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Schaltzeichen eines Schwingquarz

Ein Schwingquarz ist ein kleines Plättchen, in einer bestimmten Form aus einem speziellem Quarzkristall geschnitten. Dieses Plättchen erhält zwei Kontakte und wird so in ein luftdichtes Gehäuse montiert, daß es nur durch diese Anschlüsse gehalten wird.

Auf Grund der piezo-elektrischen Eigenschaften des Quarzes führt dieser unter dem Einfluß von elektrischen Wechselspannungen genau definierte Schwingungen aus, wenn die Frequenz der Wechselspannung mit der Eigenfrequenz des Quarzes übereinstimmt. Elektrisch verhält sich der Quarz dann wie ein Schwingkreis mit hoher Güte. Durch externe Kondesatoren kann die Frequenz ein wenig (bis ca. 0,01 %) verändert werden

Für Frequenzen bis etwa 100 MHz sind häufig Grundtonquarze verfügbar. Für höhere Frequenzen (über etwa 20 MHz) werden zum Teil aber auch Obertonquarze angeboten. Die gewünschte Frequenz ist bei diesen Schwingquarzen nicht die niedriegste verfügbare Frequenz (der Grundton), sondern ein ungerades Vielfaches davon (üblich ist das 3- oder 5-Fache, ein Oberton). Durch einen zusätzlichen Schwingkreis muß dann die richtige Resoanzfrequenz ausgewählt werden. Zum direkten Anschluß an Mikrocontroller benötigt man Grundtonquarze.


Schwingquarze kommen überall zur Anwendung, wo eine konstante Frequenz (u.a. als Zeitbasis) gebraucht wird. Sie finden sich z. B. in praktisch allen Sendern, in Quarzuhren, als Taktgeber in allen Arten von Computern sowie in Frequenzzählern und digitalen Signalgeneratoren.


Bauformen verschiedener Schwingquarze und externer Quarzoszillatoren

Der folgende Kommentar ist eigentlich überflüssig, aber gerade dies wird oft fasch verstanden:
Ein Schwingquarz alleine bestimmt nur die Frequenz. Er ist weder ein Oszillator noch ein Taktgeber!


Allgemeines zu Schwingquarzen

Für die meisten Verwendungszwecke sind die im Handel erhältlichen Schwingquarze sowie deren Verwendung in den üblichen Oszillatorschaltungen (siehe Quarzoszillator) völlig ausreichend. Bei speziellen Anforderungen oder dem Entwurf neuer Schaltungen sollte auf jeden Fall vor der Verwendung eines Quarzes das entsprechende Datenblatt des Herstellers zu Rate gezogen werden!

Temperaturabhängigkeit

Schwingquarze ändern ihr Verhalten und damit auch ihre elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Abweichung liegt je nach Qualität bei z.B. 0,2ppm pro °C (aber nicht linear). In der Praxis bedeutet dies im Temperaturbereich von -40°C bis +85°C (Verwendung "normaler" Bauelemente) eine Abweichung von maximal 0,01 % von der nominellen Frequenz. Die ist für die meisten Verwendungszwecke völlig ausreichend!
Für Funkfrequenzeinstellungen und hochgenaue Uhren kann durch die Wahl geeigneter externer Bauelemente eine Korrektur dieses Temperaturverhaltens durchgeführt werden. Alternativ wird die Temperatur konstant gehalten auf z.B. 40°C. Am stabilsten bei variabler Temperatur sind Quarze 7,2 MHz.

Leistungsverhalten

  • Großleistungsverhalten: Die Amplituden der Schwingungen im Quarzkristall sind proportional zu dem Wechselstrom, der durch den Resonanzwiderstand (Verlustwiderstand) des Quarzes fließt. Steigt dieser Strom stark an, kommt es zuerst zu Änderungen in den elastischen Eigenschaften des Quarzes, danach zu starker Erwärmung durch die Verlustleistung im Resonanzwiderstand. Beide Situationen führen zu bleibenden Veränderungen der Resonanzfrequenz. Steigt der Strom weiter, wird der Quarz nach Überschreiten der inneren Festigkeit des Kristallgitters zerstört.
    Quarze mit kleinen Oberflächen oder mit kleinen Elektroden (SMD) sind weniger belastbar wie größere Quarze. Quarze mit großer Güte Q sind ebenfalls weniger belastbar wie Quarze mit kleiner Güte.
  • Kleinleistungsverhalten: Auf Grund von Fertigungstoleranzen und -fehlern kann es im Bereich kleinster Belastungen (unter 1mW) eines Quarzes zu teils gravierenden Abweichungen des Resonanzwiderstandes kommen. Dies zeigt sich häufig in einem schwachen oder gar fehlenden Anschwingen des Quarzoszillators im unbelasteten Zustand. Ein solcher Quarz ist definitv ein Produktionsfehler.
    Der Anwender eines solchen Quarzes kann entweder seine Schaltung überarbeiten (Anschwingen unter größerer Last), oder den Quarz austauschen.

Alterung

Durch das verwendete Material sowie durch die verwendeten konstruktions- und herstellungsbedingten Verfahren verändert sich die Resonanzfrequenz eines Schwingquarzes kontinuierlich über einen längeren Zeitraum, der Quarz "altert". Auch ist diese Alterung temperaturabhängig, bei hohen oder niedrigen Temperaturen altert ein Quarz schneller. Hierbei beträgt die Zunahme der Alterung etwa 10% pro 10K, bei 85°C altert ein Quarz etwa doppelt so schnell wie bei 25°C.
Die Alterungsrate bei typischen Großserien-Quarzen liegt im Bereich von etwa 2ppm pro Jahr. Diese Alterung ist also für normale Anwendungegebiete vernachlässigbar, für hochgenaue Anwendungen können stabilisierte Schwingquarze mit einer Alterungrate von unter 0,1ppm pro Jahr eingesetzt werden.

Uhrenquarze

Speziell für Anwendungen mit sehr geringer Leistungsaufnahmen gibt es Quarze für die relativ niedrige Frequenz von 32768 Hz. Diese sind intern in Form einer Stimmgabel aufgebaut, verhalten sich aber sonst ähnlich wie die plattenförmigen Quarze.

Verweise

siehe auch Quarzoszillator


Quellen


Anmerkung

Der Autor möchte hier weder die an anderen Stellen zu findenden Formelsammlungen wiedergeben, noch mit diesem Artikel ein Fachbuch ersetzten. Einzig die Grundlagen, die (aus eigener Erfahrung) für einen Hobby-Bastler von Interesse sind, sollen hier dargestellt werden.


Autor

--Williwilli 10:45, 15. Aug 2008 (CET)