Resonators and Generators
(4 806)Was sind Quarz-Resonatoren, -Widerstände und -Oszillatoren?
Ein Quarzresonator ist ein elektronisches Element, dank dessen die ihn verwendenden Systeme die Zeit mit hoher Präzision messen können. Diese Genauigkeit ist das Ergebnis des Auftretens von elektrischen Impulsen in regelmäßigen Abständen, die genau durch den Quarzresonator bereitgestellt werden. Wir definieren ein solches Phänomen als Taktung mit konstanter Frequenz. Vorhanden sind diese Elemente u.a. auf Mikrocontroller-Entwicklungsplatinen, Computern, TV-Fernbedienungen, Spielzeugen, Uhren und vielen anderen häufig verwendeten elektronischen Geräten. Quarzresonatoren sind allgemein auch als Quarz, bekannt, aber man kann auch auf Begriffe wie Quarzwiderstand oder Quarzoszillator finden.
Arten von Resonatoren
Es gibt verschiedene Arten von Resonatoren. Die beliebtesten davon sind Quarzresonatoren, aber es gibt auch Keramikresonatoren sowie die immer beliebter werdenden Siliziumresonatoren. Eine besondere Art von Oszillatoren sind Uhrenresonatoren.
Quarzresonatoren bestehen aus einem präzise geschnittenen Quarzkristall, also Siliziumdioxid (SiO2), der zwei Anschlüsse hat. Sie sind an seinen metallbespritzten Fragmenten befestigt. Die unterschiedliche Eigenfrequenz des Resonators wird durch die unterschiedliche Form und Größe des Quarzes erreicht, der bei seiner Konstruktion verwendet wurde. Keramische Resonatoren haben eine ähnliche Struktur, aber ihr Hauptelement ist ein anderes piezoelektrisches Material als Quarz.
Quarzresonatoren arbeiten auf der Grundlage des piezoelektrischen Phänomens, das den Mechanismus der Bildung einer elektrischen Ladung (Spannung) an den Enden eines Elements aus piezoelektrischem Material infolge einer darauf einwirkenden Kraft beschreibt. Diese Kraft führt zur Bildung von mechanischen Spannungen darin. Piezoelektrisches Material zeigt auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt. Wenn die Spannungsdifferenz an seinen Enden angelegt wird, verformt es sich. Der mit dem elektronischen System verbundene Quarzresonator versetzt dieses in Schwingung, was durch Energiezufuhr zum System eine mechanische Resonanz mit einer Frequenz gleich der Eigenfrequenz des verwendeten Schwingquarzes bewirkt. Meistens ist es an ein System in Form eines Pierce-Systems angeschlossen.Manchmal findet man fertige Module in Form von Impulsgeneratoren. Sie haben ein eingebautes Elektroniksystem und in der Regel 4 Pins, die für die Zufuhr der Masse und Stromversorgung, die Ausgabe der erzeugten Impulse und den für die Steuerung verantwortlichen Eingang zuständig sind.
Eigenschaften von Quarzresonatoren - Genauigkeit und Frequenz
Die Genauigkeit von Quarzresonatoren wird durch eine Einheit namens ppm (parts per million) bestimmt. Beispielsweise entspricht 1 % Genauigkeit einem Wert von 10 000 ppm. Es ist unter anderem besonders wichtig in hochwertigen Uhren, damit sie nicht länger als ein paar Sekunden am Tag vor- oder nachgehen. Die höchste Genauigkeit weisen Quarzresonatoren mit durchschnittlich mehreren Dutzend ppm auf, was in der Praxis den Bereich von 3 bis 100 ppm bedeutet. Die derzeit hergestellten Keramikresonatoren haben eine sehr ähnliche Stabilität, die jedoch bei etwa 10 ppm beginnt, während Uhrenresonatoren den Wert von 20 ppm nicht überschreiten.
Zu beachten ist, dass die Genauigkeit und Stabilität der vom Quarzresonator erzeugten Impulse von der Temperatur stark abhängig ist. Aufgrund ihrer Beschaffenheit findet man in einem Gehäuse geschlossene Resonatoren, in dem dank einer zusätzlichen Elektronik eine konstante Temperatur herrscht, die diese auf einem solchen Niveau hält. Eine interessante Tatsache ist, dass die Frequenz der vom Resonator erzeugten Impulse sogar durch seine räumliche Ausrichtung in Bezug auf den Gravitationsvektor beeinflusst werden kann, weil die Gravitationskraft sonst die Eigenfrequenz seines Kristalls in gewissem Maße verändern könnte.
Neben der Genauigkeit ist bei Quarzresonatoren natürlich auch deren Frequenz wichtig. Dieser Wert kann von mehreren Dutzend Kilohertz [kHz] bis zu mehreren Dutzend Megahertz [MHz] variieren. Uhrenresonatoren erweisen sich hier als am interessantesten, da sie praktisch immer eine Frequenz von 32,768 kHz haben. Denn wenn wir diesen Wert durch zwei hoch fünfzehn teilen, erhalten wir einen Impuls pro Sekunde, was die Zeitbasis der analogen Uhr ist.
Markierungen von Quarzresonatoren
Wenn auf dem Quarzresonator eine Markierung zu finden ist, ist dies normalerweise seine Frequenz. Leider können, wie die meisten Geräte, auch Quarzresonatoren mit der Zeit durch Alterung ihre Frequenzparameter etwas verändern.
Auswahl an Quarzresonatoren
Quarzoszillatoren sind, wie praktisch jedes andere elektronische Bauteil, in Gehäusen zu finden, die für die THT- oder SMD-Montage ausgelegt sind.
Bei der Auswahl des geeigneten Quarzresonators hinsichtlich mechanischer Verträglichkeit sollte dessen Kontaktraster berücksichtigt werden. Dieser Begriff wird verwendet, um die Abstände zwischen den Achsen der Ausgänge von elektronischen Komponenten zu definieren, d.h. von integrierten Schaltkreisen oder Klemmleisten. Unter den Standardwerten des Kontaktrasters für Quarzresonatoren finden wir hauptsächlich 0,7 mm, 1,1 mm, 2,54 mm, 4,88 mm und 5,1 mm.
Die beliebtesten Gehäuse, in denen man Quarzoszillatoren finden kann, sind hauptsächlich das zylindrische Gehäuse, HC-49, HC-49-S, HC-49 / U, TC26 und TC38, bei denen es sich um Gehäuse mit Durchgangslochmontage (THT) handelt, sowie HC- 49SM und HC-49SMD für Oberflächenmontage (SMD).
Man kann auch auf eine Reihe anderer Parameter achten, wie z. B. Betriebstemperatur, die von etwa -55 ° C bis 150 ° C reichen kann, Leistung, für solche Komponenten in Milliwat [mW] oder sogar Nanowatt [nW] angegeben, aber auch die Kapazität, deren Wert zwischen etwa 6 pF (Pikofarad) und 30 F liegen kann.
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