Wat is een kwartsoscillator?
Een kwartsoscillator is een elektronisch circuit dat een signaal genereert met een frequentie bepaald door een kwartskristal gevormd uit silicium en zuurstof. De piëzo-elektrische eigenschap van kwarts maakt het een zeer goede resonator van tientallen Kilohertz (KHz) tot honderden Megahertz (MHz). Een kwartskristaloscillator is typisch ontworpen om alleen met een enkele precieze frequentie te werken. Deze oscillators worden gebruikt om stabiele frequenties te creëren in mobiele telefoons, GPS-ontvangers (Global Positioning System) en portofoons. Ze worden ook gebruikt voor nauwkeurige tijdregistratie in horloges, computers en andere elektronische apparatuur.
Een kristal van piëzo-elektrisch materiaal zoals kwarts kan enigszins van vorm veranderen wanneer een spanning op een elektrode op het kristal wordt aangelegd. Zodra die spanning is verwijderd, kan het kristal terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm en een spanning genereren terwijl het bezig is. Ontdekt in 1880 en piëzo-elektriciteit genoemd, deze eigenschap is van cruciaal belang voor de werking van een oscillator. Experimenten werden in de loop van de tijd met verschillende kristalmaterialen uitgevoerd en de eerste kwartsoscillator werd eind 1910 samengesteld. Sinds de jaren 1920 worden kwartskristaloscillatoren veelvuldig gebruikt in klokken, maar ook in amateur-, commerciële en militaire radioapparatuur.
Wanneer een kwartsoscillator voor het eerst wordt ingeschakeld, introduceert het circuit een willekeurig ruissignaal naar het kristal. Een deel van die ruis zal altijd op de resonantiefrequentie van het kristal zijn, waardoor het kristal oscilleert. De spanning die door het kristal wordt geproduceerd wanneer het van vorm verandert, wordt versterkt door het kwartsoscillatorcircuit en teruggevoerd naar de kristalresonator. Naarmate dit proces zich herhaalt, worden de signalen binnen de beperkte frequentieband van het kristal sterker, terwijl andere frequenties worden uitgefilterd. Zodra deze "opwarmperiode" is voltooid, werkt de oscillator precies op de ontworpen frequentie.
De vorm, grootte en snede van een kwartskristal bepalen hoe snel het uitzet en krimpt. Een kwartsoscillator kan met deze snelheid werken, de resonantiefrequentie genoemd. Het kan ook werken met een boventoonfrequentie, die een veelvoud is van de resonantiefrequentie. Hoewel kwartskristallen van nature in de omgeving voorkomen, wordt een zeer groot aantal vervaardigd om de opbrengst en toevoer van fysiek bruikbare kristallen te verhogen.
De frequentie-uitvoer door een kwartsoscillator kan worden beïnvloed door verschillende externe factoren, waaronder temperatuur en zelfs plotselinge versnelling. Straling heeft ook invloed op de frequentie, of deze nu afkomstig is van kosmische stralen in een ruimtevaartuig, röntgenstralen of een puls van ioniserende straling. Sommige van deze factoren kunnen worden gecompenseerd met extra circuits die de omstandigheden bewaken en de oscillatoroutput dienovereenkomstig aanpassen. Sommige kwartsoscillatoren bevatten een nauwkeurig geregelde oven met het kristal erin om temperatuurveranderingen te compenseren. Kwartskristallen kunnen ook worden "geveegd" of gehard tegen straling door ze in een gespecialiseerde atmosfeer en elektrisch veld te bakken.