Was ist ein Keramikresonator?
Keramikresonatoren sind eine Art elektronisches Gerät, das eine vibrierende Keramik (meist Bleizirkonattitanat) verwendet und das Phänomen der Vibration bei einer bestimmten Frequenz nutzt.
Quarz wird häufig als Material für Oszillatoren verwendet, da es keine Anpassung erfordert und eine ausgezeichnete Stabilität aufweist, aber es ist teuer und hat den Nachteil, dass es eine große Form hat. Keramikresonatoren werden aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer kleinen Form in vielen elektronischen Geräten verwendet.
In Geräten wie Ein-Chip-Mikrocontrollern ist die erforderliche Genauigkeit des Referenztakts relativ gering, so dass Keramikresonatoren ausreichend sind.
Anwendungen von Keramikresonatoren
Keramikresonatoren werden hauptsächlich in Oszillationskreisen für Referenztaktgeber in digitalen Schaltungen verwendet, können aber, wie unten beschrieben, in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt werden. Sie werden insbesondere dann aktiv eingesetzt, wenn Miniaturisierung/Gewichtsreduzierung eine Priorität ist:
- Digitaluhren und intelligente Uhren
- Zeitgeber in Haushaltsgeräten wie Mikrowellenherden und elektronischen Backöfen
- Motorsteuergeräte (ECUs) in Kraftfahrzeugen
- Abstimmung von Audiogeräten und Musikinstrumenten
- Erzeugung von Taktsignalen für Datenkommunikationsgeräte
- Zeitsteuerung von Mess- und Steuergeräten
- Roboter und automatische Steuerungssysteme
- Zeitgeber und Steuerungen in medizinischen Geräten
- Zeitsteuerung von elektronischen Schlössern und Sicherheitssystemen
- Batteriemanagement in mobilen Geräten
Funktionsweise der Keramikresonatoren
Die Funktionsweise der Keramikresonatoren beruht auf dem piezoelektrischen Effekt:
1. Piezoelektrischer Effekt
Keramische Materialien sind aufgrund des piezoelektrischen Effekts in der Lage, physikalische Verformungen und elektrische Signale ineinander umzuwandeln. Der piezoelektrische Effekt ist ein Phänomen, bei dem eine auf ein Material ausgeübte Kraft eine winzige Verformung des Materials bewirkt und gleichzeitig eine elektrische Ladung erzeugt.
2. Schwingungserzeugung
Bei Keramikresonatoren wird der piezoelektrische Effekt durch das Anlegen einer Spannung an das keramische Material ausgelöst, wodurch dieses eine winzige Verformung erfährt. Diese Verformung versetzt das keramische Material in Schwingung, wobei die Frequenz der Schwingung durch die physikalischen Eigenschaften des keramischen Materials bestimmt wird.
3. Rückkopplungssteuerung der Schwingung
Keramikresonatoren halten die Schwingungen durch eine Rückkopplungskontrolle stabil. Wenn das keramische Material schwingt, wird die von dieser Schwingung erzeugte Spannung vom Steuerkreis erfasst.
Der Steuerkreis liefert die entsprechende Spannung aus der erfassten Schwingungsspannung an das Keramikmaterial (Rückkopplung), um die Schwingung zu steuern.
4. Signalausgang
Wenn der keramische Wandler weiter schwingt, wird die erzeugte Spannung über den Steuerkreis extern ausgegeben. Diese wird zur Erzeugung eines Taktes mit einer bestimmten Frequenz verwendet.
Merkmale von Keramikresonatoren
Keramikresonatoren weisen im Vergleich zu Quarz- und LC-Oszillatorschaltungen mehrere Merkmale auf:
1. Geringe Größe/leichtes Gewicht
Keramische Oszillatorschaltungen werden aus relativ kleinen keramischen Materialien hergestellt und die gesamte Schaltung kann kompakt gestaltet werden. Dadurch können die Geräte und Systeme kleiner und leichter werden.
2. Niedrige Kosten
Keramische Werkstoffe sind zu relativ niedrigen Kosten erhältlich. Die relativ niedrigen Produktionskosten von Keramikresonatoren machen sie auch für die Massenproduktion geeignet.
3. Geringer Stromverbrauch
Keramikresonatoren arbeiten im Allgemeinen mit geringem Stromverbrauch. Dies erhöht den Wirkungsgrad und macht sie geeignet für batteriebetriebene Geräte und energiesparende Designs.
4. Hohe Zuverlässigkeit
Keramische Werkstoffe sind robust, zuverlässig und schwingungsstabil. Keramikresonatoren sind außerdem relativ hitze- und vibrationsbeständig und können in einem großen Betriebstemperaturbereich eingesetzt werden.
5. Breiter Frequenzbereich
Keramikresonatoren können in einem großen Frequenzbereich arbeiten. Die Fähigkeit, unterschiedliche Frequenzanforderungen zu erfüllen, macht sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet.
Weitere Informationen zu Keramikresonatoren
Nachteile von Keramikresonatoren
Im Vergleich zu Quarz- und LC-Schwingkreisen gibt es bei Keramikresonatoren einige Einschränkungen. So sind beispielsweise die Frequenzstabilität und die Temperaturschwankungseigenschaften schlechter als die von Kristallschwingkreisen.
Außerdem eignen sich Kristallschwingkreise eher für bestimmte Frequenzbereiche, Hochfrequenzschwingungen usw. LC-Schwingkreise ermöglichen die freie Variation der Schwingungsfrequenz über einen weiten Bereich, während Keramikschwingkreise grundsätzlich keine Variation der Schwingungsfrequenz zulassen.