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Weihnachten ohne Quarze ist heutzutage unvorstellbar! Warum? Schon die modernen Schaltuhren für die Außenbeleuchtung benötigen einen Quarz, um eine genaue Zeitbasis zu haben. Aber auch eine Vielzahl unserer Geschenke basiert auf modernster Elektronik. Handys, Smartwatches, PC`s – sie alle benötigen hochgenaue Taktgeber, um miteinander kommunizieren zu können. Ohne diese Kommunikation ist ihr Nutzen stark eingeschränkt, oder nicht mehr gegeben. Den dafür nötigen Takt erhalten die Geräte meist von einem Quarz, dem modernen „Herzen“.
„Schwingquarze verändern ihr Verhalten und ihre elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur“, erklärt Mathias Laskus, Ingenieur für Frequenzgebende Bauteile bei Jauch Quartz. Temperaturveränderungen führen somit zu Frequenzabweichungen. Diese Abweichung wird in „parts per million (ppm)“ gemessen – das bedeutet:
1ppm = 1 part per million = 0,000001 = 0,0001%
Die Temperaturempfindlichkeit von AT-Schnitt Quarzen
Schwingquarze im MHz-Bereich werden auch als AT-Schnitt Quarze bezeichnet. Darin verbaut sind dünne Quarzscheiben, die sogenannten Quarzblanks. Quarzblanks im AT-Schnitt werden im AT-Winkel, also bei 35° aus dem Quarzblock geschnitten. Die Dicke der Blanks ist wesentlich verantwortlich für die Grundfrequenz bei Raumtemperatur. Für die Abweichung der Frequenz bei anderen Temperaturen ist aber der genaue Winkel verantwortlich, mit dem dieses Quarzblank aus dem Quarzblock geschnitten wurde. Trifft man beim Zuschneiden den idealen Winkel mit 35°15‘ sehr genau, wird der Quarz wenig temperaturempfindlich.
Links sehen Sie verschiedene Schnittwinkelmöglichkeiten.
Die Temperaturempfindlichkeit verläuft dabei als Funktion einer kubischen Parabel. Hierbei führen beim Schneiden selbst minimale Ungenauigkeiten im Bereich einzelner Winkelsekunden zu einer Drehung der Kurve um den Wendepunkt. Damit verschlechtert sich die Temperaturempfindlichkeit im gewünschten Temperaturbereich für die spätere Anwendung. Bei der Herstellung der Blanks kann wegen der möglichen maximalen Fertigungsgenauigkeit der perfekte Schnittwinkel nur begrenzt genau getroffen werden. Daher müssen die hergestellten Blanks nach ihrer Abweichung sortiert werden, um sie entsprechend ihrer Genauigkeit für die passenden Quarze einzusetzen.
Temperaturabhängigkeit von Stimmgabelquarzen
Bei Stimmgabelquarzen (auch Uhrenquarze genannt) beschreibt die Funktion einer invertierten Parabel die Temperaturabhängigkeit der Frequenz. Der Scheitelpunkt der Parabel bei einer temperaturbedingten Frequenzabweichung von 0 ppm liegt in diesem Fall bei 25 °C. Bei niedrigeren und bei höheren Temperaturen, sprich links und rechts von diesem Punkt fällt die Frequenz zunehmend – und zwar entsprechend einem quadratischen Verlauf. Wenn der Quarz in der Schaltung korrekt angepasst ist, kommt es z.B. bei einer RealTimeClock temperaturbedingt zu einem Nachlaufen. Das muss der Entwickler einer Anwendung unbedingt berücksichtigen.
Was bedeutet das für die Anwendung?
Beide Temperaturkurven zeigen, dass vor allem Extremtemperaturen einen Einfluss auf die Frequenz von Quarzen haben. Für einen Großteil der Anwendungen ist eine leichte temperaturbedingte Veränderung der Frequenz, z.B. von +/-15 ppm im Bereich von -40 °C bis +85°C kein Problem. Ist doch eine genauere Frequenz erforderlich, empfiehlt sich die Nutzung eines temperaturkompensierten Quarz-Oszillators, genannt TCXO. Dieser liefert eine sehr hohe Frequenzgenauigkeit im Bereich weniger ppm auch über weite Temperaturbereiche hinweg.
Gerne beraten wir Sie bei der Wahl des richtigen Taktgebers für Ihre Anwendung.
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