Quarzresonatoren: Zweck, Anwendung, Wirkprinzip, Nutzungsmerkmale
Wozu dienen Quarzresonatoren?
Moderne digitale Elektronik inklusive Mikroprozessoren und Mikrocontrollern ist ohne Taktschwankungen schlicht undenkbar. Und wo die Schwingungen der Uhr entstehen, gibt es den Betrieb des Generators und des Schwingsystems, und wo sich das Schwingsystem befindet, treten zwangsläufig sowohl das Resonanzphänomen als auch ein so wichtiger Parameter wie der Qualitätsfaktor auf. Hier lernen wir Quarzresonatoren (Oszillatoren) kennen.
Der Quarzresonator (Quarz) ist ein Generator elektromagnetischer Schwingungen mit hoher Frequenzkonstanz, der die piezoelektrischen und mechanischen Eigenschaften der Quarzplatte nutzt.
Nach dem Funktionsprinzip ist ein Quarzresonator ein Oszillator mit Quarzfrequenzstabilisierung. Solche Generatoren werden als hochstabiler Mastergenerator in Messgeräten, Frequenz- und Zeitnormalen, Quarzuhren sowie in verschiedenen elektronischen Geräten eingesetzt.
Der Nachteil von Quarzresonatoren besteht darin, dass sie nur bei festen Frequenzen erzeugen können, die durch die Resonanzfrequenz des Quarzes bestimmt werden, und dass eine Frequenzabstimmung praktisch nicht möglich ist.
Alle Quarzresonatorschaltungen werden in zwei große Gruppen unterteilt, je nachdem, welche Quarzresonanz (parallel oder seriell) in ihnen verwendet wird. Am weitesten verbreitet sind Quarzresonatorschaltungen, bei denen der Quarz nahe seiner Parallelresonanzfrequenz arbeitet.
Daher ist ein Quarzresonator in einer elektronischen Schaltung eine unschlagbare Alternative zu allen anderen Schwingkreisbestehend aus einem Kondensator und einer Induktivität. Der Ausgang ist der höchste Q-Faktor von Quarzresonatoren. Während eine gute LC-Schaltung einen Q-Faktor von 300 erreicht, kann der Q-Faktor eines Quarzresonators bis zu 10.000.000 erreichen. Wie Sie sehen, beträgt die Überlegenheit das Zehntausendfache. Daher kann kein Schwingkreis hinsichtlich der Güte mit einem Quarzresonator verglichen werden.
Unnötig zu erwähnen, dass sich die Temperatur auf die Resonanzfrequenz auswirkt. Die Resonanzfrequenz desselben Schwingkreises hängt stark vom TKE (Temperaturkoeffizient der Kapazität) des in ihn eintretenden Kondensators ab. Quarz hingegen weist eine sehr hohe Temperaturstabilität auf, weshalb Quarzresonatoren als Schwingungsquellen für Taktfrequenzgeneratoren für verschiedene Zwecke eine feste Stellung einnehmen.
Wie ein Quarzresonator funktioniert
Um zu verstehen, wie ein Quarzresonator funktioniert und funktioniert, genügt es, sich daran zu erinnern, was er ist piezoelektrischer Effekt… Stellen Sie sich eine Platte aus Niedertemperaturquarz (Siliziumdioxid) vor, die auf eine bestimmte Weise aus einem Kristall geschnitten wurde.Der Winkel, in dem ein Wafer aus dem Kristall geschnitten wird, bestimmt die elektromechanischen Eigenschaften des hergestellten Resonators. Auf dieser Platte werden nun beidseitig Elektroden durch Aufbringen von Schichten aus Nickel, Platin, Gold oder Silber angebracht und daran massive Drähte befestigt. Die gesamte Struktur ist in einem kleinen, versiegelten Gehäuse untergebracht.
Auf diese Weise wurde ein elektromechanisches Schwingsystem erhalten, das (aufgrund der natürlichen Eigenschaften von Niedertemperaturquarz) einen piezoelektrischen Effekt und eine eigene Resonanzfrequenz aufweist.
Legt man nun an die Elektroden eine Wechselspannung an, deren Frequenz nahe an der Resonanzfrequenz des entstehenden Schwingsystems liegt, so beginnt sich die Platte mechanisch zusammenzuziehen und auszudehnen, mit maximaler Amplitude und aufgrund des piezoelektrischen Effekts immer näher Je höher die Frequenz der angelegten Spannung ist, desto geringer ist der Widerstand des Resonators. Dies ist die Analogie eines Quarzresonators mit einer Hochfrequenzoszillatorschaltung. Das Ergebnis ist im Wesentlichen analog zu einer Serien-LC-Schaltung.
Eigenschaften eines Quarzresonators
Ein Quarzresonator kann in Form einer Ersatzschaltung dargestellt werden, in der C0 die elektrische Montagekapazität ist, die von den Metallkabelhaltern und -elektroden gebildet wird. C1, L und R sind die Kapazität, Induktivität und der aktive Widerstand der Platte direkt mit Elektroden, als Analogon eines echten Schwingkreises, der aufgrund der elektromechanischen Eigenschaften der Platte entsteht.
Wenn wir die Montagekapazität C0 aus der Schaltung herausnehmen, erhalten wir explizit einen Serienschwingkreis.Die Bezeichnung des Resonators im Diagramm sieht aus wie ein Kondensator mit einem Rechteck zwischen den Platten, das einen Quarzkristall symbolisiert.
Bei der Montage und Demontage von Quarzresonatoren auf Platinen durch Löten ist zu beachten, dass eine Überhitzung des Quarzes über 573 °C mit dem Verlust der piezoelektrischen Eigenschaften des Kristalls verbunden ist.