Ratgeber
Schwingquarze oder kurz Quarze sind sozusagen das Herz vieler elektronischer Schaltungen. Als Taktgeber sorgen sie für den präzisen Ablauf zyklischer Prozesse, können aber auch in der Funktechnik die gewünschten Frequenzen bereitstellen. Neben bedrahteten Bauteilen genießen SMD-Quarze seit geraumer Zeit eine hohe Nachfrage. Sie lassen sich direkt auf die Platine löten, in erster Linie mit Bestückungsautomaten.
In diesem Ratgeber informieren wir Sie über die technischen Grundlagen von Quarz-Bauteilen und geben Hinweise zur Beschaffung.
Funktionsbasis sind ihre piezoelektrischen Eigenschaften: Wenn eine Spannungsquelle an ein kleines, dünnes Stück Quarzkristall angelegt wird, verändert es seine Form. Durch die elektrische Ladung wird die Kristallstruktur verändert und eine mechanische Kraft erzeugt. Die Kraft lässt sich nutzen, beispielsweise zum Tintentransport in den Druckköpfen von Tintenstrahldruckern. Umgekehrt erzeugt eine mechanische Kraft, die auf den Kristall einwirkt, eine elektrische Spannung. Gasfeuerzeuge verwenden diesen Effekt zur Funkenerzeugung.
Piezoelektrische Bauteile können somit als Wandler eingestuft werden, da sie Energie einer Art in Energie einer anderen Art umwandeln. Der piezoelektrische Effekt erzeugt mechanische Schwingungen oder Oszillationen, die als Ersatz für klassische Schwingkreise aus Spulen, Widerständen und Kondensatoren dienen können.
Es gibt viele verschiedene Arten von Kristallen mit oszillierenden Eigenschaften. Die wichtigsten für elektronische Schaltungen sind spezielle Quarzminerale, unter anderem wegen ihrer größeren mechanischen Festigkeit. Der Quarzkristall, der in einem Quarz-Bauteil verwendet wird, ist ein sehr kleines, dünnes Stück oder eine Scheibe aus geschnittenem Quarz. Die beiden parallelen Oberflächen sind metallisiert, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen herzustellen. Die physische Größe und Dicke eines Quarzkristalls wird in der Produktion streng kontrolliert, da diese Faktoren die Frequenz der Schwingungen beeinflusst. Als Nennfrequenz wird im Allgemeinen als charakteristische Frequenz des Kristalls bezeichnet.
Sobald der Kristall geschnitten und geformt ist, kann er nicht mehr mit einer anderen Frequenz verwendet werden. Das heißt: Größe und Form bestimmen seine Nennfrequenz.
Ein SMD-Quarz-Bauteil besteht im Allgemeinen aus einem Kristallresonator, einer Rückkopplungsschaltung und einem Verstärker. Alle Komponenten sind in einem Gehäuse untergebracht, das sich direkt auf die Platinenoberfläche löten lässt. Es besitzt – wie die weitaus meisten Surface-Mounted Devices – metallische Kontaktflächen. Erhältlich sind aber auch Quarze mit Pins, die zwar auch zur SMD-Gruppe zählen, aber passende Montagelöcher in der Platine benötigen.
Aufgrund ihrer geringeren Größe und ihres niedrigeren Profils sind SMD-Quarzoszillatoren widerstandsfähiger gegen Beschädigungen durch Stöße und Vibrationen als ihre Pendants mit Kontaktdrähten für Durchgangsbohrungen.
Zu den wichtigsten elektrischen Eigenschaften von SMD-Quarz-Bauteilen gehört die Frequenzstabilität, die in Teilen pro Million (ppm) gemessen wird. Die Toleranz beträgt in der Regel plusminus 20 ppm, Quarze in hohen Megahertz-Bereichen können aber auch Toleranzen von plusminus 30 ppm oder 50 ppm aufweisen. Da sich Temperaturschwankungen auf die Frequenzstabilität von SMD-Oszillatoren auswirken, können sie eine Schaltung zur Temperaturkompensation enthalten, um ihre Ausgangsfrequenz über einen weiten Temperaturbereich konstant zu halten.
Zu den wichtigsten elektrischen Eigenschaften von SMD-Quarz-Bauteilen gehört die Frequenzstabilität, die in Teilen pro Million (ppm) gemessen wird. Die Toleranz beträgt in der Regel plusminus 20 ppm, Quarze in hohen Megahertz-Bereichen können aber auch Toleranzen von plusminus 30 ppm oder 50 ppm aufweisen. Da sich Temperaturschwankungen auf die Frequenzstabilität von SMD-Oszillatoren auswirken, können sie eine Schaltung zur Temperaturkompensation enthalten, um ihre Ausgangsfrequenz über einen weiten Temperaturbereich konstant zu halten.
SMD-Quarze zeichnen sich zudem durch ein extrem geringes Phasenrauschen aus. Dies ist entscheidend für Anwendungen, die ein exaktes Timing oder eine exakte Synchronisation erfordern. Sie haben eine sehr lange Lebensdauer und sind äußerst zuverlässig. Aufgrund ihrer Stabilität und Präzision sind sie verschleißfest und bieten eine konstante Leistung über einen langen Zeitraum.
Die Quarzoszillatoren in SMD-Bauform eignen sich perfekt für Geräte mit geringem inneren Platz wie Mobiltelefone, Laptops und Geräte mit Steuerung durch einen Mikrocontroller, da sie sehr klein sind und daher nur wenig Raum auf der Platine benötigen. Sie finden sich in verschiedenen Anwendungen der Elektronik, die genaue und zuverlässige Oszillationssignale erfordern. Dazu gehören beispielsweise Geräte für die Telekommunikation, für die Luft- und Raumfahrt und die Medizin.
Für die Auswahl sind folgende Anforderungen zu beachten:
Nennfrequenz
Es handelt sich dabei um die Frequenz, mit der das Quarzelement schwingt. Sie wird in der Regel durch die physikalischen Eigenschaften und die kristallographische Ausrichtung des Kristalls bestimmt. Dicke und Schnittwinkel des Kristalls gehören zu den wichtigsten frequenzbestimmenden Merkmalen.
Im unteren Frequenzbereich rangieren Quarze mit 32,768 Kilohertz. Diese Frequenz lässt sich durch elektronische Teiler als Sekunden-Basis für quarzgesteuerte Uhren verwenden und sind dank größerer Stückzahlen in der Produktion recht preiswert. Die nächsthöhere Frequenzklasse beginnt bei 3,6864 MHz und reicht bis etwa 10 MHz. Danach folgen Quarze bis zu 20 MHz, gefolgt von High-End-Oszillatoren, die mit bis zu 32 MHz schwingen.
Kapazität
Wie herkömmliche elektromagnetische Schwingkreise aus Spule und Kondensator besitzt auch ein SMD-Quarz eine bestimme Kapazität. Sie ist in der Regel recht klein, übliche Werte sind 10, 18 oder 20 Picofarad.
Kristalltyp
Die Leistung eines SMD-Quarzes wird auch durch die Art des Kristalls beeinflusst, der in ihm verwendet wird. Die beiden am häufigsten verwendeten Kristalle sind der Quarzkristall und der Keramikresonator. Quarzkristalle verfügen über einen hohen Q-Faktor und sind sehr stabil, Keramikresonatoren sind dagegen preiswerter und haben einen größeren Betriebstemperaturbereich.
Gehäuse
SMD-Schwingquarze stehen in unterschiedlich großen SMD-Gehäusen zur Verfügung. Die kleinsten Typen unter den SMD-Bauformen sind gerade mal 2 Millimeter lang, 1,2 Millimeter breit und 0,6 Millimeter hoch. Als Uhren-Quarz schwingen sie mit 32,768 Kilohertz. Zu den Vertretern mit größeren Abmessungen gehören Schwingquarze mit Frequenzen im zweistelligen Megahertz-Bereich. Die Länge kann hier 12,5 Millimeter betragen, bei einer Breite von 4,6 Millimeter und einer Höhe von 3,7 Millimeter. Neben den in Europa geläufigen SMD-Gehäusen sind auch Quarze im US-SMD-Format erhältlich. Sie sind oft auch mit HC-49 bezeichnet. Statt Lötflächen besitzen sie Lötpins, die Platine muss daher über Montagelöcher verfügen.