Ein typisches Szenario beim Kauf eines Schwingquarzes: „Wir sind auf der Suche nach einem Quarz 7*5 mm 25 MHz 18 pF“. Diese Angaben sind für den Verkäufer jedoch unzureichend. Jede Quarzgruppe hat unzählige Unterkategorien, abhängig von weiteren technischen Spezifikationen. Für ein zuverlässiges Angebot sind folgende Parameter nötig: Gehäuseform (SMD oder THT), Frequenz (in kHz oder MHz), Arbeitstemperaturbereich (in °C), Frequenztoleranz und –stabilität (in ppm) sowie die Lastkapazität (in pF).

Abgesehen von einer passenden Angebotserstellung profitieren Entwickler auch bei ihrem Projekt davon, sich ausführlich und frühzeitig mit den frequenzbestimmenden Bauteilen auseinanderzusetzen. Wenn ein Schwingquarz erst am Ende des Entwicklungsprozesses eindesignt wird, kann dies zu erheblichen Schwierigkeiten führen. Beispielsweise ist die benötigte Frequenz nicht in dem gewünschten Quarzgehäuse erhältlich. Dann sind umständliche Anpassungen notwendig, die den Zeitplan gewaltig durcheinanderbringen können. Folgende Parameter eines Schwingquarzes sollte ein Entwickler definieren:

Verschiedene Gehäuseformen von Quarzen.

Bild 1: Verschiedene Gehäuseformen von Quarzen. Quelle: Red Frequency

Gehäuseform

Quarze für die konventionelle Bestückung („THT“) besitzen in aller Regel ein hermetisch dichtes und radial bedrahtetes Metallgehäuse. Dazu gehören auch viele Uhrenquarze mit ihrer charakteristischen Frequenz von 32.768 MHz. Einer Miniaturisierung sind bei diesen Bauformen allerdings Grenzen gesetzt, ihre Gehäuse sind meist länger als 6 mm. Für platzsensitive Anwendungen sind sie deshalb kaum geeignet.

In deutlich kompakteren Bauformen sind Quarze mit SMD-Gehäusen erhältlich. Aktuelle Typen kommen beispielsweise mit bis zu 1.6 * 1.2 * 0.3 mm kleinen Gehäusen aus. Zu beachten ist, dass aus technischen Gründen keine beliebige Verkleinerung des eigentlichen Quarzschwingers möglich ist, da sich die technischen Parameter physikalisch bedingt ändern. Deshalb ist nicht jeder Quarz in beliebiger Bauform erhältlich.

Frequenz

Gebräuchliche Quarze werden für Frequenzen von 32.768 kHz bis etwa 200 MHz in vielen Abstufungen angeboten. Grundsätzlich gilt dabei, dass Quarze mit höherer Frequenz in kleineren Bauformen erhältlich sind. Unterhalb etwa 8 MHz liegt man bereits bei Abmessungen von rund 7 * 5 mm, während eine 20-MHz-Type mit etwa 2 * 1,6 mm schon deutlich kompakter ist. Dies sollte man beim Schaltungsdesign bereits im Vorfeld beachten.

Arbeitstemperaturbereich

Quarze sind relativ robust. Aber wie alle Bauteile im Elektronikbereich weisen sie eine gewisse Temperaturabhängigkeit auf. Verlässt man die gemäß Datenblatt spezifizierten Grenzen, so ist zuerst einmal nicht mit direkten Problemen zu rechnen, jedoch werden die garantierten Toleranzen nicht mehr eingehalten. Je nach Robustheit und den Sicherheitsreserven der Oszillatorschaltung ist der Betrieb aber noch möglich.

Frequenztoleranz bei 25°C

Die Frequenztoleranz spezifiziert die maximal zu erwartende Gesamtabweichung von der Nennfrequenz. Sie wird für eine Umgebungstemperatur von +25 °C und einen Betrieb innerhalb der zulässigen elektrischen und mechanischen Parameter angegeben. Faktoren wie Abgleichtoleranzen, Alterungs- und Drifterscheinungen sowie Umwelteinflüsse führen dazu, dass jeder Quarz gewisse Toleranzen gegenüber seiner Nennfrequenz aufweist. Der Hersteller gewährt durch die Angabe der Frequenztoleranz, dass sich die Schwingungsfrequenz des Quarzes innerhalb des zulässigen Bereichs bewegt. Je nach den Anforderungen der einzelnen Applikation kann durch die Wahl der geeigneten Frequenztoleranz die bestmögliche Lösung bezüglich Wirtschaftlichkeit und Funktionssicherheit erreicht werden.

Frequenzstabilität über den Arbeitstemperaturbereich

Physikalisch bedingt verursachen Temperaturänderungen minimalste Änderungen im Schwingverhalten des Quarzes. Dies hat Auswirkungen auf sein Resonanzverhalten. Vom Hersteller wir deshalb sowohl die Frequenzstabilität über den Arbeitstemperaturbereich angegeben als auch die Frequenzabweichung in ppm je K Temperaturänderung. Der Entwickler ist damit in der Lage, bereits im Vorfeld Temperatureinflüsse zu berücksichtigen und nötigenfalls zu kompensieren. Bestehen besonders hohe Anforderungen an die Frequenzstabilität, so sollte auch der Einsatz temperaturkompensierter Quarzoszillatoren in Betracht gezogen werden.

Bild 2: Formel zur Berechnung der Lastkapazität. Quelle: Red Frequency

Bild 2: Formel zur Berechnung der Lastkapazität. Quelle: Red Frequency

Lastkapazität

Als Lastkapazität bezeichnet man die Kapazität (C), welche der Schwingquarz an seinen Anschlüssen „sieht“. Die richtige Lastkapazität (CL) der Oszillatorschaltung ist wichtig für eine möglichst genaue Frequenzeinhaltung.  Vom Hersteller sind Quarze entsprechend getrimmt, so dass sie im spezifizierten Bereich der Lastkapazität im zugesicherten Toleranzbereich arbeiten. Andererseits ist es möglich, durch eine gezielte Änderung der Lastkapazität Quarze zu „ziehen“, also ihre Frequenz geringfügig zu verändern. Damit kann man die Frequenzgenauigkeit optimieren, wenn besonders hohe Anforderungen bestehen. Die Ziehfähigkeit von Quarzen ist limitiert. Wird die Toleranzempfindlichkeit überschritten, ist ein sicheres Anschwingen nicht mehr gewährleistet.

Sind alle sechs aufgelisteten Parameter spezifiziert, kann der Entwickler bzw. Einkäufer sich ein schnelles und auf sein Projekt zugeschnittenes Angebot einholen. Allerdings hat jeder Hersteller eine eigene Typenbezeichnung für seine Quarze. Eine entsprechende Ordering Guidance (s. Bild 3) ist daher hilfreich für die Klassifikation von Schwingquarzen bzw. das Crossen von Alternativen.

Bild 3: Ordering Guidance für Quarze. Quelle: Red Frequency

Bild 3: Ordering Guidance für Quarze. Quelle: Red Frequency

Weitere Informationen: http://www.red-frequency.com/produkte-quarze.php