Schwingquartze - Begriffe / Eigenschaften

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Schwingquartze
Begriffe
Definitionen
1. Steuerquartz
Schwingquartz, der in einer Oszillatorschaltung als frequenzbestimmendes Bauteil
eingesetzt wird
2. Filterquartz
Schwingquartz, der in Siebschaltungen hoher Selektivität und Konstanz eingesetzt
wird
3.1. Serienresonanzfrequenz fs
Diejenige Frequenz, für die der Scheinwiderstand des Ersatzschaltbildes unter
Vernachlässigung des R1 Null ist. Direkt nicht meßbar, aber rechnerisch
bestimmbar; wird nicht spezifiziert!
3.2. Resonanzfrequenz fr
Diejenige Frequenz in der Nähe der Serienresonanzfrequenz, bei welcher der
Scheinwiderstand des Schwingquartzes reell ist. Direkt meßbar und wird fast immer
spezifiziert. Wird in vielen Spezifikationen fälschlicherweise als
Serienresonanzfrequenz bezeichnet (s. 3.1.)
3.3. Parallelresonanzfrequenz fp
Diejenige Frequenz, für die der Scheinwiderstand des Ersatzschaltbildes unter
Vernachlässigung des R1 unendlich ist. Sie errechnet sich wie folgt:
fp =
1
C1 ⋅ C0
2π L1
C1 + C0
3.4. Antiresonanzfrequenz fa
Diejenige Frequenz in der Nähe der Parallelresonanzfrequenz fp, bei welcher der
Scheinwiderstand des Schwingquartzes reell ist. Wird selten spezifiziert, kann direkt
gemessen werden.
3.5. Nennfrequenz f0
Diejenige Frequenz, für welche ein Schwingquartz nach einem Datenblatt gefertigt
und benannt wird. Wird immer angegeben.
3.6. Arbeitsfrequenz fw
Auch Istfrequenz genannt, ist diejenige Frequenz, die durch das Zusammenwirken
von Oszillatorschaltung und Schwingquartz erzeugt wird.
3.7. Nebenresonanzen
Resonanzstellen des Schwingquartzes außer seinen Grund- und Obertonresonanzstellen. Spezifiziert wird bisweilen der Frequenzbereich innerhalb welches sie
zulässig sind, zugleich mit Angabe ihres Abschwächungsmaßes in Bezug auf die
Hauptresonanz.
4. Abgleichtoleranz
Zulässige Abweichung von der Nennfrequenz f0 nach beiden Seiten unter
bestimmten Betriebsbedingungen, z. B. Belastung 15 µW, Temperatur +23°C.
5. Ersatzschaltbild
Zweipolanordnung elektrischer Schaltelemente, deren Schaltung untereinander und
deren Größe das elektrische Verhalten eines Schwingquartzes in dem engen
Frequenzbereich einer Resonanzstelle nachbildet. Es ist:
C1
L1
C0
R1
L1 = dynamische Induktivität 10-3 - 105 H
C1 = dynamische Kapazität 10-12 - 10-18 F
0
5
R1 = dynamischer Verlustwiderstand 10 - 10 Ω
C0 = statische Parallelkapazität 1 - 50 pF
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5.1. Dyn. Verlustwiderstand R1
Durch ihn werden alle Verluste des Quartzes nachgebildet. Wird am genauesten
gemessen, wenn C0 mit einer Parallelinduktivität hoher Güte genau auf die
Serienresonanzfrequenz des Schwingquartzes abgestimmt wird.
5.2. Serienwiderstand Rr
Der reelle Widerstand, der bei der Frequenz fr gemessen wird. Wird fast immer
spezifiziert und durch direkte Messung ermittelt.
5.3. Eff. Serienwiderstand R’r
Der reelle Widerstand der Kombination: Schwingquartz in Serie mit einer
bestimmten Lastkapazität CL (s. 7.), wobei die Resonanzfrequenz fr um einen
gewissen Betrag f auf fr’ nach oben verschoben wird. Wird direkt gemessen.
Relation zu Rr:
⎛
C ⎞
R r ' = R r ⎜1 + 0 ⎟
⎝ CL ⎠
²
5.4. Parallelwiderstand Ra
Reeller Widerstand des Schwingquartzes bei der Antiresonanzfrequenz fa.
5.5. Eff. Parallelwiderstand Ra’
Reeller Widerstand des Schwingquartzes in Kombination mit einer parallel zu ihm
geschalteten Lastkapazität CL bei der um f auf fa’ nach unten verschobenen
Antiresonanzfrequenz.
5.6. Dynamische Induktivität L1
Elektrischer Ersatzparameter, um das induktive Verhalten des Schwingquartzes
oberhalb seiner Serienresonanz, sowie seine Resonanzstellen nachzubilden. Nicht
direkt meßbar, doch durch Messungen und Berechnung genau bestimmbar.
5.7. Dynamische Kapazität C1
Elektrischer Ersatzparameter, um das kapazitive Verhalten des Schwingquartzes
kurz unterhalb seiner Serienresonanz und kurz oberhalb seiner Parallelresonanz,
sowie seine Resonanzstellen nachzubilden.
5.8. Statische Parallelkapazität C0 Die elektrische Kapazität des Schwingquartzes als Kondensatorgebilde, bestehend
aus seinen Elektroden und der Quartzplatte als Dielektrikum, seinen Elektroden
und dem Metallgehäuse plus die Quartzhalterkapazität. Direkt meßbar und des
öfteren spezifiziert.
6. Güte Q
7. Lastkapazität CL
Sie ist gegeben durch den Ausdruck:
theoretisch:
Q=
in der Praxis:
Q=
ω s L1
R1
ω r L1
Rr
=
=
1
ω s R 1C1
ω s = 2π f s
1
ω = 2π f r
ω r R 1C1 r
Eine elektrische Kapazität (Kondensator), der überwiegend in Serie mit dem
Schwingquartz oder sehr selten parallel zu ihm geschaltet ist, wird fast immer als
Serienlastkapazität spezifiziert; CL = 5 - 220 pF.
C1
L1
R1
CL
C0
Die Serien-CL verschiebt die Serienresonanzfrequenz des Schwingquartzes stets
nach oben und transformiert die Ersatzgrößen L1 und R1 zu größeren Werten.
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8. Arbeitstemperaturbereich
Derjenige Temperaturbereich, in welchem die vorgeschriebenen Eigenschaften
des Schwingquartzes innerhalb der zulässigen Toleranzen liegen müssen.
8.1. Frequenz/TemperaturCharakteristik
Die Hüllkurve, die sich ergibt, wenn die Änderungen der Resonanzfrequenz fr
(in ppm), die sich bei Temperaturänderungen einstellen, als Ordinaten auf der
Temperaturachse als Abszissenachse in den entsprechenden Temperaturpunkten
aufgetragen werden. Diese Frequenz/Temperaturcharakteristik folgt der
mathematischen Kurvengleichung einer kubischen Parabel, deren Verlauf jedoch
durch die Befestigung des Quartzvibrators und die Herstellungstechnologie
unbedeutend bis stark gestört ist.
8.2. Umkehrpunkte
Die Punkte der Frequ./Temp.-Charakteristik, die eine Horizontaltangente haben.
9. Belastung
Die im Schwingquartz selbst verbrauchte elektrische Leistung als Folge seiner
dielektrischen und Reibungsverluste, die durch den Serienresonanzwiderstand R1
nachgebildet werden. Sie ist in der Praxis:
N V ≈ R r⋅ I Q ² ≈
UQ ²
Rr
NV = die elektrische Verlustleistung
Rr = der Serienwiderstand
IQ = der durch den Schwingquartz fließende Strom
UQ = die am Schwingquartz anliegende Spannung
wobei R r ≈ R 1
Sie sollte immer spezifiziert werden, da alle Betriebsparameter des
Schwingquartzes belastungsabhängig sind.
10. Schwingungsformen
Die ausgeprägteste Schwingungsform, die in der Nennfrequenz schwingt, z.B.
Biege-, Längs-, Konturscher- und Dickenscherschwingung.
11. Grundtonschwingquartz
Ein Quartz, der in der Grundfrequenz der vorgegebenen Schwingungsform
schwingt.
12. Obertonschwingquartz
Ein Quartz, der in einer oberharmonischen Frequenz der vorgegebenen
Schwingungsform schwingt, z.B. AT-Schnitt im 3. Oberton.
13. Elektroden
An der Oberfläche eines Quartzelementes angebrachte elektrisch leitende
Schichten, die das Anlegen einer elektrischen Spannung an dieses und somit das
Entstehen eines elektrischen Feldes im Quartzmedium ermöglichen.
14. Schwingquartzgehäuse
Auch Schwingquartzhalter bezeichnet, ein Kleingehäuse bestehend aus
Bodenplatte mit Innenaufbau und Kappe, zur Befestigung und zum Schutz des
Quartzvibrators gegen mechanische und Umwelteinflüsse. Die elektrische
Verbindung nach außen erfolgt durch Glasdurchführungen in der Bodenplatte.
15. Frequenzstabilität
Die Grundeigenschaft des Schwingquartzes, während kurzer (0,1 - 10 s) und langer
(Jahre) Zeitperioden seine Frequenz nur sehr wenig zu verändern.
Praktische Beispiele:
Kurzzeitstabilität
innerhalb 10 s
Δf / f0 = ±5.10-10
Langzeitstabilität
nach d. 1. Jahr
nach 10 Jahren
Δf / f0 = ±1.10-6
Δf / f0 = ±3.10-6
Literaturnachweis: Katalog der Firma Quarz-Technik in Daun/Eifel
Seite - 5 -
Ausgabedatum: 07-12-14