Was ist ein Quarzoszillator?
Ein Quarzoszillator ist eine elektronische Schaltung, die ein Signal mit einer Frequenz erzeugt, die durch einen aus Silizium und Sauerstoff gebildeten Quarzkristall bestimmt wird. Die piezoelektrische Eigenschaft von Quarz macht es zu einem sehr guten Resonator von einigen zehn Kilohertz (KHz) bis zu einigen hundert Megahertz (MHz). Ein Quarzoszillator ist typischerweise so ausgelegt, dass er nur mit einer einzigen genauen Frequenz arbeitet. Mit diesen Oszillatoren werden stabile Frequenzen in Mobiltelefonen, GPS-Empfängern (Global Positioning System) und Funkgeräten erzeugt. Sie werden auch zur präzisen Zeitmessung in Uhren, Computern und anderen elektronischen Geräten verwendet.
Ein Kristall aus piezoelektrischem Material wie Quarz kann seine Form geringfügig ändern, wenn an eine Elektrode am Kristall eine Spannung angelegt wird. Sobald diese Spannung entfernt ist, kann der Kristall in seine ursprüngliche Form zurückkehren und dabei eine Spannung erzeugen. Diese 1880 entdeckte und als Piezoelektrizität bezeichnete Eigenschaft ist für den Betrieb eines Oszillators von entscheidender Bedeutung. Mit der Zeit wurden Experimente mit verschiedenen Kristallmaterialien durchgeführt und der erste Quarzoszillator wurde Ende der 1910er Jahre zusammengebaut. Quarzoszillatoren werden seit den 1920er Jahren häufig in Uhren sowie in Amateurfunk-, kommerziellen und militärischen Funkgeräten eingesetzt.
Wenn ein Quarzoszillator zum ersten Mal eingeschaltet wird, führt die Schaltung dem Kristall ein zufälliges Rauschsignal zu. Ein Teil dieses Rauschens hat immer die Resonanzfrequenz des Kristalls, wodurch der Kristall schwingt. Die Spannung, die der Kristall erzeugt, wenn er seine Form ändert, wird durch die Quarzoszillatorschaltung verstärkt und zum Kristallresonator zurückgeführt. Wenn sich dieser Vorgang wiederholt, werden die Signale im begrenzten Frequenzband des Kristalls stärker, während andere Frequenzen herausgefiltert werden. Sobald diese "Aufwärm" -Periode abgeschlossen ist, arbeitet der Oszillator genau mit seiner vorgesehenen Frequenz.
Die Form, Größe und der Schliff eines Quarzkristalls bestimmen, wie schnell er sich ausdehnt und zusammenzieht. Ein Quarzoszillator kann mit dieser Frequenz arbeiten, die als Resonanzfrequenz bezeichnet wird. Sie kann auch bei einer Obertonfrequenz arbeiten, die ein Vielfaches der Resonanzfrequenz ist. Während Quarzkristalle in der Umwelt natürlich vorkommen, wird eine sehr große Anzahl hergestellt, um die Ausbeute und das Angebot an physikalisch verwendbaren Kristallen zu erhöhen.
Die von einem Quarzoszillator ausgegebene Frequenz kann durch eine Vielzahl externer Faktoren beeinflusst werden, darunter Temperatur und sogar plötzliche Beschleunigung. Die Strahlung beeinflusst auch die Frequenz, sei es durch kosmische Strahlung in einem Raumfahrzeug, Röntgenstrahlung oder einen Puls ionisierender Strahlung. Einige dieser Faktoren können mit einer zusätzlichen Schaltung kompensiert werden, die die Bedingungen überwacht und die Oszillatorleistung entsprechend anpasst. Einige Quarzoszillatoren verfügen über einen präzise geregelten Ofen, in dem sich der Kristall befindet, um Temperaturänderungen auszugleichen. Quarzkristalle können auch durch Backen in einer speziellen Atmosphäre und in einem elektrischen Feld "gefegt" oder gegen Strahlung gehärtet werden.