Was ist ein Quarzoszillator?
Quarzoszillatoren sind passive Elemente, die mit einer bestimmten Frequenz schwingen und manchmal auch als piezoelektrische Elemente bezeichnet werden. Ursprünglich wurden natürliche Quarzkristalle verwendet, aber mit zunehmender Nachfrage wurden sie durch synthetische Quarzkristalle wie Siliziumdioxid, Bariumtitanat und Rochellesalz ersetzt.
Piezoelektrische Elemente werden in Kombination mit Schwingkreisen verwendet und sind in Haushaltsgeräten wie Mobiltelefonen, Fernsehern und Digitalkameras sowie in elektronischen Geräten wie Autos und medizinischen Geräten eingebaut. Die Dicke und das Schneidverfahren von Quarzkristallen können je nach dem verwendeten Frequenzbereich variiert werden; mit dem als AT-Schnitt bekannten Schneidverfahren lassen sich beispielsweise Quarzkristalle mit einem Frequenzbereich von 1 bis 300 MHz und einem breiten Temperaturbereich herstellen.
Funktionsweise der Quarzoszillatoren
Piezoelektrische Kristalle sind Materialien, bei denen eine druckproportionale Oberflächenladung auftritt, wenn Druck in eine bestimmte Richtung ausgeübt wird. Das Phänomen der druckproportionalen Oberflächenladung wird als piezoelektrischer Effekt oder piezoelektrisches Phänomen bezeichnet. Umgekehrt wird das Phänomen, bei dem der Kristall durch das Anlegen einer Spannung verformt wird, als umgekehrter piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Ursprünglich wurden Quarzoszillatoren buchstäblich aus natürlichen Quarzkristallen hergestellt, aber heutzutage werden aufgrund der steigenden Nachfrage auch synthetische Quarzkristalle verwendet, z. B. Siliziumdioxid, Kaliumtitanat und Rochellesalz.
An den Quarzkristallen sind Elektroden angebracht, durch die ein externer Strom fließt. Die Oberflächenladung des Quarzkristalls ändert sich in Abhängigkeit von der Phase des Stroms, was zu einer periodischen Verformung des Quarzkristalls führt. Quarzoszillatoren nutzen das Phänomen der Schwingung, das durch diese periodische Formveränderung hervorgerufen wird.
Anwendungen von Quarzoszillatoren
Quarzoszillatoren werden in einer Vielzahl von elektronischen Haushaltsgeräten wie Mobiltelefonen, Fernsehgeräten, Digitalkameras und PCs sowie in Kraftfahrzeugen und medizinischen Geräten verwendet, da sie stabil sind und nur geringe Frequenzschwankungen aufweisen. Schwingkreise, die auf Quarzoszillatoren basieren, haben eine Genauigkeit in der Größenordnung von ppm, die wesentlich höher ist als bei anderen Schwingkreisen.
Die üblicherweise verwendeten Quarzoszillatoren werden sehr dünn ausgeschnitten, mit einer Dicke von 20 bis 50 Mikrometern. Außerdem sind auf der Plattenoberfläche des Quarzoszillators Elektroden angebracht, die den Anschluss an externe Klemmen und Elektroden ermöglichen. Die Dicke und die ausgeschnittene Fläche des Quarzes variieren je nach der erforderlichen Funktion des Quarzoszillators.
Frequenz des Quarzoszillators
Die Frequenz eines Quarzoszillators hängt von der Art des Kristallschliffs und der Dicke des Kristalls ab, wobei dünnere Kristalle für höhere Frequenzen und dickere Kristalle für niedrigere Frequenzen geeignet sind. Die Frequenz hängt auch von der Art des Schneidens ab. Mit der AT-Schneide-Methode beispielsweise erhält man Quarzoszillatoren, die in einem breiten Temperaturbereich verwendet werden können, der Frequenzen von 1 bis 300 MHz entspricht.
Andere Verfahren mit anderen Ausschnittwinkeln, bekannt als BT-Schnitt, decken einen Frequenzbereich von 7-38 MHz ab, und auch das Ausmaß der Frequenzänderung in Abhängigkeit von der Temperatur ist im Vergleich zum AT-Schnitt unterschiedlich. Quarzoszillatoren mit stimmgabelartigem Ausschnitt entsprechen 32,768 Kilohertz und werden in Uhren verwendet.
Belastungskapazität
Beim Einbau eines Quarzoszillators in eine Schaltung muss die Lastkapazität der Schaltung und des Quarzoszillators aufeinander abgestimmt werden. Die Lastkapazität ist der Wert der äquivalenten Kapazität in virtueller Reihe, wenn man den Schwingkreis von der Seite des Quarzoszillators aus betrachtet. Die Frequenzänderung als Reaktion auf Änderungen der Lastkapazität hängt vom Wert der Lastkapazität ab, so dass es notwendig ist, einen Quarzoszillator mit einer geeigneten Lastkapazität einzubauen, um die Schaltung zu stabilisieren.
Wenn ein Quarzoszillator verwendet wird, werden die Werte für die Schwingungsfrequenz, die Toleranzabweichung und die Lastkapazität des Quarzoszillators als Grundlage für die Anpassung der Schaltung verwendet. In einer tatsächlichen Schaltung gibt es jedoch Streukapazitäten, die durch verschiedene Faktoren erzeugt werden und zu Abweichungen von der Nennlastkapazität des Quarzoszillators führen können. Daher wird nach der Bestimmung der Differenz zwischen der Schwingungsfrequenz beim Einbau in die Schaltung und der Schwingungsfrequenz der Standardlastkapazität die Kapazität der Schaltung durch Feinabstimmung der Kapazität angepasst, um die Differenz gegen Null zu bringen.