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Quarzoszillatoren - was sind sie und wie funktionieren sie?

Veröffentlicht am 2022-10-27

Auf den ersten Blick ist es uns vielleicht nicht bewusst, doch ein großer Teil der elektronischen Geräte wäre ohne die Möglichkeit einer genauen Zeitmessung nicht funktionsfähig. Ermöglicht wird dies durch kleine und kostengünstige, jedoch äußerst wichtige Quarzoszillatoren. In diesem Artikel stellen wir Ihnen eine Gruppe von Bauteilen vor, dank derer so gut wie alle heutigen Uhren, Mikroprozessoren und eine breite Palette anderer Geräte funktionieren.

Warum war die Erfindung des Quarzoszillators eine Revolution?

Mit der Erfindung der Funkkommunikation Ende des 19. Jahrhunderts entstand die Notwendigkeit, die Frequenz von Sendern und Empfängern präzise zu kontrollieren. Dadurch konnten Geräte Informationen effizient übertragen, ohne andere nahegelegene Geräte zu stören. Ursprüngliche Funkgeräte und drahtlose Telegraphen nutzten hierfür LC-Schaltungen, also Resonanzkreise, die aus einer Spule und einem Kondensator bestanden. Diese Schaltungen hatten jedoch eine geringe Stabilität - sie konnten relativ leicht verstimmt werden, etwa durch Temperaturänderungen. Dies führte zu ernsthaften Problemen wie Interferenzen zwischen benachbarten Funkkanälen und der Notwendigkeit häufiger Abstimmung der Empfänger. [caption id="attachment_74287" align="aligncenter" width="1200"] Schaltbild eines LC-Resonators. Seine Frequenz hängt von der Kapazität des Kondensators und der Induktivität der Spule ab.[/caption] Mit Siliziumkristallen basierende Resonatoren wurden bereits in den 1920er Jahren entwickelt. Aufgrund ihrer wesentlich höheren Frequenzstabilität wurden sie schnell zum Standard in der damaligen Radiotechnik. Sie waren auch lange Zeit die genauesten Geräte zur Zeitmessung, bis die Atomuhr erfunden wurde. Anfangs wurden Quarzoszillatoren aus natürlichen Kristallen hergestellt. Die steigende Nachfrage nach diesem Rohstoff, besonders während des Zweiten Weltkriegs, leitete Forschungen zur Herstellung von synthetischem Quarz ein. Die Entwicklung einer hydrothermalen Methode in den 1950er Jahren ermöglichte die großtechnische Zucht von Quarzkristallen. Heute werden praktisch alle in der Elektronik verwendeten Kristalle synthetisch hergestellt.

Wie funktioniert ein Quarzoszillator?

Der Quarzoszillator nutzt die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarzkristallen. Der piezoelektrische Effekt besteht darin, dass auf der Oberfläche des Kristalls elektrische Ladungen unter mechanischer Spannung entstehen, und umgekehrt - der Kristall verformt sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung. Die Kristalle in Oszillatoren sind mit dünnen Elektroden versehen, die direkt auf ihrer Oberfläche aufgedampft sind. Dadurch können die Kristallschwingungen leicht in elektrische Signale umgewandelt werden und umgekehrt. Als Quarzoszillator bezeichnet man den Resonator zusammen mit der Schaltung, die seine Schwingungen anregt und aufrechterhält. Beim Einschalten des Oszillators wird der Kristall durch das elektrische Signal in Schwingungen versetzt - dieser Moment ist vergleichbar mit dem Anschlagen einer Stimmgabel. Aufgrund der exakt definierten Resonanzfrequenz arbeitet der Kristall wie ein Bandpassfilter - er hält Schwingungen nahe dieser Frequenz aufrecht und dämpft alle anderen. Diese Frequenz hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem der Form des Kristalls (z.B. Platte, Scheibe oder Gabel), seiner Größe und der Art der Schwingungsverteilung. [caption id="attachment_74290" align="aligncenter" width="1200"] Im Inneren eines Quarzoszillators. Sichtbar ist ein Scheibenförmiger Siliziumkristall samt angeschlossenen Elektroden.[/caption] Das Signal von den Elektroden des schwingenden Kristalls wird von der Oszillatorschaltung verstärkt und dann wieder an den Kristall zurückgegeben - es findet eine positive Rückkopplung statt. Mit jedem Schwingungszyklus verstärken sich die Schwingungen, bis sich das System stabilisiert hat. Am Ausgang des Oszillators erhält man dann ein stabiles Signal mit typischerweise rechteckförmigem Verlauf, das beispielsweise als Taktsignal verwendet werden kann.

Wo werden Quarzoszillatoren eingesetzt?

Kristalle mit niedriger Frequenz werden am häufigsten in Echtzeituhr-Modulen (RTC) verwendet. Man findet sie in nahezu allen modernen elektronischen und digitalen Uhren, einschließlich Armbanduhren. Der in Uhrenquarzen weit verbreitete Standard beträgt 32,768 kHz. Am häufigsten sind sie in zylindrischen Gehäusen mit Durchsteckmontage zu finden, es gibt aber auch deutlich kleinere Varianten mit Oberflächenmontage. Üblicherweise sind Quarzoszillatoren und -generatoren mit Frequenzen von wenigen bis mehreren zehn MHz verbreitet. Sie finden breite Anwendung in der Digitaltechnik - sie dienen zur Erzeugung von Taktsignalen für Mikroprozessoren, Schnittstellen und drahtlose Kommunikationssysteme. Quarzoszillatoren sind in fast allen Geräten zu finden, die für ihre Arbeit genaue Zeit- oder Frequenzmessungen benötigen. [caption id="attachment_74292" align="aligncenter" width="1200"] Der auf dem Bild sichtbare Quarz Q3 mit 12 MHz ist für die Taktung des STM32-Mikrocontrollers verantwortlich. Der zusätzliche Quarz Q2 ist Teil der Echtzeituhr-Schaltung.[/caption] Eine weitere Gruppe bilden SAW-Resonatoren (Surface Acoustic Wave), deren Frequenzbereich von mehreren zehn MHz bis zu einigen GHz reicht. Sie werden hauptsächlich in der Funkkommunikation verwendet, um Frequenzen zu stabilisieren und als hochwertige Filter. Wie andere Quarzoszillatoren zeichnen sie sich durch hohe Genauigkeit und Frequenzstabilität bei vergleichsweise niedrigen Kosten aus. Ein einzelner SAW-Resonator ermöglicht eine präzise Wahl der Arbeitsfrequenz eines Senders oder Empfängers, erlaubt aber keine Frequenzregelung. Deshalb sind sie ideal für kostengünstige Fernbedienungen, etwa Torfernbedienungen, Alarmsysteme oder andere Haushaltsgeräte. Man findet sie auch in Funkgeräten im ISM-Band und in Fernseh-Empfängern. Betrachten wir ein Beispiel eines SAW-Resonators – unser Angebot WTL2Y36723PZ mit 433,92 MHz. Dies ist eine effektive Lösung für Fernbedienungen - sie ermöglicht die Erstellung einfacher und günstiger Funk-Sender oder empfänger mit wenigen Bauteilen. In der nachstehenden Tabelle sind die wichtigsten Parameter des WTL2Y36723PZ-Resonators aufgeführt:
Symbol WTL2Y36723PZ
Typ SAW-Resonator
Frequenz 433,92 MHz ±75 kHz
Montage SMD
Gehäuse 3,2×2,5 mm
Betriebstemperaturbereich -40°C bis +85°C
Wir laden Sie ein, sich mit dem umfangreichen Angebot an Quarzoszillatoren und Keramikfiltern der Firma InterElcom vertraut zu machen, und bei Fragen unser Kontaktformular zu nutzen.