المذبذبات البلورية Crystal Oscillator

تقوم المذبذبات البلورية على مبدأ التأثير الكهروإجهادي العكسي، حيث يتسبب الجهد المتناوب المستخدم عبر الأسطح البلورية في اهتزازها عند ترددها الطبيعي، وهذه الاهتزازات هي التي تتحول في النهاية إلى اهتزازات، وعادةً ما تُعد هذه المذبذبات مصممة من بلور الكوارتز على الرغم من أنّ المواد الأخرى، مثل ملح روشيل والتورمالين تظهر التأثير الكهروضغطي؛ لأنّ الكوارتز غير مكلف وموجود بشكل طبيعي وقوي ميكانيكياً عند مقارنته بالآخرين.

ما هو المذبذب البلوري Crystal Oscillator؟

المذبذبات البلورية “Crystal Oscillator”: هو مذبذب إلكتروني يستخدم البلورة كعنصر انتقائي للتردد للحصول على تأثير كهرضغطية معكوس، كما إنّها تستفيد من الرنين الميكانيكي للبلورة المهتزة والتي لها خصائص كهرضغطية، ومن أجل الحصول على إشارة كهربائية بتردد عالي الدقة، كما تعتبر المذبذبات أفضل من الرنانات الخزفية لأنّها تتمتع بثبات أعلى وجودة أعلى وتكلفة أقل وأصغر حجماً.

مكونات المذبذبات البلورية Crystal Oscillator:

في المذبذبات البلورية يتم قطع البلورة وتثبيتها بشكل مناسب بين لوحين معدنيين، حيث في الواقع تتصرف البلورة مثل دائرة “RLC” متسلسلة، حيث تتكون من المكونات:

• مقاوم منخفض القيمة “RS”.

• محث كبير القيمة “LS”.

• مكثف صغير القيمة “CS”

• التي ستكون بالتوازي مع سعة أقطابها “Cp”.

أساسيات المذبذبات البلورية Crystal Oscillator:

نظراً لوجود “Cp” سوف يتردد صدى البلورة على ترددين مختلفين، أي:

1- تردد الرنين المتسلسل “fs”:

تردد الرنين المتسلسل “fs”: هو التردد الذي يحدث عندما ترن السعة التسلسلية “CS” مع سلسلة الحث “LS”، وفي هذه المرحلة ستكون المعاوقة البلورية هي الأقل، وبالتالي سيكون مقدار التغذية المرتدة هو الأكبر، كما يتم إعطاء التعبير الرياضي لنفسه مثل:

Fs= 1/ 2π (Ls Cs)

2- تردد الرنين المتوازي “fp”:

تردد الرنين المتوازي “fp”: هو التردد الذي يتم عرضه عندما تساوي مفاعلة الساق “LS CS” مفاعلة المكثف المتوازي “Cp”، أي “LS” و”CS” ويتردد صداها مع “Cp”، وفي هذه اللحظة ستكون المعاوقة البلورية هي الأعلى وبالتالي ستكون التغذية المرتدة هي الأقل، ورياضيا يمكن أن تعطى كـ:

Fp= 1/ 2π (Ls (Cp Cs / Cp + Cs))^1/2

سيكون سلوك المكثف بالسعة أقل من “fS” وفوق “fp”، ومع ذلك بالنسبة للترددات التي تقع بين “fS” وفوق “fp” فإنّ سلوك البلورة سيكون استقرائياً، وعلاوةً على ذلك عندما يصبح التردد مساوياً لتردد الطنين الموازي “fp”، فإنّ التفاعل بين “LS” و”Cp” سيشكل دائرة خزان “LC” مضبوطة متوازية.

ومن ثم يمكن الاعتماد على البلورة والنظر على أنّها خليط من دوائر الرنين المتسلسلة والمتوازية التي يتطلبها المرء من أجل التحكم في  الدائرة لأي واحد من هاتين الدائرتين، وعلاوةً على ذلك تجدر الإشارة إلى أنّ “fp” سيكون أعلى من “fs” وسيتم تحديد القرب بين الاثنين من خلال القطع وأبعاد البلورة المستخدمة.

مبدأ عمل المذبذبات البلورية:

يمكن تصميم المذبذبات البلورية من خلال توصيل البلورة بالدائرة بحيث تتيح مقاومة قليلة عند تفعيلها في وضع الرنين المتسلسل، ومقاومة عالية عند تفعيلها في وضع الرنين المضاد أو الموازي.

في الدوائر الموضحة تشكل المقاومات “R1″ و”R2” شبكة مقسم الجهد، بينما يقوم المقاوم الباعث “RE” بتثبيت الدائرة، وعلاوةً على ذلك يعمل “CE” كمكثف تجاوز التيار المتردد بينما يتم استخدام مكثف الاقتران “CC” لمنع انتشار إشارة التيار المستمر بين المجمع والمحطات الأساسية.

بعد ذلك تُشكل المكثفات “C1″ و”C2” شبكة مقسم الجهد السعوي في حالة “الدائرة 2″، وبالإضافة إلى ذلك يوجد أيضاً ملف تردد لاسلكي “RFC” في الدوائر، والذي يتيح ميزة مزدوجة لأنّه يوفر حتى تحيزاً للتيار المستمر وكذلك يحرر ناتج الدائرة من التأثر بإشارة التيار المتردد على خطوط الكهرباء.

عند توفير الطاقة للمذبذب يزداد اتساع التذبذبات في الدائرة حتى يتم الوصول إلى نقطة، حيث تقلل اللاخطية في مكبر الصوت كسب الحلقة إلى الوحدة، وبعد ذلك عند الانتقال إلى الحالة المستقرة تؤثر البلورة المتوفرة في حلقة التغذية المرتدة بشكل كبير على تردد دائرة التشغيل، وعلاوةً على ذلك سيتم ضبط التردد ذاتياً لتسهيل البلورة لتقديم تفاعل مع الدائرة بحيث يتم الوفاء بمتطلبات مرحلة “باركهاوزن”.

بشكل عام سيتم إصلاح تردد المذبذبات البلورية ليكون التردد الأساسي أو الفريد للبلورة والذي سيتم تعيينه من خلال الحجم المادي وشكل البلورة، ومع ذلك إذا كانت البلورة غير متوازية أو ذات سمك غير متناسق فقد يتردد صداها عند ترددات مختلفة ممّا يؤدي إلى التوافقيات، وعلاوةً على ذلك يمكن التحكم في المذبذبات البلورية وجعلها إمّا على التوافقي الزوجي “Harmonic” أو الفردي للتردد الأساسي “Overtone Oscillators”.

مثال على ذلك هو الحالة التي يتم فيها خفض أو زيادة تردد الرنين الموازي للبلورة من خلال استخدام مكثف أو محث عبر البلورة على التوالي، حيث يتراوح نطاق التفعيل النموذجي للمذبذبات البلورية من “”40 كيلو هرتز” إلى “100 ميجاهرتز”، حيث تم تصميم مذبذبات التردد المنخفض باستخدام “Op-Amps” بينما تم تصميم المذبذبات عالية التردد باستخدام الترانزستورات “BJTs” أو “FETs”.

يتم تعيين تردد التذبذبات الناتجة عن الدائرة بواسطة تردد الرنين التسلسلي للبلورة ولن يتأثر بالتحولات في جهد الإمداد ومعلمات الترانزستور وما إلى ذلك، ونتيجةً لذلك تُظهر المذبذبات البلورية عامل “Q” عالياً مع استقرار تردد ممتاز ممّا يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات عالية التردد، ومع ذلك يجب توخي الحذر لدفع البلورة بالطاقة المثلى فقط، وهذا لأنّه إذا تم نقل كمية كبيرة جداً من الطاقة إلى البلورة فقد تكون الرنينات الطفيلية نشطة في البلورة ممّا قد ينتج عنه تردد الرنين غير الثابت.

علاوةً على ذلك حتى شكل الموجة الناتج قد يتم تشويهه بسبب التدهور في أداء ضوضاء الطور، وعلاوة على ذلك يمكن أن يؤدي حتى إلى تدمير الجهاز “الكريستال” بسبب ارتفاع درجة الحرارة، والمذبذبات البلورية مدمجة الحجم ومنخفضة التكلفة بسبب استعمالها على نطاق كبير في أنظمة الحرب الإلكترونية وأنظمة الاتصالات، وكذلك أنظمة التوجيه والمعالجات الدقيقة وأجهزة التحكم الدقيقة وأنظمة تتبع الفضاء وأدوات القياس والأجهزة الطبية وأجهزة الكمبيوتر والأنظمة الرقمية والأجهزة.

وكذلك أنظمة الحلقة المغلقة وأجهزة المودم وأجهزة الاستشعار ومحركات الأقراص والأنظمة البحرية والاتصالات السلكيةواللاسلكية، ويمكن استعمالها في أنظمة التحكم في المحرك والساعات وأنظمة تحديد المواقع العالمية “GPS” وأنظمة تلفاز الكابل وكاميرات الفيديو والألعاب وألعاب الفيديو وأنظمة الراديو والهواتف الخلوية وأجهزة ضبط الوقت.

• “GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.

• “BJTs” هي اختصار لـ “Bipolar Junction Transistor”.

• “FETs” هي اختصار لـ “Field-effect transistors”.

• “RFC” هي اختصار لـ “Radio Frequency coil”.

• “Op-Amps” هي اختصار لـ “Operational Amplifier”.

مزايا المذبذبات البلورية:

• لديهم درجة عالية من استقرار التردد.

• عامل الجودة “Q” للبلور مرتفع جداً.

عيوب المذبذبات البلورية:

• إنّها هشة ويمكن استخدامها في الدوائر منخفضة الطاقة.

• لا يمكن تغيير تردد التذبذبات بشكل ملحوظ.