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quarz3.jpg Ein Schwingquarz – kurz Quarz genannt – ist ein aus einem piezoelektrischen Quarzkristall herausgeschnittenes Quarzplättchen, das beidseitig metallisiert und kontaktiert und, nur durch die Anschlüsse gehalten, frei in einem luftdichten Gehäuse montiert ist.
Der Schwingquarz führt im elektrischen Wechselfeld Deformationsschwingungen (Longitudinal-, Torsions- oder Biegeschwingungen) aus, wenn die Frequenz des Wechselfeldes mit der Eigenfrequenz des Quarzplättchens übereinstimmt. So wirkt der Schwingquarz wie ein elektrischer Resonanzkreis mit sehr geringer Dämpfung (= sehr hohem Gütefaktor). quarz5.jpg
Ein Quarz kann in Serien- oder Parallelresonanz betrieben werden. Die beiden Eigenfrequenzen liegen sehr eng beieinander. Die Resonanzfrequenz lässt sich geringfügig auch durch die äußere Beschaltung beeinflussen. Häufig wird dazu ein Trimmer mit wenigen pF parallel zum Quarz geschaltet, um Herstellungstoleranzen ausgleichen zu können.
Die Eigenfrequenzen des Quarzes sind in geringem Maße von der Temperatur abhängig. Der Temperaturkoeffizient lässt sich jedoch durch Wahl des Quarzschnitts (Geometrie in Bezug auf die Kristallachsen) beeinflussen, so dass er für die Verwendung als Zeitbasis sehr gering gehalten werden kann.
Anwendungen
Schwingquarze finden hauptsächlich Anwendung in der gesamten Elektrotechnik und Nachrichtentechnik; überall dort, wo eine konstante Frequenz oder eine genaue Zeitbasis gebraucht wird, sind sie zu finden. Sie finden sich z. B. in praktisch allen Sendeanlagen, seltener in Empfängern, in allen Quarzuhren, als Taktgeber in Computern und bei Mikrocontrollern sowie in Frequenzzählern und digitalen Signalgeneratoren. Ebenso eigenen sich Quarze zur Realisierung von Filtern.Mit entsprechend geschnittenen Quarzen sind durch den Temperaturgang der Resonanzfrequenz sehr genaue Temperatursensoren herstellbar.
In Beschichtungsanlagen dienen frei aufgehängte Schwingquarze der Messung der erreichten Schichtdicke, indem die Änderung ihrer Resonanzfrequenz verfolgt wird, die durch die Massenzunahme infolge der auf dem Quarz entstehenden Schicht entsteht.
Siehe auch: Quarzoszillator
Elektrische Ersatzschaltung
Schwingquarz Ersatzschaltbild.gif
Elektrisch verhält sich ein Schwingquarz in einer Oszillatorschaltung wie ein Serienresonanzkreis bestehend aus einer Induktivität L und Kapazität C. Da ein Schwingquarz ein mechanisches System ist, treten in der Ersatzschaltung neben der statischen Kapazität C0, verursacht durch die elektrischen Anschlüsse am Quarz, auch die durch das mechanische System gebildete dynamische Kapazität C, die durch die schwingende Masse verursachte Induktivität L und die mechanischen Schwingungsverluste (Reibung), dargestellt durch den ohmschen Widerstand R, auf. Für hohe Frequenzen muss das elektrische Ersatzschild noch durch einen Serienwiderstand für die ohmschen Verluste und einer kleinen Serieninduktivtät für die elektrischen Anschlussleitungen erweitert werden.
Typisch sind dabei sehr grosse Werte für die Induktivität L und sehr kleine Werte für die Kapazität C, welche beide das mechanische System elektrisch abbilden. Beispielsweise liegen die Werte bei einem handelsüblichen Schwingquarz mit 10 MHz bei L=25 mH und C=0.01 pF. Die mechanischen Verluste bewegen sich im elektrischen Ersatzschaltbild im Bereich von R=65 Ohm, die statische Anschlusskapazität C0 im Bereich von 5 pF.
Aufgrund der Beziehung für die Güte Q eines Resonanzkreises
ergibt sich wegen des grossen Werts für L und des sehr kleinen Werts für C eine sehr hohe Güte. Die Güte liegt dabei im Bereich von 25000 und mehr. Die Bandbreite B einer Resonanzschaltung wird direkt durch die Beziehung
ausgedrückt. Bei einem Quarz mit =10 MHz liegt somit die Bandbreite im Bereich von 400 Hz, was die hohe Frequenzgenauigkeit von Schwingquarzen erklärt.
Weblinks
Das große Quarzkochbuch
Passives Bauelement | Temperaturmessung | Elektrische Filter | Uhr
Krystal (elektronik) | Crystal oscillator | 水晶発振子 | Kryštál (elektronika)
"Schwingquarz"
