Hobby-Elektronik: Schwingquarz und Quarz-Oszillatoren
Der piezoelektrische Effekt. Quarz zeigt wie einige andere Kristalle (u.a. Seignette-Salz, Turmalin) den piezoelektrischen Effekt (piezein (griech) = drücken, pressen). Hierunter versteht man die Erscheinung, daß unter mechanischem Druck oder Zug des Kristalls an seinen Oberflächen elektrische Ladungen entstehen (Anwendung z.B. Zündmechanismus bei Gasfeuerzeugen). Dieser Effekt ist umkehrbar, d.h. daß beim Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Seiten z.B. eines Quarz-Kristallplättchens dieses sich mechanisch verformt.
Schwingquarz. Legt man an einen solchen Kristall eine Wechselspannung an, so beobachtet man bei einer bestimmten Frequenz eine Resonanz, bei der der Quarz in mechanische Schwingung gerät und einen besonders hohen Wechselstromwiderstand ähnlich einem Schwingkreis aus Spule und Kondensator hat, mit dem Unterschied, daß kein Gleichstrom fließt, da Quarz eine guter Isolator ist. Man kann daher in den meisten Oszillatorschaltungen (mit geeigneter Modifikation) den Schwingkreis durch einen Schwingquarz ersetzen und erhält wegen der sehr scharfen Resonanz einen sehr frequenzstabilen Oszillator besonders hoher Güte.
Schwingquarze werden meist als Plättchen (auch Stäbe oder Gabeln) hergestellt, die durch eine metallische Bedampfung auf den beiden Seiten elektrisch kontaktiert und in einem luftdichten, mit einem Schutzgas gefüllten Gehäuse aus Metall oder Glas untergebracht sind. Bild 1 zeigt links einen 4,43 MHz-Quarz im Metallgehäuse, rechts, ohne Gehäuse, das mit Silber-Bedampfung kontaktierte Quarz-Plättchen in einer Halterung, die auch als Spannungszuführung dient.
Die Dicke d des Plättchens bestimmt die Resonanzfrequenz f. Es ist f = N/d , wobei N = 1670 ist und f in kHz, d in mm zu rechnen sind. Es werden Quarze für etwa 10 kHz bis 30 MHz als Grundton- und bis etwa 250 MHz als Oberton-Schwingquarze hergestellt. Am häufigsten findet sich der sogenannte AT-Schnitt, (bei dem die Kristallplättchen parallel zur 01-1-Kristallebene aus dem Quarzkristall herausgeschnitten werden), da der dabei senkrecht zu dieser Ebene genutzte Piezoeffekt in der Umgebung von Raumtemperatur fast temperaturunabhängig ist. AT-Quarze sind Dicken-Scher-Schwinger.


Theorie und Praxis zeigen, daß der Schwingquarz zwei Resonanzfrequenzen hat, die Serien-Resonanzfrequenz fs und wenig (ca. 0,1 %) darüber die Parallel-Resonanzfrequenz fp. Bild 2a zeigt grobschematisch den Wechselstromwiderstand (Impedanz Z) als Funktion der Frequenz. Bei fs hat der Schwingquarz einen besonders niedrigen, bei fp einen besonders hohen Wechselstromwiderstand. Durch einen Last-Kondensator Cr in Reihe mit dem Schwingquarz kann fs, durch einen Last-Kondensator Cp parallel zum Quarz kann fp geringfügig verschoben und auf die gewünschte Frequenz "gezogen" werden. Und zwar verschiebt sich bei Vergrößerung des Reihenkondensators Cr die Frequenz fs' zu höheren Werten (Bild 2b), bei Vergrößerung des Parallelkondensators Cp die Frequenz fp' zu niedrigeren Werten (Bild 2c), d.h. die tatsächliche Schwingfrequenz liegt immer zwischen den beiden theoretischen Werten fs und fp. Häufig wird auch ein bestimmter Lastkondensator-Wert (ca. 10 bis 50 pF) angegeben, bei dem der Schwingquarz auf den Nennwert abgeglichen ist.

Als Ziehempfindlichkeit bezeichnet man die Verschiebung der Resonanzfrequenz, die sich bei Änderung des Kondensatorwertes um 1 Picofarad ergibt. Sie liegt bei Quarzen von einigen Megaherz bei etwa (20exp-6)/pF (Schreibweise für: 20 mal 10 hoch minus 6 pro pF).
Rechenbeispiel: Zu einem 5 MHz-Schwingquarz liege ein Timmerkondensator von insgesamt Cp = 20 pF parallel (Bild 2c). Eine Verstellung des Trimmers um 5 pF entspricht dann einer Verschiebung von 5 x 20exp-6 x 5 MHz, das sind 50 kHz.

Oszillator. Mit Schwingkreis oder Schwingquarz aufgebaute Oszillatoren für eine Festfrequenz sind so stark rückgekoppelte (Mitkopplung) Verstärker, daß sie auf der durch das frequenzbestimmende Glied festgelegten Frequenz schwingen. Sie lassen sich nach Art der Rückkopplung in drei Grundschaltungen gliedern.

Bild 3 zeigt das Prinzipschaltbild dieser drei Grundschaltungen in der oberen Reihe mit LC-Schwingkreis und darunter die entsprechende Quarz-Version. Die Widerstände deuten die Betriebsspannungs-Einstellung an. Man beachte jedoch, daß wechselspannungsmäßig +Ub und Ground GND durch einen großen Kondensator kurzgeschlossen sind und daher als miteinander verbunden zu betrachten sind !
Bild 3a: Colpitts-Oszillator. Hierbei wird von der am frequenzbestimmenden Schwingkreis aus L, C1, C2 entstehenden Wechselspannung durch kapazitive Spannungsteilung ein Teil über Ck auf die Basis zurückgekoppelt. Bild 3b: Hartley-Oszillator: wie a) jedoch mit induktiver Spannungsteilung. (a), b) heißen auch kapazitive bzw. induktive Dreipunktschaltung) Bild 3c: Meissner-Oszillator Hier wird von der am frequenzbestimmenden LC-Schwingkreis entstehenden Wechselspannung ein Teil durch induktive Ankopplung zurückgekoppelt.
Bild 3aa): Die zu a) entsprechende Quarzversion. Der Quarz Q ersetzt die Induktivität L. Der hohe Resonanz-Widerstand des hier in Parallelresonanz betriebenen Quarzes bildet einen Schwingkreis hoher Güte mit hoher Frequenz-Genauigkeit und Stabilität. Bild 3bb): Hartley-Quarzoszillator mit Quarz im Rückkopplungszweig. Der niedrige Resonanz-Widerstand des hier in Serienresonanz arbeitenden Quarzes sorgt für eine kräftige Rückkopplung. Bild 3cc): Meissner-Oszillator mit Quarz in Serienresonanz im Rückkopplungszweig.

Die Prinzipschaltungen in Bild 3 zeigen den Transistor in Emitterschaltung (Emitter an GND). Ebenso lassen sich alle Schaltungen mit geerdetem Kollektor oder geerdeter Basis aufbauen. Rechnet man noch alle möglichen Varianten hinzu, so kommt man zu einer kaum übersehbaren Vielfalt von Oszillatorschaltungen.
Einige angewandte Schaltungen zeigt die folgende Seite.

(25.10.2010)