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Quarzresonatoren werden in der Elektronik eingesetzt, um die Präzision der Zeitmessung zu gewährleisten.
Quarzresonatoren - was sind sie?
Jede Uhr und jeder Computer enthält einen Quarzresonator. Dies ist ein Bauteil, das in der Elektronik verwendet wird, um eine gleichmäßige Schwingungsfrequenz zu erzeugen. Mit deren Hilfe ist es möglich, die Zeit für eine Vielzahl von Zwecken genau zu messen – sowohl in Armbanduhren zur Information des Benutzers als auch in Computern zur Synchronisierung digitaler Signale.
In der Elektronik werden manchmal so genannte diskrete Schaltungen mit Kondensatoren, Widerständen und Transistoren für ähnliche Zwecke verwendet. Es ist zu bedenken, dass eine solche Lösung bei Änderungen der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit oder einfach des Wertes der Versorgungsparameter wesentlich schlechtere Ergebnisse liefert.
Generatoren, die für Uhren oder in Prozessoren verwendet werden, müssen wesentlich stabiler und widerstandsfähiger gegenüber äußeren Einflüssen sein. Quarzgeneratoren zeichnen sich durch diese Eigenschaften aus.
Andere Arten von Resonatoren
In der Elektronik werden ebenfalls keramische Resonatoren verwendet. Es sei darauf hingewiesen, dass diese eine wesentlich geringere Genauigkeit bieten und daher nicht in Prozessoren oder Uhren verwendet werden. Die Genauigkeit ist im Vergleich zu Quarzresonatoren um etwa zwei PPM (Parts Per Million) geringer. Die ungefähre Genauigkeit des keramischen Generators läge also bei 0,5 %. Solche Generatoren werden z. B. in Spielzeug oder anderen Geräten verwendet, die keine hohe Präzision erfordern.
Siliziumresonatoren sind ein weiteres Beispiel für Generatoren – auch sie sind nicht stabil, haben aber den großen Vorteil, dass sich die Frequenz, mit der sie schwingen, leicht programmieren lässt.
Wie funktioniert ein Quarzresonator?
Aus der Sicht eines Elektronikers ist ein Quarzresonator in der Regel ein kleines Bauteil mit zwei, drei oder vier Anschlüssen, das in der Lage ist, gleichmäßige Schwingungen mit hoher Präzision zu erzeugen. Im Inneren des Gehäuses eines solchen Generators befindet sich nämlich ein sehr sorgfältig zugeschnittenes Stück Quarz (Quarzdioxid). Eine hohe Genauigkeit ist in diesem Fall entscheidend, da die angegebene Schwingungsfrequenz genau von der Größe und Form des geschliffenen Quarzelements abhängt. Dieses kann zwischen einigen zehn kHz und sogar einigen hundert MHz schwingen.
An den beiden Enden des entstehenden Quarzstücks wird das Element mit Metall “besprüht”, und dann werden an diesen Stellen Leitungen hergestellt. Der Quarz beginnt zu schwingen, wenn er unter Strom gesetzt wird. Die Werte unterscheiden sich jedoch immer von Frequenzen wie einer Sekunde oder einer Minute.
Der in Uhren verwendete Standard-Quarzresonator erzeugt eine Frequenz von 32.768 Hz. Gerade ein solcher Wert ist vorteilhaft, denn wenn man solche häufigen Schwingungen entsprechend aufteilt, kann daraus leicht eine Zeit von einer Sekunde entstehen.
Hochpräzise Quarzresonatoren, also wie man die Genauigkeit maximiert
Die hohe Genauigkeit von Quarzresonatoren, die in Uhren oder Prozessoren verwendet werden, ist nicht der Gipfel dessen, was erreicht werden kann. Eine höhere Genauigkeit ist in der Regel nicht erforderlich, kann aber erreicht werden. Quarzresonatoren haben eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur, was sich jedoch nur geringfügig auf die Schwingungsfrequenz auswirkt. Bei Bedarf werden spezielle Behälter eingesetzt, in denen eine elektronisch geregelte, konstante Temperatur gehalten wird.
Ein weiterer Faktor, der den Resonator destabilisiert, sind Lageveränderungen, die sich zwar nur geringfügig auf die Frequenz auswirken, aber dennoch so bedeutend sind, dass die Beseitigung dieses Faktors die Leistung des Generators verbessert. Der Resonator wird z. B. auf eine Plattform gestellt, an der ein Beschleunigungsmesser oder ein Gyroskop (oder beides gleichzeitig) angebracht ist. Außerdem muss an der Plattform ein System angebracht sein, das Positionsänderungen in Echtzeit ausgleicht (z. B. die Elektromotoren, die die Plattform steuern). Auf diese Weise wirken sich Schwerkraftschwankungen nicht auf den Quarzresonator aus, was ihn wesentlich präziser macht.
Verwendung von Quarzresonatoren
Quarzresonatoren sind elektronische Bauteile, die seit den 1920er Jahren in größerem Umfang eingesetzt werden. Derzeit werden sie am häufigsten im Pierce-System verwendet, seltener in den Butler-Systemen. Elektronikingenieure verwenden oft einfache Quarzresonatoren, die zwei Leitungen im Gehäuse haben, aber es ist nicht unüblich, bequemere Modelle zu verwenden – diese haben vier Leitungen: Strom, Masse, eine Leitung für das Ausgangssignal und einen Eingang für das Ein/Aus-Signal des Bauteils.
Quarzresonatoren werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt – in erster Linie für Uhren und Mikroprozessoren (sie sind also in praktisch jedem Computer zu finden) und in allen Arten von Uhren. Sie sind auch für die Synchronisierung von digitalen Signalen, wie z. B. Audiosignalen, erforderlich – das heißt, sie werden für einen gut funktionierenden USB- oder HDMI-Anschluss benötigt.
