Wie funktioniert ein Kristall?

Insbesondere ein 2-poliger und ein 4-poliger Quarzoszillator.

Was ich weiß: Es wird Strom angelegt und der Kristall oszilliert, um ein oszillierendes Signal zu liefern.

Was ich wissen möchte: Wie verursacht die Vibration einen oszillierenden Strom? Wie unterscheiden sich 2/4-polige Kristalle? Schließlich, warum kann ein 4pin alleine laufen und ein 2pin braucht Kondensatoren.

Die Geräte mit zwei Pins sind keine Oszillatoren, sondern Resonatoren (Kristalle), die in einem Oszillatorschaltkreis (z. B. einem Pierce-Oszillator ) verwendet werden können und bei Verwendung des richtigen Schaltkreises bei (oder nahe) der angegebenen Frequenz oszillieren . Die nachstehend gezeigte Pierce-Oszillatorschaltung verwendet zwei Kondensatoren (Lastkondensatoren C1 / C2), den Kristall (X1) und einen Verstärker (U1).

Die Geräte mit vier Pins sind komplette Schaltkreise mit einem Resonator und einem aktiven Schaltkreis, der oszilliert. Sie benötigen Strom und geben eine Rechteck- oder Sinuswelle mit (oder nahe) der markierten Frequenz aus.

Es gibt auch (Keramik-) Resonatoren mit drei Stiften, die wie Kristalle mit Kondensatoren wirken.

Die Funktionsweise von Kristallen (und Keramikresonatoren) besteht darin, dass sie aus einem piezoelektrischen Material bestehen, das eine Spannung erzeugt, wenn sie in ihrer Form verzerrt sind. Eine angelegte Spannung führt zu einer Formverzerrung. Der Kristall wird in eine Form gebracht, die bei der gewünschten Frequenz physisch mitschwingt (wie eine Stimmgabel oder ein Becken). Das bedeutet, dass der Kristall wie ein Filter wirkt. Wenn Sie die gewünschte Frequenz anwenden, wirkt er wie eine hohe Impedanz, sobald er vibriert, und bei etwas anderen Frequenzen ist er verlustbehafteter. In den Rückkopplungskreis eines Verstärkers eingespeist, ist die Schwingung autark. Viel mehr und ein bisschen Mathe hier .

Wenn Sie sich einen Kristall als eine winzige Glocke vorstellen, ist es leicht zu erkennen, dass er, wenn Sie ihn mit einem kleinen Hammer schlagen, mit einem reinen Ton klingelt, genau wie eine große Glocke, wenn Sie die große Glocke mit einem kleinen Hammer schlagen Hammer.

Genau das macht ein Kristall, aber der Trick ist, dass er aus piezoelektrischem Material besteht, das beim Auftreffen Elektrizität erzeugt und seine Form ändert, wenn man ihn mit Elektrizität versetzt.

Um diesen reinen Glockenton kontinuierlich zu erzeugen, wird er über einen Verstärker angeschlossen, der so funktioniert, als würde jemand Sie auf einer Schaukel schieben, sodass Sie, wenn Sie kurz nach dem Höhepunkt einer Schaukel angelangt sind, einen Schub erhalten Stellen Sie sicher, dass Sie für den nächsten zurückkommen.

Die piezoelektrische Natur des Kristalls bewirkt, dass er seine Form ändert, wenn der Verstärkerausgang ihn mit einem elektrischen Signal "drückt". Wenn der Verstärker dann loslässt, springt der Kristall zurück und erzeugt ein eigenes Signal, das "Drück mich" sagt und sendet Es wird zum richtigen Zeitpunkt an den Eingang des Verstärkers geleitet, damit der Verstärker einen weiteren Push generiert und den Zyklus für immer regeneriert.

Was bringt den Kristall zum Schwingen?

Lärm.

Überall ist Lärm zu hören, und es ist, als würden zig Millionen kleiner Hämmer die ganze Zeit auf alles einschlagen.

Ein Teil dieses Rauschens trifft auf den Kristall, und wenn er an den Verstärker angeschlossen ist und anfängt, ein wenig von den Rauschentreffern zu klingeln, erhält der Verstärker das elektrische Signal aus dem physikalischen Klingelton (Frequenz) des Kristalls, baut es auf und sendet es zurück zum Kristall. Dadurch ändert sich die Kristallform noch mehr und sendet ein größeres Signal zurück an den Verstärker, wenn die Kristallform zurückspringt, bis das System kontinuierlich oszilliert und stabil ist.

Ein Kristall schwingt nicht von alleine. Sie wenden nicht einfach nur Strom an und erzeugen Schwingungen. Stellen Sie sich einen Kristall als einen sehr genauen und scharfen Frequenzfilter vor. Wenn Sie es richtig in den Rückkopplungspfad eines Verstärkers einfügen, schwingt der Stromkreis mit der Resonanzfrequenz des Kristalls. Es ist die Schaltung, die die Schwingungen verursacht. Der Quarz tötet alle Frequenzen ab, mit Ausnahme derjenigen, für die er abgestimmt ist. Dadurch wird nur eine ausreichende Gesamtschleifenverstärkung erreicht, damit die Schaltung mit der Frequenz des Quarzes schwingen kann.

Kristalle unterhalb ihrer Resonanzfrequenz erscheinen meist kapazitiv. Oberhalb ihrer Resonanzfrequenz erscheinen sie meist induktiv. Bei ihrer Resonanzfrequenz scheinen sie größtenteils resistiv zu sein.

Zeichnen Sie den Pierce-Oszillator dreimal neu und ersetzen Sie den Kristall durch eine dieser Komponenten. Es kann Ihnen helfen zu verstehen, wie es funktioniert.

Parallele Resonanzkristalle werden tatsächlich ein wenig unter der Grundfrequenz spezifiziert. Dadurch erscheint der Kristall bei der angegebenen Frequenz etwas kapazitiv. Die zusätzliche Kapazität fügt eine zusätzliche Phasenverschiebung hinzu, um das Starten und Laufen des Oszillators zu erleichtern.

Der Eingang des Verstärkers sieht ein größeres Signal nahe der Grundschwingung des Kristalls (ohmsch, typischerweise unter 100 Ohm ESR). Die kleineren Off-Frequency-Signale werden verringert oder blockiert, sodass ein Signal mit der Grundfrequenz stärker wird (nachdem es verstärkt wurde) und dominiert.

Jemanden auf eine Schaukel schieben. Egal wie sehr Sie es auch versuchen, der Swing bewegt sich wirklich nur mit einer Grundfrequenz hin und her.

Stellen Sie sich einen Kristall als Wasseroberfläche vor. Senden Sie nun Wellen über diese Oberfläche. Die Wellen bewegen die Oberfläche auf und ab, wodurch die Oberfläche effektiv gebogen wird. Der Kristall biegt sich ebenfalls, wenn er vibriert.

Das Biegen kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes an einen Quarzkristall verursacht werden, aber auch das Biegen selbst erzeugt ein entgegengesetztes elektrisches Feld im Kristallgitter. In Ruhe sind diese Kräfte ausgeglichen und der Kristall ist nicht geladen.

Was lässt sich mit der Hand leichter vibrieren: ein 12 x 1 Zoll großes Lineal oder eine 6 x 4 Fuß große Sperrholzplatte? Offensichtlich kann das kleinere Lineal schneller vibriert werden!

Kristalle sind die gleichen. Ihre Abmessungen bestimmen ihre Resonanzfrequenz; kleinere und / oder dünnere Kristalle vibrieren schneller. Dies begrenzt auch die Grundfrequenz eines Kristalls: Kristalle werden zu klein oder zu dünn, um durch mechanische Bearbeitung oder chemisches Ätzen bei höheren Frequenzen genau bearbeitet zu werden.

Bei sehr niedrigen Frequenzen werden Kristalle so groß oder dick, dass sie zu stark gebogen werden müssen. Daher wird für niederfrequente 32,768 kHz-Timing-Kristalle ein Stimmgabel-Kristalldesign verwendet.

Kristalle können tatsächlich mit mehr als einer Frequenz schwingen. Dies sind die Obertöne bei Vielfachen der Grundtöne, aber sie sind tendenziell schwächer als die Grundtöne. Es ist möglich, eine Schaltung so zu gestalten, dass ein Kristall in einem Oberton, typischerweise dem dritten oder fünften, oszilliert. Quarze über 40 MHz sind in der Regel für den 3. oder 5. Oberton ausgelegt, nicht für den Grundton. Lesen Sie die technischen Daten daher vor dem Kauf sorgfältig durch!