OSC, X hoặc Crystal. Còn ký hiệu hình vẽ của thạch anh được thể hiện ở hình ảnh bên dưới.
Các tinh thể thạch anh được làm từ mảnh thạch anh mỏng được gắn chặt và điều chỉnh giữa hai bề mặt kim loại song song. Các bề mặt kim loại được nối điện. Kích thước vật lý và mật độ cũng như độ dày thạch anh được kiểm soát chặt chẽ bởi vì sự thay đổi trong hình dạng và kích thước trực tiếp tác động đến tần số dao động. Khi thạch anh được định hình và kiểm soát, tần số được tạo ra là cố định, tần số cơ bản không thể thay đổi thành các tần số khác.
3. Nguyên lý hoạt động của Thạch anh
Đối với mạch điện xoay chiều thì hoạt động của thạch anh sẽ biến đổi theo tần số của điện áp đó. Còn khi thay đổi một tần số nào đó thì nó sẽ cộng hưởng. Tần số cộng hưởng của thạch anh phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của nó.
Về bản chất, thạch anh có thể coi như một mạch dao động RLC. Trong đó, mạch tương đương của nó bao gồm một L và một C lắp nối tiếp với nhau. Cả cụm này được lắp song song với một C khác và một R cách điện.
Mỗi một tinh thể thạch anh sẽ có 2 loại tần số cộng hưởng đó là tần số cộng hưởng nối tiếp và tần số cộng hưởng song song. Điểm chung của hai loại tần số này là chúng đều có trị số khác bền vững và gần như không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài.
Một đặc điểm nữa về thạch anh đó là nó có hệ số phẩm chất trong mạch cộng hưởng rất lớn nên tổn hao cực nhỏ.
Trên thực tế, thạch anh có khả năng kết hợp được với Transistor, các cổng điện tử hoặc vi xử lý nhằm tạo nên các dao động theo ý muốn về dạng sóng và tần số.
Đối với mạch điện xoay chiều thì hoạt động của thạch anh sẽ biến đổi theo tần số của điện áp đó. Còn khi thay đổi một tần số nào đó thì nó sẽ cộng hưởng. Tần số cộng hưởng của thạch anh phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của nó.
Về bản chất, thạch anh có thể coi như một mạch dao động RLC. Trong đó, mạch tương đương của nó bao gồm một L và một C lắp nối tiếp với nhau. Cả cụm này được lắp song song với một C khác và một R cách điện.
Mỗi một tinh thể thạch anh sẽ có 2 loại tần số cộng hưởng đó là tần số cộng hưởng nối tiếp và tần số cộng hưởng song song. Điểm chung của hai loại tần số này là chúng đều có trị số khác bền vững và gần như không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài.
Một đặc điểm nữa về thạch anh đó là nó có hệ số phẩm chất trong mạch cộng hưởng rất lớn nên tổn hao cực nhỏ.
Trên thực tế, thạch anh có khả năng kết hợp được với Transistor, các cổng điện tử hoặc vi xử lý nhằm tạo nên các dao động theo ý muốn về dạng sóng và tần số.
4. Phân loại Thạch anh điện tử
• Phân loại theo chất liệu
- Thạch anh vỏ sắt: thạch anh có lớp vỏ được làm bằng sắt.
- Thạch anh vỏ gốm: là loại sử dụng gốm để làm lớp vỏ bảo vệ, cách điện tốt.
• Phân loại theo cấu tạo
- Thạch anh 2 chân: đây là loại có 2 chân cắm trên mạch điện.
- Thạch anh 3 chân: loại thạch anh có 3 chân để gắn trên mạch điện tử
- Thạch anh 4 chân: là loại thạch anh có 4 chân cắm trên mạch điện tử.
Dưới đây là các loại thạch anh thường thấy mà các bạn có thể thấy trong các bo mạch
- Thạch anh ống 32768kHz hai chân 2x6mm (mini) thường được sử dujg trong các thiết bị đeo tay, đồng hồ đeo, các hệ thống thời gian thực.
• Phân loại theo chất liệu
- Thạch anh vỏ sắt: thạch anh có lớp vỏ được làm bằng sắt.
- Thạch anh vỏ gốm: là loại sử dụng gốm để làm lớp vỏ bảo vệ, cách điện tốt.
• Phân loại theo cấu tạo
- Thạch anh 2 chân: đây là loại có 2 chân cắm trên mạch điện.
- Thạch anh 3 chân: loại thạch anh có 3 chân để gắn trên mạch điện tử
- Thạch anh 4 chân: là loại thạch anh có 4 chân cắm trên mạch điện tử.
Dưới đây là các loại thạch anh thường thấy mà các bạn có thể thấy trong các bo mạch
- Thạch anh ống 32768kHz hai chân 2x6mm (mini) thường được sử dujg trong các thiết bị đeo tay, đồng hồ đeo, các hệ thống thời gian thực.
- Thạch anh 2 chân vỏ sắt dán 49S SMD thường được sử dụng trong các bo mạch xử lí tín hiệu số các bo mạch điện tử công nghiệp.
- Thạch anh nhật 3 chân sứ bóng lưng gù chống ẩm thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử dân dụng.
- Thạch anh 455E CRB-455E thường tháy trong cách mạch điều khiển từ xa để mã hóa các tín hiệu điều khiển hồng ngoại.
5. Ứng dụng của thạch anh trên thực tế
• Sử dụng trong mạch dao động
Đối với mạch dao động, thạch anh có rất nhiều ứng dụng to lớn. Ví dụ như khả năng tạo xung chuẩn cho các thiết bị đo lường điện tử, tạo tần số ổn định cho các đồng hồ điện tử hay sử dụng trong các mạch đồng bộ màu trên TV, máy tính, VCR…
• Sử dụng trong mạch lọc tích cực
Thạch anh cũng được sử dụng nhiều trong mạch khuếch đại trung tần (TV, Radio, Máy thu thông tin liên lạc…). Đặc biệt, chúng ta phải kể đến ứng dụng quan trọng của thạch anh đối với máy tính: Thạch anh có vai trò, góp phần kiểm soát bus, xung nhịp xử lý trên máy tính.
• Sử dụng trong mạch dao động
Đối với mạch dao động, thạch anh có rất nhiều ứng dụng to lớn. Ví dụ như khả năng tạo xung chuẩn cho các thiết bị đo lường điện tử, tạo tần số ổn định cho các đồng hồ điện tử hay sử dụng trong các mạch đồng bộ màu trên TV, máy tính, VCR…
• Sử dụng trong mạch lọc tích cực
Thạch anh cũng được sử dụng nhiều trong mạch khuếch đại trung tần (TV, Radio, Máy thu thông tin liên lạc…). Đặc biệt, chúng ta phải kể đến ứng dụng quan trọng của thạch anh đối với máy tính: Thạch anh có vai trò, góp phần kiểm soát bus, xung nhịp xử lý trên máy tính.
6. Ưu điểm và nhược điểm của thạch anh
Ưu điểm:
- Bộ cộng hưởng Q rất cao: Q của tinh thể thạch anh rất cao. Điều này lần lượt phản ánh về một số lợi thế:
+ Tín hiệu rất ổn định khi được sử dụng trong bộ tạo dao động.
+ Mức nhiễu pha thấp khi được sử dụng trong bộ tạo dao động.
+ Khi được sử dụng trong bộ lọc, có thể đạt được mức độ chọn lọc rất cao. Bộ lọc tinh thể có thể cung cấp hiệu suất tuyệt vời và cung cấp một số tùy chọn tốt nhất cho bộ lọc sắc nét trong nhiều ứng dụng.
- Chi phí thấp: Tinh thể cơ bản có sẵn với chi phí rất hợp lý. Việc sử dụng chúng thường có thể dẫn đến đồng hồ rẻ hơn hoặc nguồn khác khi được sử dụng làm bộ cộng hưởng. Bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh được chỉ định rõ ràng có giá cao hơn.
Nhược điểm
- Hàn: Theo quan điểm về hiệu suất của chúng, việc hàn cần được thực hiện cẩn thận, quan sát nhiệt độ tối đa và thời gian hàn.
- Tần số cố định: Mặc dù đây cũng có thể là một lợi thế, nhưng một tinh thể có tần số cộng hưởng tự nhiên của riêng nó. Sau khi được chọn và sản xuất, những thứ này không thể thay đổi được, mặc dù có thể 'kéo' tần số của bộ tạo dao động lên một lượng nhỏ.
Ưu điểm:
- Bộ cộng hưởng Q rất cao: Q của tinh thể thạch anh rất cao. Điều này lần lượt phản ánh về một số lợi thế:
+ Tín hiệu rất ổn định khi được sử dụng trong bộ tạo dao động.
+ Mức nhiễu pha thấp khi được sử dụng trong bộ tạo dao động.
+ Khi được sử dụng trong bộ lọc, có thể đạt được mức độ chọn lọc rất cao. Bộ lọc tinh thể có thể cung cấp hiệu suất tuyệt vời và cung cấp một số tùy chọn tốt nhất cho bộ lọc sắc nét trong nhiều ứng dụng.
- Chi phí thấp: Tinh thể cơ bản có sẵn với chi phí rất hợp lý. Việc sử dụng chúng thường có thể dẫn đến đồng hồ rẻ hơn hoặc nguồn khác khi được sử dụng làm bộ cộng hưởng. Bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh được chỉ định rõ ràng có giá cao hơn.
Nhược điểm
- Hàn: Theo quan điểm về hiệu suất của chúng, việc hàn cần được thực hiện cẩn thận, quan sát nhiệt độ tối đa và thời gian hàn.
- Tần số cố định: Mặc dù đây cũng có thể là một lợi thế, nhưng một tinh thể có tần số cộng hưởng tự nhiên của riêng nó. Sau khi được chọn và sản xuất, những thứ này không thể thay đổi được, mặc dù có thể 'kéo' tần số của bộ tạo dao động lên một lượng nhỏ.
