کریستال Crystal چیست؟

کریستال Crystal از یک ماده معدنی در طبیعت به نام کریستال کوارتز ساخته شده است که وقتی به آن ولتاژ داده می شود (با توجه به قانون تشدید و اثر فشاربرقی در کریستال) با یک فرکانس خاصی به ارتعاش درمی آید و سیگنال الکتریکی رو به نوسانات مکانیکی در داخل خودش تبدیل می کند، از اونجایی که این لرزش ها یا تغییر شکل ها بسیار دقیق است، در خروجی شاهد سیگنال الکتریکی با فرکانس بسیار دقیقی خواهیم بود.

نقش کریستال Crystal در مدارات

در اکثر بردهای الکترونیکی که دارای میکروکنترلر ها هستند ( مثلا ic های حافظه ، ic های کنترل کننده)  کریستال لازم است. به طور کلی هر میکروکنترلر برای اینکه بتواند کار کند به یک منبع کلاک نیاز دارد. کلاک ،سرعت اجرای دستورالعمل ها توسط پردازنده،نرخ تبادل ارتباط سریال ، زمان موردنیاز برای تبدیل از آنالوگ به دیجیتال و خیلی موارد دیگر را تعیین می کند.

بنابراین کریستال به عنوان پالس ساعت شناخته می شود و برای تولید یک نوسان خاصی در مدار می باشد تا موجب هماهنگی بین قطعات در مدار شود. همانطور که ما تمام کارهای روزمره مون رو با ساعت جهانی تنظیم می کنیم، کریستال هم به نوعی قلب مدار یا زمان مدار می باشد و طبق این زمان تمام عملیات ها صورت می گیرد.

مثلا میکروکنترلرها که ic های برنامه ریزی شده هستند، در هر پالس ساعتی کار خاصی انجام می دهند مثلا در یک کلاک پالس عمل ضرب انجام میشه در کلاک پالس بعدی کدی اجرا میشه و به همین ترتیب با این کلاک پالس ها تنظیم می شوند.

واحد کریستال ها برحسب هرتز می باشد بعضی مگاهرتز و بعضی کیلو هرتز

از همین ماده کریستال کوارتز می توان برای تولید ولتاژ استفاده کرد. یعنی فشار یا ضربه ای به آن وارد کرد تا ولتاژ ایجاد شود . با این اوصاف در بعضی دستگاه ها از ماده کریستال کوارتز به عنوان سنسورهای فشار استفاده می شود.

نتیجه: پس نوسان ساز کریستالی معمولاً برای زمان‌بندی و ایجاد سیگنال ساعت در مدارهای مجتمع استفاده می‌شود. کاربرد دیگر آن ،زمانی است که در یک مدار نیاز به تولید فرکانس بالاتری باشد. به طور مثال در بسیاری از میکروهای avr، در کنار مدار یک کریستال(معمولا 16 مگاهرتز) نیز قرار می دهند تا فرکانس کار مدار را بالا ببرند.

ساختار داخلی کریستال Crystal

تصویر زیر داخل کریستال Crystal را نشان می دهد، ماده شفاف کریستال کوارتز بین دو صفحه فلزی وجود دارد که با اعمال ولتاژ به کریستال با توجه به قانون تشدید، کریستال کوارتز داخلی تغییر شکل می دهد و به ارتعاش در می آید.

مدار کریستال

کریستال کوارتز به تنهایی قادر به تولید یک سیگنال فرکانسی دقیق نیست و باید در مدار مناسبش قرار بگیرد که به این مدار اسیلاتور گویند.

خود کریستال غالبا دو پایه دارد که در مدار اسیلاتور قرار می گیرد ولی نوع دیگر هم وجود دارد که کریستال داخل محفظه ای به همراه مدار اسیلاتور می باشد.به این نوع کریستال ، کریستال اسیلاتور گفته می شود و حداقل دارای 4 پایه می باشد.

• کریستال + مدار اسیلاتور خارجی
• کریستال و مدار اسیلاتور داخلی

نکته: کریستال هایی که مدار اسیلاتور خارجی دارند به دو خازن متصل شده اند،که مقدار این دو خازن طبق فرمول خاصی محاسبه می شوند و نقش مهمی در تولید فرکانس دقیق دارند.

نکته: غالبا در کریستال اسیلاتور ها ،چون قطعات داخلی (مثل خازن ها یا آی سی اسیلاتور) احتمال خرابی دارند یا دقت بالایی ندارد ، در جاهایی که فرکانس دقیق مدنظر باشد از کریستال خارجی استفاده می شود و به مدار اسیلاتور داخلی  میکروکنترلر متصل می شود.

کاربردهای کریستال Crystal

1-نوسان ساز ها

با شارژ و دشارژ خازن ها در مدار اسیلاتور، کریستال به ارتعاش در می آید. ارتعاش کریستال با توجه به ظرفیت دو خازن و مقاومت R2 متغیر است.پس برای داشتن فرکانس دقیق باید به مقادیر این قطعات توجه کرد مثلا اگر فرکانس 15 مگاهرتز بخواهیم باید مقادیر خازن ها را 15 پیکوفاراد و مقدار مقاومت را 500 اهم درنظر گرفته شود.

در اکثر CPU ها ، میکروکنترلر ها،ای سی های پردازنده ، کریستال مستفیم به خود آی سی وصل می شود. به شماتیک این قطعات هم اگر توجه کنیم دو پایه دارند که کریستال باید بین این دو پایه قرار می گیرد و توسط دو خازن به زمین وصل می شود.

2-بلندگو یا بارز

برای مثال داخل ماشین حساب این بارز ها وجود دارد که ماده کریستال کوارتز بین دو صفحه فلزی قرار گرفته است و ولتاژ مثبت و منفی به آن متصل است. با اعمال ولتاژ و ارتعاش ، صدا تولید می شود. کیفیت صدا در حدیست که فقط به عنوان بارز استفاده می شود.

(کریستال : بهش ولتاژ بدین ارتعاش تولید می کنه. بهش ارتعاش بدیم ولتاژ تولید می کنه)

طبق شک زیر با اعمال ولتاژ این صفحات در حد میکرو قوس پیدا می کنند و این لرزش کوچیک سبب تولید صدا می شود.

شکل ظاهری کریستال

مدل dip و SMD

عموما فرکانس های کاری در حد کیلو هرتز(پایین) دارند. (دردستگاه هایی مثل ساعت دیجیتال وجود دارد) و عموما فرکانس های بالا در حد مگا هرتز می باشد.

سه عامل خرابی کریستال Crystal

• عمر مفیدش تمام شده باشد.
• ضربه.: چون یک قطعه مکانیکی است وداخل جعبه فلزی در حال ارتعاش است و ممکن است با یک ضربه به بدنه بچسبد و خراب شود.
• گرمای شدید : اصلی ترین جزء کریستال ورقه نازک کوارتزی هست که داخل اون قرار گرفته است. این قطعه به دلیل ظرافتی که دارد به گرمای شدید حساس است.

نشانه های خرابی کریستال Crystal

• خاموشی دستگاه.فرض کنید ساعت نداریم و میخواهیم با هم هم وعده شویم وقتی زمان تعیین نشود این کار انجام نمی شود. پس اگر در دستگاه الکترونیکی زمان بندی وجود نداشته باشد هیچ عملی انجام نمی شود.
• عملکرد غیر معمول: تنظیمات دستگاه خود به خود به هم میریزه.
• عمل نکردن یا خاموشی قسمتی که کریستال Crystal مجزا دارد. مثلا دستگاه موزیک پلیر داریم که بلوتوث از کار افتاده است . ممکنه کریستال مربوط به پردازنده بلوتوث از کار افتاده باشد.

روش تست کریستال به صورت علمی

روش اول) بهترین روش تست با استفاده از اسیلوسکوپ است به این شکل که وقتی کریستال روی برد هست و مدار روشن است ، فرکانس خروجی اندازه گیری شود و باید دقیقا با مقدار نوشته شده روی کریستال برابر باشد در غیر این صورت کریستال معیوب است.(واحد اندازه گیری فرکانس هرتز است)

روش دوم) استفاده از مولتی متر هایی است که در مد AC قابلیت اندازه گیری فرکانس را دارند. ولی چون رنج قابل پشتیبانی برای مولتی مترها محدود می باشد، بهترین روش همان اسیلوسکوپ می باشد.

روش های تجربی برای تست کریستال

دو روش تست تجربی وجود دارد که البته قابل اطمینان و 100 درصد نیست:

• با کمک مولتی متر اختلاف ولتاژ دو سر کریستال رو اندازه بگیریم. نباید این اختلاف ولتاژ ، کمتر از 1 میلی ولت باشد.
• اگر حدس می زنیم مشکل از کریستال است،یک ضربه آهسته به کریستال میزنیم ، اگر مدار برای لحظه ای به این ضربه واکنش نشان داد و مشکل برای لحظه ای برطرف شد می توانیم بگوییم مشکل از کریستال است.